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文字:[大][中][小] 发布时间:2013-10-21  浏览次数:1265
摘要:本矿井下各煤仓斜底均采用传统支护—铺设钢轨浇筑普通混凝土,由于支护体抗冲击、耐磨性较差,受下落煤体的不断冲击、摩擦,斜底支护很快损坏,对安全生产极为不利。铁钢砂作为一种新型材料,具有抗冲击性和耐磨性强的特点,被广泛用于各种构筑物的耐磨层,通过对铁钢砂混凝土强度、耐磨性能的研究试验,来分析铺设钢轨浇筑铁钢砂混凝土作为煤仓斜底抗冲耐磨支护材料的可行性达到了预期效果。

前言
我矿已经有129年的开采历史,煤仓作为井下原煤运输的主要环节,现在使用的煤仓数量多达40余个。但由于煤仓斜底均采用传统的支护方式,斜底支护体极易遭受损坏,每年检修煤仓个数不少于3个,煤仓检修工作既危险又影响正常生产。煤仓斜底是最易损坏的部位,如何提高煤仓斜底的支护强度,提高其使用寿命,是一个亟待解决的技术难题。
 
1.问题的提出
矿业分公司岳胥区-680水平5s、8s.9s煤炭储量达2000万t,是该公司主要的生产区域,7173煤仓作为岳胥区-680水平5s、8s.9s采煤工作面的唯一储煤、放煤煤仓,每天的出煤量均在6000t以上,服务年限不少于10a。该煤仓斜底若采用传统支护,需频繁地对煤仓进行检修。根据以往的经验,普通支护形式的斜底一般在12~18个月之间就需要对煤仓进行一次检修,煤仓频繁检修成了制约生产的瓶颈,因此,必须寻求新型材料设法提高煤仓斜底的支护强度,达到提高煤仓使用寿命的目的。铁钢砂作为一种抗冲耐磨的新型材料,被广泛应用于各种构筑物的抗冲耐磨层,效果极为理想。借鉴其成功经验,在7173煤仓中首次使用了芜湖市鲁港铁钢砂厂生产的铁钢砂。

2.铁钢砂混凝土的试验研究
2.1 硅酸盐水泥的特性分析
铁钢砂混凝土所用水泥为硅酸盐水泥,硅酸盐水泥的主要化学成分为CaO、SiO2和少量的Al2O3、Fe2O3,主要矿物组成为:
a.硅酸三钙(3CaO·SiO2,简写为C3S),含有少量MgO、Al2O3、Fe2O3等的硅酸三钙固溶体称为阿利特(A矿),是硅酸盐水泥中的主要矿物,亦是水泥石获得高强度特别是早期强度的最主要矿物。
b.硅酸二钙(2CaO·SiO2简写为C2S),含有Al、Fe、K、Na、Ti、V和Cr等离子的硅酸二钙固溶体称为贝利特(B矿),是仅次于阿利特的重要矿物成分,能使水泥石后期强度缓慢增长,并有抗硫酸盐侵蚀和水化热低的特点。
c.铝酸三钙(3CaO·Al2O3,简写为C3A),为硅酸盐水泥熟料中暗色中间体的主要组成,当熟料铝氧率(P=Al2O3/Fe2O3,又称铁率,一般为0.8~1.7)大于1.6且慢冷却时,C3A呈显著的四方片状结晶,结构中有较多的孔隙,使水容易进入而水化较快,引起水泥急凝。生产中加入石膏主要为达到调凝、调强的目的。
d.铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3,简写为C4AF),C4AF能与MgO形成固溶体改善水泥颜色,亦能和铁酸盐、铝酸盐形成一系列固溶体,是硅酸盐水泥熟料矿物才利特(C矿)中的主要成分,含C4AF高的水泥抗硫酸盐性能好,水化热低。
硅酸盐水泥熟料中还含有少量的MgO、K2O、Na2O和SO2等有害成分。
2.2
硅酸盐水泥的的凝结硬化机理
A.A.巴依柯夫认为水泥凝结硬化经历了三个阶段:溶解→胶化→结晶。具体情况如下:
a.溶解:水泥颗粒表面的矿物与水进行水化反应生成水化物,水化物不断水解和溶解,直至溶液呈饱和状态为止,由于水化产生的放热效应被溶解时的吸热效应所抵消,故这一阶段温度升高不多。
b.胶化:随着水泥颗粒的分散,表面发生局部反应而生成凝胶,有显著的放热效应,这一阶段相当于水泥凝结过程。
c.结晶:胶体逐渐转变为晶体形成晶核,长大而生成交织晶,产生了强度并有少量的热放出,这一阶段相当于水泥硬化开始。扫描电子显微镜观察表明:在水泥硬化过程中同时存在凝聚和结晶两种结构。水泥水化时生成两种水化物,即未水化水泥颗粒所占体积中的水化物(局部反应)以及颗粒之间的外部水化物(液相水化反应)。
水化反应中会析出大量氢氧化钙和一定数量的氢氧化钾、氢氧化钠,属强碱性反应,硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应[1]:
2(3CaO·SiO2)+ 6H2O
3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2
2(2CaO·SiO2)+ 4H2O
3.3CaO·2SiO2·3.3H2O + 0.7Ca(OH)2
石膏充分时,C3A的水化反应:
3CaO·Al2O3
+ 3CaSO4·2H2O +26H2O
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
石膏掺量不足或石膏用完后,C3A的水化反应:

