專利名稱：：柔性煤粉泡沫混凝土及其制備方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種混凝土，尤其涉及一種柔性煤粉泡沫混凝土及其制備方法。
背景技術(shù)：
：氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)是通過鉆孔向煤層注入氣體(co2、氮氣、空氣、煙道氣等)，利用注入氣體置換、驅(qū)趕、保壓和增滲作用，促進煤層氣脫附并驅(qū)趕煤層氣流向抽采鉆孔。氣體驅(qū)替煤層氣技術(shù)可大幅度提高瓦斯采收率，具有防治瓦斯災害，減少瓦斯排放，提高煤層氣利用率，增加采煤效率的多重效果，具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。瓦斯在煤體中的運移需要有兩個條件，即壓力差和裂隙通道的存在。瓦斯壓力差構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的動力；裂隙通道構(gòu)成了瓦斯在煤體中運移的通道。要增大瓦斯在煤體中的流量，一方面應加大壓力差，另一方面則應增大煤層的透氣性；而提高抽放負壓，對煤層中瓦斯壓力差的增大是有限的(因為其極限值只能達到0.lMPa，況且提高抽放負壓對抽放設備的要求也有所提高，因而受到一定的限制)?，F(xiàn)有的氣體驅(qū)替煤層氣現(xiàn)場試驗表明，巷道周圍煤層十分破碎，抽采孔封孔不嚴，空氣通過裂隙流入抽采孔。大量空氣混入，降低了瓦斯?jié)舛?，減少了瓦斯流量，影響驅(qū)替效果；另一方面，煤開采造成開采層地應力釋放，地層松弛導致的地層裂縫為瓦斯流動提供了通道，使瓦斯能夠移動到采煤工作面。在原始狀態(tài)下，煤中瓦斯的壓力比煤礦工作面的壓力要高，一般煤礦工作面的壓力接近大氣壓。因此,當巷道壓力下降時，瓦斯會流動到煤礦工作面周圍。受開采擾動的影響，受擾動區(qū)域的瓦斯源將釋放出一部分瓦斯，向采煤工作面流動?？梢姡扇〈胧┓舛孪锏辣诿媸翘岣唑?qū)替效果的關鍵。考慮掘進和回采有一3定的時差，兼顧巷道臨時穩(wěn)定支護需要，解決途徑則是對開采暴露面封閉，如采用襯砌，或噴錨支護[以砂石料為骨料的噴射混凝土+錨桿(索)]，或?qū)ο锏浪蓜尤γ簩觾?nèi)部注漿，形成一定厚度的防滲加固墻。但是，上述措施對于回采巷道而言，封堵巷道壁面支護必然對開采造成干擾，貧化煤層質(zhì)量。而且，地下煤礦往往運輸困難，對于常規(guī)支護工藝，封堵成本較高，而且干擾掘進或開采的進度。掘進過程中，井下鉆孔煤粉大量堆積，如果能充分利用則一舉多得。因此，開發(fā)一種新型的柔性封堵材料，采用模筑現(xiàn)澆、噴射或注漿等方式加固和封堵煤礦巷道壁面十分必要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供一種柔性煤粉泡沫混凝土及其制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的直接利用煤礦井下鉆孔所產(chǎn)生的煤粉作為骨料，由水泥作為膠凝材料，由發(fā)泡劑和防水劑作為主要添加劑。一、本混凝土的主要組分按重量百分比水泥1015;煤粉3565;中粗砂2045;水34.5;防水劑0.10.3;發(fā)泡劑11.5。