混凝土砌磚與落葉松木段雙層聯合密閉封閉采空區預防采空區自然發火研究

摘 要：主要介紹通過對密閉材料力學分析，創新混凝土砌磚密閉與木段密閉雙道密閉施工工藝以及取得的封閉效果。

關鍵詞：密閉 工藝 封閉效果

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0070-02

采空區是煤礦采面采后自然發火的主要地點，對采空區及時有效的封閉是防止采空區自然發火的重要手段。河北唐山開灤集團公司荊各莊礦業分公司屬于自然發火嚴重的礦井，最短發火期60天，采空區及時嚴密封閉，達到漏風量很小或者不漏風的效果，顯得尤為重要。封閉采空區密閉的形式和材料直接影響著采空區的密閉效果。以前，荊各莊礦業分公司封閉采空區多使用單一的封閉形式和單一的磚砌封閉材料。由于單一封閉形式和封閉材料很難達到理想的密閉效果，所以采空區經常因密閉漏風造成采空區殘煤出現自然發火隱患。經過多年實踐，我們遵循混凝土砌磚密閉與木段密閉的特點，自2010年開始，荊各莊礦業分公司采用混凝土砌磚與落葉松木段雙道聯合密閉施工封閉采空區，經檢驗，在礦井防火工作取得了理想的良好效果。

1 采空區密閉主要指標

密閉墻主要是通過切斷煤炭自燃的供氧條件來達到防止煤炭自燃的目的的，封閉采空區密閉墻主要有以下特點。

（1）密閉的氣密性：密閉的氣密性高低直接影響封閉火區的漏風量，密閉的氣密性越高，其風阻值越大，漏風越小。

（2）密閉的抗壓強度：封閉密閉受礦山壓力的影響，由于采后采空區周圍巷道支撐壓力顯現明顯，巷道變形嚴重，所以密閉的抗壓強度是一個非常重要的指標。

（3）密閉施工時間：封閉時間具有緊迫性：《煤礦安全規程》第117條規定：采空區必須及時封閉。采空區開采結束后的45天內，必須在所有已采空區相連通的巷道中設置防火墻，全部封閉采空區。采空區供風氧化時間越長自然發火的幾率越大。對于容易自燃煤層盡早的封閉采空區無疑具有非常重要的意義。

（4）使用材料便于施工運輸；由于井下環境復雜，施工密閉的材料不但要求價格低廉還要求具有運輸方便，使用安全的特點。

（5）隔熱和防止火災傳播：采空區一旦發生自燃，密閉有隔絕熱量傳播和阻止火災傳播的作用。

2 不同材料密閉的優缺點

目前煤礦封閉采空區的永久密閉主要有：混凝土砌磚密閉和混凝土料石密閉。另外木段密閉作為一種非永久封閉密閉也被廣泛使用。

（1）混凝土砌磚密閉。

混凝土砌磚密閉具有氣密性好，施工方便快捷，材料運輸方便的特點。但是混凝土砌磚密閉抗壓強度低，服務年限短。

（2）混凝土料石密閉。

混凝土料石密閉具有比較高的抗壓強度，但是施工工藝復雜，施工速度緩慢，料石井下運輸不方便。

（3）落葉松木段密閉，具有較好的抗壓性，但氣密性不好并且屬于燃性材料。

3 采空區密閉材料性質分析

荊各莊礦業公司在井下防治煤炭自然發火工作中發現：單一的密閉材料很難滿足對采空區長期有效封閉的要求。由于料石材料密閉施工時間長，運輸不方便，不能滿足及時封閉采空區的要求，所以在防火密閉工作中一般不采用；砌磚密閉雖然有施工迅速，簡便的優點，但是抗壓性很差，墻體易劈裂從而造成采空區漏風，形成殘煤自然發火隱患。落葉松木段材料密閉雖然抗壓強度好，但氣密性不好并且屬于燃性材料，《煤礦安全規程》嚴格規定不允許單獨使用，如果聯合使用其抗壓、氣密性等優點特性可以互為補充，可以達到理想的封閉采空區效果。

