基于电厂固废的矿井多孔端头封堵材料研制与应用

张 锋，张延波，李永恩，熊路长，樊博文

（1.国家能源集团国源电力有限公司，北京 100033；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）

作为煤炭大国，我国的粉煤灰产量逐年增加，2015 年达到6.2 亿t[1]。据统计，通常每消耗2 t 煤就会产生1 t 粉煤灰；每1 万t 粉煤灰堆放需占压地面2 670～3 330 m2。巨量堆放的粉煤灰不仅占压了大量土地资源，引发了严重的环境污染，而且加剧土地利用矛盾[2]。如何使粉煤灰这一工业垃圾商品化，变废为宝，清除其对环境的影响，受到众多研究者的关注[3-4]。国内徐俊明等[5]得出了矸石与粉煤灰封堵材料的最佳配比为1∶0.3。国外很早以前用粉煤灰代替沙子用作水泥[6]。A F Hamzah 等深入探究了粉煤灰掺入量对封堵材料性能的影响[7]，并用煤灰转化为有效吸附剂，用于去除废水中的重金属和染料等。Xiong 等[8]研究了粉煤灰的颗粒尺寸效应对于粉煤灰基轻质多孔材料的性能影响，深入探究了超高掺量粉煤灰的基础性能及其在矿井中的应用。在封堵材料领域，国内外专家研究成果丰富[9-10]，材料及性能的研究都比较详尽，但应用实例较少。基于此，研究了1 种多孔端头封堵材料，直接应用到矿井采空区，主要解决采空区端头CO 体积分数控制以及工作面漏风等问题。采空区端头的残煤接触空气以后会氧化产生CO 等有害气体[11]，为了减少采空区内的漏风状况，防止风流通过端头进入采空区，使采空区内的氧气体积分数过高，需要采取一系列的措施对端头进行封堵。为了使材料封堵的效果更显著并且可以承担一定的压力变化，探索粉煤灰的颗粒尺寸变化对于其制成的封堵材料的各项性能的具体影响便成首要解决的问题。针对该问题进行了基于不同粉煤灰颗粒尺寸的多孔端头封堵材料配比设计及性能测试，并针对大南湖一矿1305 工作面回风巷道封堵工程进行了模拟和现场实验。结果表明，使用该材料后，巷道漏风状况得到了明显改善，CO 体积分数得到了有效控制。

1 粉煤灰基多孔端头封堵材料的制备

1.1 材料研制原理

粉煤灰基多孔端头封堵材料能够作为胶凝材料的主要原理有3 个：①粉煤灰的化学成分呈弱碱性，在在碱性环境下其活性容易被激发，粉煤灰活性激发的关键在于使粉煤灰中结合较强的Si-O 以及Al-O 键发生断裂，OH-浓度越大，对Si-O 和Al-O键的破坏作用越强；②硫酸盐对粉煤灰活性的激发主要是SO42-在Ca2+的作用下，与溶解于液相的活性Al2O3反应生成水化硫铝酸钙AFt（钙矾石），部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成Aft；③CaO 在整个反应体系中不仅仅为大南湖一矿的低钙粉煤灰提供Ca2+，同时CaO 水化反应产生的Ca（OH）2也是较好的碱激发剂，可以很好地激发粉煤灰潜在的活性。

氧化钙的主要作用如下：

整体反应会随着C－S－H、C－A－H 的不断生成，不断朝着正向进行。同时，会发生以下反应：

其中，硬脂酸钙作为稳泡剂的稳泡机理为：通过搅拌硬脂酸钙与水泥浆料，使硬脂酸钙逐渐吸附在水泥颗粒表面，水泥颗粒转变为部分疏水性颗粒，进而吸附在气泡的气液界面上阻止气泡进一步变大与合并，因此，可以在较长时间内稳定气泡；随后，水泥凝结固化，而泡孔结构被保留，形成粉煤灰基多孔封堵材料。实验表明硬脂酸钙的添加量越多，材料的孔径越小。