驗證*所有組分下限之和小于100%，所有組分上限之和大于100%;*每一組分的下限加其它組分的上限之和大于100%;*每一組分的上限加其它組分的下限之和小于100%。二、本混凝土的制備方法本混凝土的制備方法包括下列步驟①將煤粉和中粗砂從現(xiàn)場取樣，測定含水率，應相應減少水的含量；②將水泥、煤粉和中粗砂倒入攪拌機混合攪拌46分鐘；③將水、防水劑和發(fā)泡劑混合后得混合溶劑，并置于攪拌機側(cè)的加水箱；在②的水泥、煤粉和中粗砂的混合物中邊加入纖維邊攪拌，至充分均勻；⑤加入③的水、防水劑和發(fā)泡劑的混合溶劑，再攪拌，至充分均勻即得一種柔性煤粉泡沫混凝土。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果①就地取材，充分利用井下鉆孔堆積在巷道中的煤粉，降低支護材料的運輸和施工成本，提高煤礦開采掘進的效率和進度，對煤炭產(chǎn)品貧化影響小。②本混凝土可通過噴射、現(xiàn)澆或注漿等方式完成，拓展性強，具有很低的彈性模量和良好的塑性變形性，與坑道壁面粘接牢固，保證足夠的力學強度和與結(jié)構(gòu)良好的協(xié)同變形能力；③結(jié)構(gòu)體抗?jié)B性佳，具良好的密閉性和完整性，起到封閉坑道壁面、防止瓦斯或空氣等滲透的作用。④本混凝土可廣泛應用于煤礦中氣體驅(qū)替煤層氣巷道壁面封堵和防滲，及具有松軟、膨脹、流變等特點的復雜巖層或其它動壓巷道的圍巖支護。圖1是采用噴射混凝土方式的媒層巷道橫截面示意圖2是采用襯砌混凝土方式的媒層巷道橫截面示意圖3是采用混凝土帷幕注漿方式的媒層巷道橫截面示意圖。其中l(wèi)一煤層；2—巷道；3—開挖面；4一噴射混凝土；5—襯砌混凝土；6—混凝土帷幕注漿。具體實施方式一、本混凝土的原材料1、煤粉煤粉可就地取材，即直接利用煤礦井下鉆孔堆積在巷道中的煤粉。其由尺寸不同、形狀不規(guī)則的顆粉所組成，一般直徑范圍為101000Mffl，大多2050Mm，堆積密度約450500kg/m3。2、水泥水泥采用普通硅酸鹽水泥(32.5、42.5、52.5號)，有上市產(chǎn)品。3、發(fā)泡劑發(fā)泡劑是本混凝土的主要外加劑，由無污染的動物蛋白質(zhì)油和植物油加工、變形、合成所制作，中性，與水有很好的親和性，能在水泥煤粉混合漿體中產(chǎn)生相互獨立并均勻分布的氣泡，形成大量封閉的高穩(wěn)定性的泡沫囊，表現(xiàn)出極強的立體張力和特異的韌伸性。要求①穩(wěn)定，即液膜在漿體內(nèi)不破裂，不形成連通孔；②均勻，即泡徑基本相近，在O.1lmra之間；③低泌水率；④對膠凝材料無負作用，即不降低泡沫混凝土的強度。發(fā)泡劑有上市產(chǎn)品。4、中粗砂中粗砂為本混凝土固化強度和粘聚力的輔助骨料，比表面積較小?；炷翉姸认嗤瑫r，粗砂需要的水泥用量少；過粗的砂拌制，容易產(chǎn)生離析和泌水；為此，砂的細度模數(shù)要適中，配制柔性煤粉泡沫混凝土的砂宜用中粗砂，級配應符合要求，細度模數(shù)2.8，密度為2.52.7g/cm。中粗砂有上市產(chǎn)品。5、防水劑防水劑采用有機硅防水劑。滲入泡沫混凝土孔隙，避免柔性煤粉泡沫混凝土吸水而容重增加，失去輕質(zhì)特性并硬化；同時大為增加柔性煤粉泡沫混凝土的防滲性。防水劑有上市產(chǎn)品。7、水水為飲用水。煤礦井下制備本混凝土時，允許選用潔凈的天然水。