如圖1示：一塊普通粘土紅磚與一塊直徑200 mm長500 mm落葉松木段抗壓強度分析。

由曲線可知混凝土砌磚墻屬于脆性材料，在砂漿強度等級M7.5時，當壓力達到3.1 MPa時墻體破壞，所以混凝土砌磚墻作為密閉材料時抗壓強度低容易損壞（如圖2）。

落葉松木材的應力與應變的關系屬于既有彈性又有塑性的材料—— 黏彈性材料。落葉松木材在壓應力達到33 Mpa時開始受力變形，隨著壓應力的增加而增加，并且變形較大。當達到50 Mpa左右，在達到一定的變形后落葉松木材變形趨于穩定，所以落葉松木材作為密閉材料具有很好的抗壓強度。

4 綜合混凝土砌磚和木段材料的雙層密閉施工工藝

由對混凝土砌磚和木段材料性質特點分析得知，混凝土砌磚和木段材料具有互補性。同時使用兩種這兩種材料施工雙道密閉能收到比較滿意的封閉效果。

（1）工藝原理。

①在施工混凝土砌磚密閉之前先在其前方500 mm處施工一道木段密閉，待木段密閉被壓實后再施工混凝土砌磚密閉，木段密閉可以有效的保護混凝土砌磚密閉不被壓壞。

②在混凝土砌磚密閉后方500 mm處施工一道混泥土磚砌永久密閉。起到隔絕空氣和隔熱防止火災傳播的作用。

③如果采空區在預防性灌漿后還是出現了自然發火隱患，兩道密閉之間可以進一步充填化學材料進行加固堵漏。

（2）施工質量要求。

1）永久磚密閉施工質量要求。

①砌密閉要掛線施工，灰漿要飽滿，密閉墻體無瞎縫、干縫、重縫，灰口不大于10 mm，灰漿配比：灰∶沙=1∶3。

②墻面平整度，要求1米墻面內凸凹度不大于10 mm，無裂縫。

③密閉要求掏槽不小于200 mm；勾縫，四周抹裙邊不少于100 mm，并一致。

④嚴密不漏風（手觸無感覺、耳聽無聲音）。

⑤觀察鋼管φ50 mm，注漿鋼管安設三趟，安防要平直。施工完畢后將各管孔用專用鐵堵封孔。

⑥密閉施完畢工后做到工完物盡場地清，無積水、無淤泥、磚塊。

2）木段密閉施工質量要求。

①砌密閉要掛線施工，黃泥要飽滿，木段密閉墻體無瞎縫、干縫。密閉墻體與煤（巖）壁接觸嚴密。

②密閉要求掏槽不小于200 mm；墻面平整，要求1 m內墻面凸凹度不大于20 mm。

③木段密閉要求勾縫。

5 混凝土砌磚密閉與木段密閉雙層密閉施工工藝封閉采空區效果檢驗

5.1 優點

（1）封閉采空區效果良好。

采用雙層密閉施工工藝使密閉具有良好的氣密性。密閉墻的漏風量公式為：

q為漏風量；

△h為密閉兩側壓差；

Rp為密閉通風阻力。

顯然在△h不變的情況下

R1為木段密閉風阻；

R2為混凝土砌磚密閉風阻。

由此可見雙道密閉能顯著的增加通風阻力降低漏風量提高封閉效果。

（2）提高抗壓強度，延長使用壽命：由木材的應力應變曲線可知，當應力達到50 MPa以后木材基本不再變形，而500 mm混凝土砌磚墻的破壞應力僅為3.1 MPa。所以，待木段密閉被壓實后，混凝土砌磚、木段聯合密閉可以有效的保護混凝土砌磚密閉不被壓壞。雙道密閉的抗壓強度比混凝土砌磚密閉可提高16倍，密閉的使用壽命由原來的1年可提高到15年以上。

5.2 缺點

（1）相應地增加了密閉材料費用。

①作者簡介：齊興奎（1975—），男，河北唐山市人，工程師，現任開灤荊各莊礦業分公司安全副總。