1.2 材料配比设计

基于大量实验研究，得出结论：不同颗粒尺度的粉煤灰原料里各种成分含量不同，导致不同颗粒尺度的粉煤灰化学活性也存在一定差异。为了更精准地确定粉煤灰粒径对整个多孔端头封堵材料性能的影响，于是以粉煤灰粒径为唯一变量，按照相同的配比方案配制出5 组粉煤灰轻质多孔端头封堵材料，以研究不同颗粒尺度的粉煤灰对于材料孔隙结构以及强度等参数的影响。每组配方以粉煤灰及水泥熟料为基料，按照1∶1 的比例各准备750 g，每组加入360 g 的水，同时根据前期实验经验加入相对应比例的添加剂（NaOH-碱激发剂、CaO-增强剂、Na2SO4-盐激发剂、硬脂酸钙-稳泡剂、H2O2-发泡剂等），粉煤灰轻质多孔端头封堵材料质量配比见表1。

表1 粉煤灰轻质多孔端头封堵材料质量配比Table 1 Ratio quality of fly ash light porous endplugging materials

1.3 材料制备流程

配比方案设计好以后，按照表1 的配比设计进行材料准备。配制材料的过程中值得注意的是各个步骤时间的准确性以及搅拌程度的均匀性，以此来避免配制流程对实验结果的影响。

首先在水中加入片状氢氧化钠均匀搅拌直至完全溶解，随后将混合好的干料与氢氧化钠溶液充分混合搅拌1 min，其次加入的过氧化氢快速搅拌30 s，然后等待发泡过程，该过程约在10 min 左右结束。因此入模20 min 后即可放入100 ℃的烘箱养护2 h，最终取出室温养护至对应龄期，并且切割成70.7 mm 见方的标准试样进行单轴抗压强度测试。

2 多孔封堵材料不同粒径性能测试

2.1 密度测量

参照GB/T 50080—2002 普通混凝土拌合物性能实验方法标准，对未发泡材料的实心密度及多孔材料的发泡密度进行测量。根据2 种材料密度可以计算出多孔端头封堵材料的孔隙率P：

式中：P 为材料的孔隙率；ρ1为发泡后材料密度；ρ2为未发泡材料密度。

粉煤灰轻质多孔端头封堵材料孔隙参数见表2。

表2 粉煤灰轻质多孔端头封堵材料孔隙参数Table 2 Pore parameters of fly ash light weight porous end plugging materials

2.2 强度测试

粉煤灰基多孔封堵材料在端头封堵过程中主要起到封堵作用，但其单轴抗压强度也是较为重要的参数。因此，参照GB/T 50081—2002 普通混凝土力学性能实验方法标准，对5 种不同粒径的粉煤灰轻质多孔端头封堵材料进行强度测试实验。多孔封堵材料的单轴抗压强度由中国矿业大学矿业工程学院的WDW-300 型万能实验机测试得到。不同粒径粉煤灰多孔封堵材料强度及孔隙率曲线如图1。

图1 不同粒径粉煤灰多孔封堵材料强度及孔隙率曲线Fig.1 Strength and porosity curves of light weight porous end plugging materials with fly ash of different particle sizes

2.3 塑性让压特征

粉煤灰基轻质多孔端头封堵材料在承载过程中表现出了异于常规地聚物的弹性受力状态，更倾向于多孔材料典型的塑性特性，对于该材料在承载过程中的应力应变表现可以形象地称之为塑性让压特征。发泡/未发泡粉煤灰封堵材料典型应力位移曲线如图2。由图2 可知，材料有较为明显的弹性阶段，经历了应力峰值之后呈现出急剧的应力下降现象。但是对于粉煤灰基轻质多孔端头封堵材料，其应力位移曲线在经历短暂的弹性阶段之后，材料的应力随应变的变化却呈现出较为稳定的平缓变化阶段。

图2 发泡/未发泡粉煤灰封堵材料典型应力位移曲线Fig.2 Typical stress displacement curves of foamed/unfoamed end plugging materials