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + 2(3CaO·Al2O3)+4H2O
3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2 +10H2O

3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O
其中,低硫型硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)常与C4AH13形成一系列连续的固溶体,高铝型硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)的结构与天然钙矾石相似,体积增长1.5倍,在水泥净浆为触变可逆结构时,对水泥强度的发展有利。
2.3 铁钢砂混凝土的试验研究
2.3.1
普通混凝土由砂、石、水泥和水组成,其中水泥称为胶凝材料,砂、石称为集料,约占混凝土总体积的70%~80%,集料主要起骨架作用并能减小胶结材料的干缩,水泥与水拌和成浆体包裹集料并充填其间的空隙,使新拌混凝土具有一定的流动性和可塑性,硬化后能成为一个坚实的整体。水泥是混凝土产生强度的主要组分,为保证混凝土的强度要求和充分发挥混凝土强度的潜力,集料必须质地致密并具有足够的强度,尤其是粗集料更为重要。普通集料为天然砂、石,它们含泥和有机杂质较多(如云母、粘土、淤泥、尘屑等),矿物成分比较复杂,容易在水泥的水化反应中发生有害反应,对混凝土的强度和耐久性有较大的影响。水泥中的碱性物质(如K2O、Na2O)与粗集料中的活性二氧化硅反应生成硅酸盐或碳酸盐凝胶而产生膨胀破坏作用(碱
— 集料反应)。普通天然砂、石表面比较光滑,铁钢砂表面极为粗糙,与水泥浆体的粘结力大大增强,对混凝土整体强度的提高起到了不可忽视的作用。
2.3.2
混凝土的主要技术指标—和易性,是指新拌混凝土在运输、浇灌等过程中能保持均匀、密实、不离析和不泌水的工艺性能,它包括流动性、粘聚性及保水性三个方面的含义。到目前为止,还没有能够全面反映新拌混凝土多种性质(如粘性、塑性、稳定性等)的测定方法,通常采用塌落度、干硬度和工作度等测定。
2.3.3
铁钢砂是由天然铁矿石经机械破碎加工而成,矿物组成主要是赤铁矿晶体和石英晶体,铁钢砂的化学成分见表1,分别对铁钢砂和铁钢砂混凝土的性能进行了试验测定,经过试验得出了铁钢砂的物理特性见表2,通过表2可以看出,铁钢砂的硬度要远远高于普通天然砂石的硬度,经过反复试验得出了高强度铁钢砂混凝土最佳颗粒级配、水灰、砂灰配合比见表3。对10组15cm立方体试块(标准养护、28天龄期)测得的铁钢砂混凝土强度试验数据见表4。可以看出,铁钢砂混凝土的各项指标均优于普通混凝土。
表1
铁钢砂的化学成分
%

 

成分

 

 

Fe2O3

 

 

SiO2

 

 

Al2O3

 

 

TiO2

 

 

CaO

 

 

MgO

 

 

含量

 

 

61~69.53

 

 

10~22

 

 

2~6

 

 

0.9~1.4

 

 

0.2~0.4

 

 

0.4~0.7

 


表2
铁钢砂特性

 

显微硬度(kg/mm3)

 

 

真比重

 

 

(t/m3)

 

 

容重

 

 

(t/m3)

 

 

空隙率

 

 

(%)

 

 

最高使用温度

 

 

(℃)

 

 

颜色

 

1250~1300

 

4.12

 

 

2.15~2.33

 

47.6~43.2

 

1300

 

 

灰红色

 


表3
高强度铁钢砂混凝土颗粒级配、水灰、砂灰配合比

 

铁钢砂颗粒级配比

 

 

重量配合比

 

 

流动度

 

 

(mm)

 

 

容重

 

(t/m3)
水泥 铁钢砂

 

粒径

 

 

(mm)

 

 

级配

 

 

(%)

 

 

40~10

 

 

10~5

 

 

5~3

 

 

3~2

 

 

2~1

 

