膨脹充填防火密閉墻構筑技術及應用

黃玉誠，宋紅華，林天埜，王子升，鄧和浪

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

我國煤炭自燃火災十分嚴重,在開采煤層中，大約有50%的礦井存在自燃發火危險[1-2]，治理煤層自燃發火成了礦井安全生產的重點工程。中煤集團東坡礦煤層易自燃發火，采空區的密閉防滅火成為該礦安全生產中的一項重要的日常工作。該礦采用過許多傳統的方法，因勞動強度大，工序復雜，密閉墻整體性差，周邊受壓后易產生裂縫漏氣，使用效果不佳。為了改進傳統的砌筑密閉墻方法，提高效率，促進安全生產，采用膨脹充填防火密閉墻構筑技術對采空區巷道進行充填密閉，獲得了良好的效果。

1 膨脹充填材料的組成及性能

1.1 膨脹充填材料的組成

膨脹充填材料主要由中國礦業大學( 北京) 研制的KDB 膨脹固化劑和充填骨料按照適當的比例混合構成。這種膨脹固化劑為無機材料，無毒、無害、不自燃、腐蝕性小。充填骨料采用附近火電廠的粉煤灰。充填材料和一定比例的水經攪拌均勻后，經管路輸送到充填地點，充填料漿在較短的時間內就凝固成充填體。根據實際需要，料漿在凝固前發生膨脹，一般在料漿混合均勻后的20～40min內膨脹，膨脹系數能在0～100%的范圍內調節，以適應不同條件的充填要求。

1.2 膨脹充填材料的性能

KDB膨脹固化劑的相對密度3.0，松散容重1100kg/m3。選用的粉煤灰相對密度1.9，松散容重700kg/m3。根據試驗地點的技術要求，確定采用膠灰比(膨脹固化劑和粉煤灰的質量比)1∶2、濃度56%、膨脹率約20%的充填料漿。抗壓強度和膨脹性能是膨脹充填材料兩個重要技術指標，因此進行了膨脹充填材料的抗壓強度和膨脹性能測試。實驗結果見表1。

表1 膨脹充填材料的膨脹性能及抗壓強度

2 充填工藝系統

2.1 充填系統布置

東坡礦風井(斜井)側幫的一條廢棄老巷入口處原有一道紅磚密閉墻。這道密閉墻周邊受壓嚴重而產生裂縫，透漏空氣。為避免條件惡化，消除火災隱患，必須對原密閉墻采取措施進行補救。因此，確定在原密閉墻外采用膨脹充填材料構筑防火密閉墻。充填密閉墻試驗位置及充填系統布置見圖1。充填試驗地點的廢棄老巷道斷面寬3.2 m、高2.9 m，面積9.3 m2。充填密閉墻厚度設計為1.5m。充填體積共13.95 m3。

圖1 充填密閉墻試驗位置及充填系統布置示意圖

構筑巷道密閉墻技術采用泵送充填工藝，主要的設備包括充填泵1臺、攪拌桶2臺、輸送管路1套。充填料漿經攪拌桶混合攪拌均勻后由充填泵通過管路輸送到充填地點。

2.2 設備選型

實際工程中，地面充填泵到井下密閉墻的充填管長度約300m，密閉墻充填體積13.95 m3，計劃3小時內完成充填。據此，確定充填系統的主要技術指標：①充填能力Q=5～6m3/h；②料漿的輸送距離L=300m。在Q=6m3/h的條件下，采用內徑D=50mm的輸送管路，料漿流速v=0.85m/s，料漿在管路中不易發生沉底現象，并且管道摩擦阻力系數較小，阻力系數f=7.6KPa/m。因此，確定充填管路的內徑D=50mm。

