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我國絕大部分煤礦屬于井工煤礦。井工煤礦開采作業(yè)較露天煤礦而言開采難度大、風(fēng)險高。由于開采環(huán)境相對狹小、地質(zhì)狀況相對復(fù)雜、通風(fēng)條件較差且易接觸地下水層等現(xiàn)實(shí)條件影響,井工煤礦作業(yè)往往伴隨著水害、火災(zāi)、瓦斯燃爆、煤塵和冒頂?shù)葹?zāi)害的威脅。面對各類井下災(zāi)害,井工煤礦工作者采取了積極的防治措施。
早期,煤礦職工采用木材、煤礦渣、黃沙、水泥、混凝土等傳統(tǒng)材料進(jìn)行各類填充、加固等工作,此類材料易獲取,價格低廉,但性能較差;隨后,隨著化學(xué)工程與材料科學(xué)的發(fā)展,部分新型材料與傳統(tǒng)材料開始共同用于井下災(zāi)害治理領(lǐng)域。但由于技術(shù)不成熟,部分材料理化性能較差,安全性較差,對煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全造成了損失。
當(dāng)前,為規(guī)范上述亂象,主管部門推行了“礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志”強(qiáng)制認(rèn)證和《煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料通用安全技術(shù)規(guī)范》《煤礦井下注漿用高分子材料安全使用管理規(guī)范》《煤礦堵水用高分子材料》《煤礦加固煤巖體用高分子材料》《煤礦充填密閉用高分子發(fā)泡材料》等一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提高了礦用安全材料的技術(shù)門檻,為煤礦安全生產(chǎn)工作和煤礦職工人身安全提供了可靠保證,也為礦用安全材料行業(yè)后續(xù)發(fā)展提供了理論和路線依據(jù),促進(jìn)了礦用安全材料行業(yè)的有序發(fā)展。
(1)礦用安全材料與傳統(tǒng)建筑材料的區(qū)別
礦用安全材料本質(zhì)為具有防漏封堵、結(jié)構(gòu)加固、防火阻燃等多種功能的結(jié)構(gòu)材料,但其與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比,在各方面均具有更嚴(yán)苛的要求,具體如下:
1)理化性能要求
煤礦開采地下作業(yè)中,常面臨地下水滲入、酸堿性腐蝕、煤層易燃、巖層斷裂等情形。復(fù)雜的作業(yè)面環(huán)境和多發(fā)的各類井下災(zāi)害對礦用安全材料提出了嚴(yán)苛的理化性能要求:一方面,礦用安全材料需根據(jù)種類不同滿足加固、堵水、防火、填充等多種基礎(chǔ)用途對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、韌性、阻燃性、致密性等理化指標(biāo)帶來的嚴(yán)苛指標(biāo)要求;
另一方面,礦用安全材料應(yīng)具有可靠的耐用性,對各類環(huán)境影響具有較強(qiáng)的耐受性,能長期有效工作。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料其主要應(yīng)用場景單一,無法與礦用高分子安全材料理化性能一概而論。
2)安全性要求
礦用安全材料主要應(yīng)用場景為礦井下,通風(fēng)環(huán)境相對露天環(huán)境較差,且常與可燃物相接觸,并暴露在后續(xù)作業(yè)環(huán)境中,其安全性直接關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)工作和職工安全:一方面,礦用安全材料在施工過程中不可迅速產(chǎn)生大量熱量,不可迅速產(chǎn)生大量氣體,另一方面,礦用安全材料不應(yīng)本身具有較大毒性或可分解出有毒物質(zhì)威脅。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料對放熱、氣體生成以及劇毒物析出等方面的要求低于礦用安全材料。
3)可施工性要求
井下作業(yè)面對的災(zāi)害情形復(fù)雜,存在巖層斷裂帶加固、頂板加固、采空區(qū)填充、防火防水涂裝、封孔等各類情形,施工面不具有明顯的形狀,這對礦用安全材料的可施工性提出了較高要求:一方面礦用安全材料需以流體形式深入各斷層、裂縫形成整體結(jié)構(gòu)效果,另一方面礦用安全材料其應(yīng)用場景對時效性具有較高要求,需要其迅速反應(yīng)生成固結(jié)物。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料可接受的可施工性要求相對礦用安全材料而言較低。
(2)礦用安全材料主要類型
自煤礦工業(yè)誕生起,礦用安全材料便開始應(yīng)用,而隨著科技水平的不斷提高,新技術(shù)不斷得到應(yīng)用,礦用安全材料也得以與時俱進(jìn)。
上世紀(jì),我國普遍使用粉煤灰、黃土、砂子和水泥等廉價易得的傳統(tǒng)材料用于煤礦災(zāi)害治理。傳統(tǒng)材料價格低廉且施工簡單,有一定程度的加固、填充、堵水及防滅火性能,曾一度是礦用安全材料的主流產(chǎn)品。
傳統(tǒng)材料雖價格低廉,但其力學(xué)性能差、致密性低、穩(wěn)定性不高,治理效果較差,無法滿足越來越復(fù)雜的井下環(huán)境與越來越高的煤礦安全生產(chǎn)需求;隨著材料工程的發(fā)展,各類高分子材料以其優(yōu)異的性能受到了礦用安全材料行業(yè)重視。
上世紀(jì)七十年代起,國外相繼研發(fā)出聚亞胺膠脂、酚醛樹脂等高分子材料用于煤礦安全和災(zāi)害治理領(lǐng)域,此類材料一般為灌漿材料,以流體形式封裝保存,使用時可向地層巖土孔洞、裂隙及采空區(qū)等進(jìn)行灌注漿液,漿液通過自身組分間化學(xué)反應(yīng)或與空氣反應(yīng)由流體轉(zhuǎn)化成固結(jié)體,可用于填充、包裹、結(jié)構(gòu)支撐等不同用途,起到防滅火、堵水、加固和填充密封等作用。