二、現(xiàn)場施工1、現(xiàn)場施工中需要調(diào)節(jié)混凝土固結(jié)強度、凝膠時間和早期強度，可以加入水泥重量的2%3%的速凝劑。根據(jù)現(xiàn)場混凝土用量(體積)，混凝土配制過程中，摻入體積含量0.2%—2.0%的纖維。纖維可選用短切碳纖維或有機化學纖維。纖維加入到基體后可以改善其抗拉、抗彎性能和韌性，而且在基體發(fā)生開裂后還有較大的殘余強度，使混凝土凝固后具有很低的彈性模量和良好的塑性變形性，與坑道壁面粘接牢固，保證足夠的力學強度和與結(jié)構(gòu)良好的協(xié)同變形能力。短切碳纖維在25毫米范圍；有機化學纖維有維尼綸、尼龍或聚丙烯纖維選用，長度在720毫米范圍。纖維彈性模量小于基體彈性模量，而斷裂時的伸長則比基體的破壞應變大13個數(shù)量級。纖維有上市產(chǎn)品。2、根據(jù)不同單軸抗壓強度和試樣滲透率(混凝土抵抗水在混凝土毛細孔向內(nèi)部滲透作用的能力)要求，按每立方混凝土，現(xiàn)場應用配合比施工設計<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如圖l，噴射混凝土方式是采用混凝土噴射機械(如全風動轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機)，噴射于煤層巷道壁面，形成柔性防滲噴層。(2)襯砌混凝土方式如圖2，襯砌混凝土方式是采用模筑現(xiàn)澆方式形成襯砌。(3)混凝土帷幕注漿方式如圖3，混凝土帷幕注漿方式是采用沿煤礦巷道徑向鉆3-6m長孔(間距0.8-1.6m)，以注漿泵壓入混凝土漿液，在煤層內(nèi)部形成一圈防滲帷幕，同時加固松散、松軟巖體。如將上述的封堵煤層巷道壁面的方式與可拉伸錨桿共同作用形成高塑性、高強度的支護層，能夠解決軟巖巷道洞室開挖錨噴支護中普通噴射混凝土噴層和錨桿柔性不匹配、不能滿足軟巖初期變形量大而自體開裂崩塌問題；又能起到封閉坑道壁面，阻止空氣進入煤層或瓦斯從煤層溢出的作用。封堵煤層巷道壁面的裂隙，使之在煤層表面和表層裂隙形成一層不透氣的防護層，防止巷道中的空氣在預抽瓦斯的負壓作用下進入煤層，緩解預抽瓦斯時流量大但瓦斯?jié)舛鹊偷膯栴}，提高預抽效果。另外，還避免封堵材料造成煤炭產(chǎn)品的過度貧化。4、效果驗證(1)在平頂山煤礦八礦戊二12140(戊9-IO煤層)采面皮帶巷進行的混合氣體驅(qū)替煤層氣防治瓦斯突出可行性研究中，現(xiàn)場試驗巷道圍巖煤層十分破碎，空氣通過巷道壁面裂隙流入抽采孔。大量空氣混入，降低了瓦斯?jié)舛?，減少了瓦斯流量，影響驅(qū)替效果。后采用配合比為水泥(kg):煤粉(kg):中粗砂(kg):發(fā)泡劑(kg):水(kg):防水劑(kg)=180:800:180:20:40:15，并添加了0.0021113短切碳纖維的柔性煤粉泡沫混凝土(抗壓強度為llMPa，實測比重1290kg/m3)。采用噴射混凝土施工方式封堵抽采現(xiàn)場巷道壁面，將現(xiàn)場試驗的煤層氣采收率由20%提高到30%以上。該項目直接利用巷道中的煤粉作混凝土骨料，節(jié)約支護成本75%以上。(2)潞安環(huán)能公司常村煤礦煤田區(qū)具有局部瓦斯壓力大，含量高，生產(chǎn)強度大，瓦斯涌出集中的特點，給煤炭安全開采帶來巨大威脅。為減少開采過程中的瓦斯突出風險，S3-9采區(qū)尾巷13#19#鉆孔采用順層孔空氣驅(qū)替煤層氣(G-ECBM)。