 

1~0.5

 

 

0.35

 

 

1.00

 

 

3.00

 

 

105

 

 

3.29

 

 

60

 

 

 

 

40
                       

表4
高强度铁钢砂混凝土强度试验(28天、15×15×15cm3)

 

材料名称

 

 

抗压强度(kgf/cm2)

 

 

 

 

 

抗劈拉(kgf/cm2)

 

 

 

 

 

抗冲磨试验

 

 

抗冲击试验

 

 

磨光度

 

 

耐磨强度(h/cm)

 

磨损率(g/cm2h)

 

抗冲击   脆度(kgcm/cm3)   

 

 

摩擦系数

 

 

 

 

 

铁钢砂

 

 

混凝土

 

 

840

 

 

49.5

 

 

1.724

 

 

1.952

 

0.69    1271

 

 

0.30

 

作为集料(或骨料)的铁钢砂主要成分为Fe2O3和SiO2,通过多年来对混凝土碱—骨料反应研究可以判定,呈石英结晶的二氧化硅(SiO2)不具有活性,不会与水泥中的碱发生反应,从赤铁矿的化学性质看,它是铁元素的稳定氧化物,在自然环境和碱性介质中也是稳定的,由此可以看出,铁钢砂在混凝土中主要是替代了普通的砂石集料,可以初步判定,在水泥的水化反应中铁钢砂(非活性)是不会发生有害反应的。此外,高强度铁钢砂混凝土必须使用425#及以上标号普通硅酸盐水泥,保证高强度的铁钢砂骨料之间高强度的胶结。
3.施工方法
3.1
煤仓概况
7173煤仓为岳胥区唯一的石门煤仓,它连接7173皮带巷与7041运输巷,皮带巷的原煤通过煤仓放入3t矿车后外运,该煤仓设计深度22.78m,直径4.0m,其中煤仓主斜底高度6.855m(斜长8.368m),斜底坡度55°,该斜底是主要的受冲击部位。煤仓直段采用锚网、绑双层钢筋喷浆的支护形式,支护厚度500mm;斜底段采用铺设24kg/m钢轨浇筑铁钢砂混凝土的支护形式。
3.2
铺设钢轨的施工方法
斜底按照设计掘至放煤咀位置,全部施工出荒断面后,开始在主斜底铺设24kg/m钢轨,间距250mm,钢轨长度为5.5~8.6m,呈扇形铺设在斜底上,并将钢轨深入岩石中200mm,斜底共铺设钢轨19根,钢轨下面每隔1.0m设置一道槽钢或钢轨作为枕梁,每根钢轨与枕梁之间进行焊接,以便增加钢轨的整体性和牢固性。
3.3
浇筑铁钢砂混凝土的施工方法和注意事项
煤仓斜底浇筑铁钢砂混凝土采用自下而上分段施工的方法,浇筑厚度500mm,严格按照试验数据进行材料配比,为保证铁钢砂混凝土的和易性,采用混凝土搅拌机拌料,在浇筑混凝土过程中,随浇筑随用振捣棒捣实,以便充填实钢轨与钢轨之间及钢轨下面的缝隙,防止铁钢砂混凝土出现蜂窝麻面。为确保铁钢砂混凝土不同龄期的强度,浇筑混凝土完毕12h后,必须进行全面地洒水养护,每天至少洒水养护1次,养护时间不得少于7天。
4.使用效果
7173煤仓已经投入使用8个月,每天出煤量均在6000~7000t之间,为检验铁钢砂的实际效果,利用公司停产期间对煤仓进行了认真地检验,没有发现破损之处。实践证明,铁钢砂在煤仓中的应用是完全成功的。
5.技术经济效果分析
5.1
煤仓斜底的使用寿命大大提高
结合其他单位的使用情况以及通过7173煤仓的检验情况看,预计铁钢砂混凝土煤仓斜底的使用寿命不低于5a,而普通混凝土的使用寿命不过18个月,使用寿命大大提高,降低了煤仓检修次数,消除了制约生产的瓶颈,为正常生产提供了保证。
5.2
安全效益显著
该公司煤仓的深度一般在20m左右,个别煤仓深度甚至达到30m以上,因此,检修工作存在着很大危险性,属于高危作业,频繁地检修工作给公司的安全生产带来了隐患,使用新材料的煤仓斜底降低了检修次数,相应地降低了安全事故发生的几率,提高了安全可控程度,安全效益极为显著。

6.结束语
通过试验研究并经过实践检验,铁钢砂作为一种新型的建筑材料,已经凭借其自身特点充分显示出巨大的优越性,它必将在以后的矿建工程中发挥更大的作用,广泛用做煤仓和其它构筑物的耐磨层。