深究其原因，这和粉煤灰基轻质多孔端头封堵材料的独特蜂窝孔状结构密切相关。材料的加载过程可以分为3 个主要的阶段：第1 阶段为表面残孔破损阶段，该阶段中材料表面开始与实验机压头接触，表面残孔开始受压破碎，式样整体受力进入短暂的弹性阶段；第2 阶段中为弱面缺陷受力阶段，该阶段中式样中存在的结构弱面及孔隙缺陷破坏，导致式样产生主要贯穿裂隙；随着加载的继续，第2 阶段产生的裂隙开始压合，材料中的气孔开始由表至里逐渐闭合，因此第3 阶段称为完整多孔结构承载压合阶段，该阶段中材料的气孔压缩，材料变形逐渐增大，但是压力值却变化极小，近乎平稳变形。同时式样与实验机接触的部分即顶部及底部的边缘由于应力集中而破坏。

2.4 测试结果

从不同粉煤灰颗粒制成的粉煤灰基多孔封堵材料的主要性能参数：密度、孔隙率、强度来看，粉煤灰颗粒尺寸对于这些参数均产生较为直观的影响。从表2 可以看出，随着粉煤灰颗粒尺寸的增加，多孔封堵材料的密度逐渐减小，而材料的孔隙率与发泡材料的密度呈负相关关系。而通过图1 也可以看出，材料的强度与孔隙率整体也呈负相关关系。材料的不同性能参数均随着粉煤灰粒径的变化而产生相对较有规律的变化，但在0.25～0.5 mm 范围时却出现了较为明显的转折。这种现象整体上符合原材料的颗粒尺寸效应，球状颗粒越小，材料的比表面积越大，潜在化学活性越强，经过相同的活化处理后的反应程度越高，材料强度越高；同时由于材料颗粒越小，发泡过程中气泡产生受到的不均质集料影响较小，能够使得相同发泡条件下的气泡分布更为均匀。而0.25～0.5 mm 范围的多孔材料性能与整体规律表现出一定的差异，这可能是由于材料的颗粒尺寸主要受上述的颗粒尺寸影响，但更为深层次的影响机理还需要通过相应的化学表征及分析方法来辅助剖析，这也是今后需要进一步开展的工作。

在实际生产过程中，粉煤灰用作封堵材料可以封堵矿井采空区，防止漏风，降低CO 体积分数，减小氧气泄露使煤自燃而发生火灾的几率。由于端头封堵主要考虑的是材料的抗变形能力并不着重于材料的承载能力，因此这种塑性让压的受力变形特性十分有利于材料在端头封堵中的应用。端头封堵材料不会产生脆性破坏而形成较大的裂隙导致漏风，而是只随着顶板的逐步下沉缓慢变形，能够达到较好的封堵效果。同时，为了得到更好地封堵效果，要求多孔封堵材料的孔隙率不能太大，孔隙分布需要更为均匀，并且要具有一定的承载能力。因此在制作多孔端头轻质封堵材料的时候，可以选择粉煤灰粒径偏小的，或者在制作时先进行机械研磨、筛分获得更小粒径的粉煤灰，从而制得符合条件的封堵材料。

3 多孔封堵材料井下端头封堵效果测试

3.1 湍头封堵效果数值模拟

在大南湖一矿进行实地考察，发现井下工作面采用的通风方式主要为“U”型通风，因此需要建立1个符合条件的整体“U”型模型。其中，模型中的进风巷、回风巷的长度为50 m，工作面长度为150 m，采空区长度为190 m，巷道宽度为5 m。同时使用ANSYS 本身的网格化软件ICEM 进行整个模型的网格划分，在巷道壁面和采空区的岩壁周围对网格进行了加密处理，使计算迭代次数更多，更加准确。

将生成的二维网格导入fluent 中进行参数设置，设置多孔介质区域的孔隙率以及黏性阻力等参数。模型进风风量为1.73 m3/s，即为进风巷的边界条件，并将其选择为velocity-inlet 边界，相应的回风巷的边界条件选择为pressure-outlet 边界，其余的巷道壁面除了工作面与采空区的交汇线设置为interior 外，都设置为wall。设置完成点击Initialization 进行初始化，风流在采空区中压力分布图如图3。