充填系統工作壓力計算如下所示[3-4]。

p=hy+hj+h1+h2

=L·f+0.15L·f+ΔH·ρ·g+h2

=1.15×300×7.6×103-150

×1400×9.8+0.1×106

=0.66MPa

通過以上計算，確定充填系統所需的工作壓力為0.66MPa。

根據充填系統的主要技術指標，并結合充填地點的實際條件，對充填系統各設備進行具體的選型和配置。由于充填系統所需壓力不大，從便于設備的移動方面考慮，在工程中采用揚程為1.5MPa、額定流量為6m3/h的泥漿泵，其電機功率5kW，重量僅為120kg；由于管內壓力不大，為便于管道的移動和鋪設，采用內徑50mm消防用可折疊水管；攪拌桶則選擇桶直徑0.87m，高1.2m，有效容積0.7m3，功率為1.5kW。

3 充填工藝實施

3.1 充填模板架設方法

在充填地點，原有一道紅磚密閉墻。為了構成充填空間，需在巷道外側構置一道充填模板，如圖2所示充填空間及模板結構示意圖。充填模板的構置方法：先支起木支柱，支柱間距0.6m。在木支柱上釘上約1cm厚的板條，木板內側鋪上一面塑料編織布，并且在充填空間的頂底面和兩幫各折疊10～20cm，并進行固定。為便于操作人員進出充填空間，在靠巷道外側的充填模板上留設人員進出小門，模板施工完畢后將小門密封。在充填模板上方，沿巷道頂面最高點處留設一個注漿孔。在充填空間完全充滿后，拔出充填管并封住進漿孔。

1—塑料編織布；2—木板；3—圓木；4—充填料漿5—原紅磚墻；6—充填管；7—巷道頂板；8—巷道底板圖2 充填空間及模板結構示意圖

3.2 充填作業程序

1)清理充填地點，在巷道四周進行適當的掏槽。

2)架設充填模板，支柱、釘木板，然后將塑料編織布吊掛在木板上。

3)將出漿管口插入充填空間。

4)通知泵站制漿、開泵。

5)充填體接頂后，通知泵站停泵，撥出出漿管口，并堵住充填模板管插口。

6)泵送清水沖洗管路，見清水后，通知泵站停泵。

4 技術經濟分析

采用膨脹充填防火密閉墻構筑技術對巷道進行充填密閉施工中，膨脹充填材料混合攪拌后的漿液濃度低于60%。料漿注入充填空間后，將包括巷道周邊煤巖裂隙在內的密閉空間充實，加上密閉墻頂部充滿后充填材料自身的膨脹擠壓，充填體與巷道四周緊密結合，構成一個整體性和氣密性都很好的充填墻體，達到了預期的技術效果。

1) 膨脹充填墻具有良好的密閉效果。膨脹充填墻構筑后，對密閉墻前和接頂接幫處進行了瓦斯含量的檢測，檢測結果瓦斯含量為0。

2) 充填材料的各項指標均達到技術要求。對取樣的試塊進行實測表明，充填材料初凝時間約為20～ 30min；充填材料的抗壓強度為3.3MPa，膨脹率達到22%。

3)泵送充填系統的選用。采用的泵送充填工藝，能實現機械化作業，工藝簡單，便于安裝和操作，充填效率高，工人的勞動強度低。

4)技術經濟效果分析。相比于傳統的井下水泥砌筑密閉墻，采用該技術的膨脹充填密閉墻成本約630元/m3，成本降低約65元/m3。

5 結語

1)膨脹充填防火墻構筑技術的應用不但改變了傳統的密閉墻砌筑工藝方法，而且在大幅度提高了工作效率的同時也減小了工人的勞動強度。

2)膨脹充填防火墻采用膨脹充填材料整體澆注而成，充填墻體整體性好，加之充填體自身的膨脹性，密閉墻對采空區起到了很好的封閉作用。

3)采用遠距離機械化操作的充填作業，不僅減小了充填密閉點的不安全隱患對操作人員的人身威脅，也改善了井下作業人員的工作環境。

4)充填密閉墻工程實踐中，粉煤灰約占充填料總重量的70%，大量使用粉煤灰作為充填材料既降低了成本，又實現了工業廢棄物的有效利用。

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