FRT生物酶新型筑路技术在井工煤矿应用

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　1 FRT及其施工工艺
　　1.1 FRT简介
　　FRT添加到粘土基土壤中，能够增加土壤密实性，减少土壤基质中的水分。FRT主要由离子溶液、表面活性剂及多种酶的混合物组成，在道路施工中共同作用于土壤中的粘土成分，同未经FRT处理过的土壤相比，土壤密度加大。使粘土颗粒排列更整齐，粘结性更强，进而显著改善道路磨耗性和承受力等指标。
　　1.2 工作原理[1]
　　粘土颗粒带负电，因此极性水分子中带
　　图1 FRT材料对粘土分子的作用
　　正电的部分会被带负电的粘土颗粒吸引，在粘土矿物和极性水之间形成弱离子键（即扩散双层），这一机制使有自由水存在的粘土基土壤发生膨胀强度降低[2]。扩散双层的厚度取决于粘土矿物和孔隙水之间的化学作用过程，因此改变两者间的化学反应过程能够降低扩散双层的厚度[3]。
　　FRT中的表面活性剂在土壤稳定过程中能发挥双重作用。它能暂时降低表面张力和水的粘度，有利于压实过程。这种润滑效果有利于土壤的分布，使其孔隙减小。如图1所示，同时表面张力的减小也降低了土壤达到最佳压实效果时对水含量的要求。
　　高压实度和分布式土壤结构的联合作用降低了土壤的渗透性，极大提高了土壤强度。最终加强压实土的硬化和固化，从而使处理后的道路表面强度更持久。这一过程大多发生在前5～7天，持续一月左右。
　　孔隙比的降低也有助于提高粘土的胶粘力和粘土分子间的范德华力[3]。这些联合作用的可防止粘土颗粒再吸水而导致土壤强度的降低，使压实土更加稳定[4]，如图2所示，因此路面承载力加强。
　　使用前 使用后
　　图2 使用FRT前后土壤结构对比
　　2 FRT在露天煤矿应用案例[4]
　　2014年神华北电胜利露天煤矿成功将FRT筑路技术应用到矿山道路上。该段道路长度为10km，利用“就地取土筑路”的方法，即通过筑路设备就地将矸石道路底板翻松，翻松深度为400mm，同时将矸石粒度破碎至30mm以下，再将FRT筑路材料和水按比例混合后的溶液喷洒至路面，按照喷洒、翻松、再喷洒的顺序反复施工3遍，最后使用筑路机械进行道路平整压实，让路面达到最佳的压实程度。经过1年的使用，该道路运行效果良好，路面平整度、强度等指标均满足220吨级卡车满载通过，道路抑尘效果良好。
　　2.1 成本
　　胜利煤矿采用“就地取土筑路”法，路面宽度10m，矸石铺设厚度400mm，每公里道路成本为71.48万元。
　　表1 每立方成本
　　2.2 FRT道路路面强度
　　达到C25混凝土同等强度。
　　2.3 FRT道路使用寿命
　　一般为7年左右。
　　该道路就地取材，降低成本，路面强度满足车辆通行，保证了行车安全，对控本降耗、节能环保等工作有着重大意义。
　　3 井下应用FRT分析
　　3.1 地坪材料（矸石）
　　神华宁煤集团宁东矿区主要为砾岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩为主，各项指标符合FRT 筑路技术指标要求。矿井可将掘进矸石破碎后，与FRT溶液搅拌形成混合料，用于井下铺设地坪。此方法可大大提高矸石利用率，减少矸石外排量，降低对环境的影响。
　　3.2 适用的巷道类型
　　（1）主要开拓巷道
　　主要开拓巷道为全矿井服务，服务年限均在10年以上，FRT道路的使用平均寿命仅7年，因此无法使用。
　　（2）回采巷道及临时巷道
　　回采巷道，即工作面运输顺槽和回风顺槽，该巷道仅为工作面服务，最多可服务2个工作面，平均服务时间仅有几个月，符合FRT道路的服务年限。回采巷道内行驶的胶轮车：一是专用车辆，此类车辆吨位大，运行时间短，使用频率低，仅在工作面安装、回撤期间运送液压支架、采煤机等大型设备；二是日常运送人员、材料车辆，车辆吨位小，使用频繁。FRT强度可达到C25混凝土强度，可满足车辆行驶。
3.3 使用成本
　　參考神华宁夏煤业集团无轨脚轮车运行矿井的巷道平均宽度，按巷道宽度为4.5m，铺设混凝土厚度为300mm计算，每公里成本为42.61万元，每立方米成本为316.63元，见表2。若与混凝土地坪相比较，同等混凝土铺设地坪，混凝土强度等级C25，地坪厚度200mm，则成本为75万元，同比节约32.39万元。
　　3.4 存在不足
　　（1）受井下环境制约，“就地取土筑路”法无法采用，只能采用“场拌筑路”，即在地面将矸石破碎后，与FRT溶液利用搅拌站进行拌合，再经车辆运至施工地点。此方法将矸石从井下运至地面，再回运至井下，增加车辆运行距离和使用频率。若建设井下搅拌站可减少运输距离，但增加了井下搅拌站等建设费用。
　　（2）井下巷道顶板淋水、底板渗水普遍存在，在此情况下，FRT道路表面会形成一层5～8mm厚的薄泥层，导致路面严重湿滑，车辆无法安全行驶。若进行巷道防水治理，则会增加施工成本。
　　（3）无轨脚轮车行驶巷道坡度在7°以下，地坪防滑尤为重要，FRT地坪无法像混凝土地坪施工防滑槽，特别是车辆轮胎上夹带大量泥水后，更无法保证行驶安全。
　　4 结束语
　　（1）与混凝土地坪相比，井下采用FRT材料施工地坪，可节约近一半成本。
　　（2）FRT技术利用井下矸石作为原材料，提高矸石的利用率，减轻矸石外排、治理的压力，对节能环保发挥良好作用。
　　（3）根据井下环境的应用条件，FRT技术在顶板无淋水、底板无渗水的平巷中会有良好的应用效果。
　　参考文献：
　　[1]刘树德，任宏旺，黄月军，等.FRT生物酶新型筑路技术在胜利露天煤矿的应用[J].煤矿安全，2015，46（5）：238-240.
　　[2]Das，B.Fundamentals of Geotechnical Engineering[M].2008 by Stamford， CT： Cengage Learning Incorporated.
　　[3]Mitchell， J.& Soga， K.Fundamentals of Soil Behavior[M].2005 by New Jersey， NY： John Wiley & sons， Incorporated.
　　[4]Bowles， J.Engineering properties of soils and their measuremen[M].1992 by New York， NY： Tata McGraw-Hill Education Private Limited.