图3 风流在采空区中压力分布图Fig.3 Pressure distribution diagram of wind flow in goaf

端头未封堵前，风流从采空区流入，会冲击在端头，端头会形成风流聚集的现象，漏风情况也因此发生，造成采空区内部空气压力升高、氧气体积分数升高，产生安全隐患。端头封堵后，封堵完成后风流在采空区中压力分布图如图4。相对于未封堵时，整个端头的空气压力降低，并且采空区向内延深的空间内空气压力十分小，说明封堵效果显著。

图4 封堵完成后风流在采空区中压力分布图Fig.4 Pressure distribution diagram of air flow in goaf after completion of plugging

3.2 湍头封堵材料井下应用

数值模拟井下采空区端头封堵效果十分良好，因此可以应用到实际井下进一步进行效果测试。巷道封堵体位置及测点位置如图5。在大南湖一矿的采空区前进行封堵，使用袋式封堵[12]。针对大南湖一矿1305 工作面的实际现场情况和端头封堵工程的实施情况，考虑到该矿井主要有害气体为CO 气体，故对于该项目的效果检测主要关注在工作面端头的CO 体积分数。在测点1、测点2 布置CD-4 便携式多参数测定器，其中测点1 主要测量封堵前后支架下方以及煤壁前矿井工人作业区的CO 体积分数，测点2 主要测量封堵前后回风巷道内CO 体积分数，用测定器多次检测取平均值并记录。

图5 巷道封堵体位置及测点位置Fig.5 Plugging work and measuring point setting

因为封堵完毕后整个平面被封闭，所以在测点3、测点4 提前埋下束管，使用JSG-7 束管监测系统[13]监测封堵前后CO 体积分数。

3.3 井下应用效果测试

对大南湖一矿1305 封堵工作面内具有代表性的位置进行了CO 体积分数的测量，封堵前后CO 体积分数对比图如图6。《煤矿安全规程》规定：矿井内允许CO 安全体积分数为24×10-6。经过井下测量得出，未封堵前支架下方和巷道处测量的CO 体积分数分别为74×10-6、78×10-6，远远超过了井下规定的体积分数，增大了安全隐患。经过封堵处理以后，上下端头处的CO 体积分数有了明显降低，达到了安全范围之内。该结果也验证了端头封堵前后巷道处、支架下方、端头处CO 体积分数降低效果，明显地改善了作业环境，排除了安全隐患。

图6 封堵前后CO 体积分数对比图Fig.6 Comparison diagram of CO volume fraction before and after plugging

封堵前后端头处CO 体积分数检测结果图如图7。由图7 可以看出，在前6 h 内，端头封堵形成密闭空间后，端头处CO 体积分数的增长速率比未封堵端头处CO 体积分数增长速率快，但在9 h 之后，封堵后端头处的CO 体积分数增长速率大幅降低，CO体积分数也基本趋于定值。分析产生这种变化的原因主要应为：封堵后短时间内，端头处密闭空间内氧气较为充足，且没有新鲜风流带走氧化产生的CO气体，所以导致CO 体积分数以较快速率上升，但随着氧化反应的进行，端头密闭空间内的氧气含量降低，缺少反应物，从而抑制了CO 气体的产生，使有害体积分数保持在安全范围内。

图7 封堵前后端头处CO 体积分数检测结果图Fig.7 CO volume fraction test results at the ends before and after plugging

4 结 语

1）随着粉煤灰粒径的增大，该多孔端头封堵材料的实心密度不变，发泡密度减小，同时孔隙率增大，强度和材料密封性减小。实验得出其孔隙率和单轴抗压强度呈负相关，因此使用时应尽量减小粉煤灰的粒径。可以机械研磨或者级配选出颗粒粒径较小的粉煤灰，提高轻质端头封堵材料的强度，使其适应压力变化的能力增强，从而增强密闭性，提升封堵效果。

2）在采空区进行封堵后，支架下方和煤壁前方矿井工人作业区以及采空区后方的CO 体积分数发生了极大变化，得到有效地控制，减小了安全隐患。该封堵材料可以有效减少漏风状况，并且使用粉煤灰作为主要材料，可以减少成本，将固体废物重新利用，绿色经济且高效。

3）研究的多孔端头封堵材料还可以继续完善，例如材料内的气孔的分布等可以增大材料强度的因素无法确定，后续可以深入研究探讨。