開挖后煤層來壓導致部分巷道圍巖裂隙產(chǎn)生，同時產(chǎn)生大量碎煤。對試驗孔所在區(qū)段的巷道壁面采用灌注柔性煤粉泡沫混凝土襯砌施工方式封堵壁面，配合比為水泥(kg):煤粉(kg):中粗砂(kg):發(fā)泡劑(kg):水(kg):防水劑(kg)=250:750:250:30:40:15，并添加了0.00251113短切碳纖維。(抗壓強度為12MPa，實測比重1366kg/m3)。試驗孔平均甲垸流量比試驗前平均高出50%，平均甲烷濃度大于20%。該項目直接利用巷道中的鉆孔堆積的煤粉作混凝土骨料，節(jié)約支護成本60%以上。權(quán)利要求1、一種柔性煤粉泡沫混凝土，其特征在于主要組分包括按重量百分比水泥10～15；煤粉35～65；中粗砂20～45；水3～4.5；防水劑0.1～0.3；發(fā)泡劑1～1.5。2、按權(quán)利要求1所述的一種柔性煤粉泡沫混凝土，其特征在于摻入水泥重量的2%3%的速凝劑。3、按權(quán)利要求1所述的一種柔性煤粉泡沫混凝土，其特征在于摻入混凝土體積含量0.22.0%的短切碳纖維或有機化學纖維。4、按權(quán)利要求1所述的一種柔性煤粉泡沫混凝土的制備方法，其特征在于包括下列步驟①將煤粉和中粗砂從現(xiàn)場取樣，測定含水率，應相應減少水的含量；②將水泥、煤粉和中粗砂倒入攪拌機混合攪拌46分鐘；(D將水、防水劑和發(fā)泡劑混合后得混合溶劑，并置于攪拌機側(cè)的加水箱；在②的水泥、煤粉和中粗砂的混合物中邊加入纖維邊攪拌，至充分均勻；⑤加入③的水、防水劑和發(fā)泡劑的混合溶劑，再攪拌，至充分均勻即得一種柔性煤粉泡沫混凝土。5、按權(quán)利要求l所述的一種柔性煤粉泡沫混凝土的應用，其特征在于封堵煤層巷道壁面的方式或為噴射混凝土方式，或為襯砌混凝土方式，或為混凝土帷幕注漿方式；(1)噴射混凝土方式是采用混凝土噴射機械噴射于煤層巷道壁面，形成柔性防滲噴層；(2)襯砌混凝土方式是采用模筑現(xiàn)澆方式形成襯砌；(3)混凝土帷幕注漿方式是采用注漿形成防滲帷幕，加固松散、松軟巖體。全文摘要本發(fā)明公開了一種柔性煤粉泡沫混凝土及其制備方法，涉及一種混凝土。本混凝土的主要組分包括(按重量百分比)水泥，10～15；煤粉，35～65；中粗砂，20～45；水，3～4.5；防水劑，0.1～0.3；發(fā)泡劑，1～1.5。利用本混凝土封堵煤層巷道壁面的方式或為噴射混凝土方式，或為襯砌混凝土方式，或為混凝土帷幕注漿方式。本發(fā)明就地取材，充分利用井下鉆孔堆積在巷道中的煤粉，降低支護材料的運輸和施工成本，提高煤礦開采掘進的效率和進度，對煤炭產(chǎn)品貧化影響??；結(jié)構(gòu)體抗?jié)B性佳，具良好的密閉性和完整性；可廣泛應用于煤礦中氣體驅(qū)替煤層氣巷道壁面封堵和防滲，及具有松軟、膨脹、流變等特點的復雜巖層或其它動壓巷道的圍巖支護。文檔編號C04B28/00GK101439950SQ200810236939公開日2009年5月27日申請日期2008年12月19日優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日發(fā)明者崔銀祥,李小春,汪海濱申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所