膨脹充填構筑采空區防火密閉墻

趙宏濤

摘要：邢東礦由于地壓大造成的巷道形狀變化大，新建成的防火密閉墻使用時間較短就會出現漏風現象，邢東礦通過多年研究，采用了膨脹膏水進行墻間、墻體四周注漿，解決了密閉墻漏風嚴重現象，杜絕了采空區自燃發火現象發生。

Abstract： The shape of the roadway caused by large ground pressure in Xingdong Mine has changed greatly. Leakage phenomenon will occur when the newly constructed fireproof closed wall is used for a short time. Xingdong Mine has used the swelling paste water for grouting around the walls through years of research. This has solved the serious air leakage of the sealed wall and eliminated spontaneous combustion and flaming in the goaf.

關鍵詞：防火；密閉；充填

Key words： fire prevention；airtight；filling

中圖分類號：TD75+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）27-0139-03

1 概述

煤層自燃發火是煤礦安全生產的一大重要隱患，如何治理煤層自燃發火成了礦井安全生產的重點工程。尤其是對于開采有自燃發火煤層的礦井，火災發生率更高。其發生火災的主要原因就是由于空氣與煤炭直接接觸，煤炭氧化自熱進而引起自燃。因此，為了減少此類火災的發生，相應采取了一系列防滅火措施，其中主要是從隔絕空氣，防止空氣與煤炭直接接觸，抑制煤炭與煤層的氧化自燃入手，采用砌筑密閉隔墻，封堵隔氧等治理方法。其具體有以下幾種方法：①雙層木板密閉隔墻，中間填砂子、礦渣或粘土；②兩道磚墻中間填砂子或粘土；③紅磚密閉墻；④料石密閉墻；⑤混凝土密閉墻；⑥草袋內裝砂充填堆砌等。上述幾種常見的封堵砌筑方法，其中的一個主要弊端是勞動強度大，工序復雜。此外，由于密閉墻的整體性差，在砌筑滲漏大，尤其是周邊受壓后，密閉易產生裂隙，也易于透漏空氣。

邢東礦煤層易自燃發火，因此，采后空區的密閉防滅火工作成為該礦安全生產中的一項重要的日常工作。目前，邢東礦采用的密閉墻構筑方式：兩道磚墻中間充填膏水材料。這種構筑方式大大降低了勞動強度。但由于膏水材料本身不具有膨脹性能，加上巷道受礦壓影響，巷道周邊參差不齊，巷道圍巖存在空隙和裂縫，密閉墻構筑后還是有透漏空氣的現象。為了提高密閉效果，促進安全生產，開展了“膨脹充填構筑采空區防火密閉墻技術”項目的研究。

主要內容：①針對邢東礦的生產條件，進行膨脹充填材料和密閉墻構筑技術研究；②密閉墻巷道周邊裂隙注漿封堵技術研究。

2 膨脹充填材料的組成及優化配比

2.1 膨脹充填材料的組成

膨脹充填材料主要由膏水材料、膨脹固化劑按適當的比例構成。膏水材料由冀中能源股份有限公司生產，膨脹固化劑采用中國礦業大學（北京）研制的KDB膨脹固化劑。充填材料均為無機材料，無毒、無害、不自燃、腐蝕性小。

膨脹充填材料加入一定比例的水經攪拌均勻后，通過管路泵送至充填地點，在較短的時間內凝結固化成充填體。充填體無毒、無害、不自燃、不透氣。而且，可以根據工程需要，料漿在凝固前能夠膨脹，膨脹現象一般發生在漿液均勻混合后的20-40分鐘，膨脹系數可在0-100%的范圍內調制。這種膨脹性能可以使充填體和巷道周邊實現嚴密有效的密閉。

2.2 膨脹充填材料的配比設計

以項目的主要技術要求為研究目標，經過大量的研究與實驗對比，獲得膨脹充填材料的優化配比方案，及相應的充填體強度特性等，分別見表1、表2。

3 充填密閉墻構筑工藝技術

3.1 充填密閉墻基本形式

充填密閉墻的基本形式：兩道磚墻中間注入膨脹充填材料，磚墻厚度0.7m，膨脹充填體厚度5m。

3.2 膨脹充填工藝技術

充填料漿制備及輸送工藝流程見圖1。設備的具體布置方式可根據井下實際條件靈活安排。

3.3 充填系統設備選型

充填系統設備主要是攪拌機、充填泵和輸送管路。攪拌機是用來攪拌充填料漿的，經攪拌機攪拌均勻后的漿液由充填泵經管路輸送到充填地點。選擇攪拌機和充填泵應綜合考慮充填材料性能、漿液輸送量、輸送管路的最大壓力及輸送環境等幾方面的因素。充填泵、攪拌機和輸送管路采用邢東礦現有密閉墻充填設備。

3.4 充填密閉墻的構筑工藝

充填密閉墻構筑為保證施工質量，實現有效密閉，在巷道兩幫進行適當掏槽。采空區側的磚墻向兩幫掏槽0.5m深，槽寬和磚墻厚度相同。巷道外側磚墻位置向兩幫掏槽0.5m深，槽寬為1.5m，其中0.7m寬用于砌磚墻，0.8m用于充填密實。

在巷道外側的磚墻砌筑過程中留設充填管和出氣管入口，磚墻完成并硬化后，向兩磚墻中充填膨脹充填料漿。首先，進行微膨脹料漿充填（表1中的配比1）。達到充填高度的80%時，進行中度膨脹料漿充填（表1中的配比2）。待出氣管出漿時停止充填。

3.5 充填作業操作工序

第一步：準備工作：

①準備本次充填用的充填材料；②檢查泵、攪拌桶、電控及信號系統，必要時用水試泵，以確保系統暢通無阻。

第二步：制漿充填。

4 密閉墻巷道周邊裂隙注漿封堵技術

根據巷道礦壓的普氏理論，頂板破碎帶高度h可按下式確定：

b'——自然平衡拱在巷道兩幫的投影距離，m。

根據生產地質資料，巷道寬為5m，高為3.5m；巷道直接頂為粉砂巖，單軸抗壓強度為30.4MPa，其普氏系數f=30.4/10=3.04；兩幫現有支護條件下的煤層內摩擦角為40°。

上述參數帶入式（1）、（2）、（3）可以得到：

b'=1.63m，B=4.3m，h=1.36m

4.1 破碎區注漿孔分布

注漿孔的分布，主要有注漿孔的孔距、孔深以及角度。根據前文分析，巷道頂板破碎區高度為1.36m。考慮到巷道埋深較大，并結合巷道現有支護條件，確定注漿高度為1.5m。注漿一般采用等距布孔、梅花形布置方式。注漿擴散半徑一般R=1-2m，孔間距一般取0.8R。本次注漿孔間距取1m，并結合破碎拱形態，確定鉆孔分布。

4.2 注漿孔深度和角度

確定了注漿高度，注漿孔深度和角度的關系如圖2所示。可采用以下公式計算：

4.3 注漿工藝

4.3.1 注漿工藝流程

注漿工藝系統如圖3所示。

4.3.2 鉆孔注漿次序

鉆孔注漿按以下順序：1#鉆孔→2#、3#鉆孔→4#、5#鉆孔→6#、7#鉆孔。

4.3.3 注漿壓力

不同文獻介紹的注漿工程中注漿壓力相差懸殊，考慮到在裂隙體中注漿，注漿壓力主要用于克服漿液在裂隙體中的流動阻力。因此，注漿壓力不需要太大，上限為1-2MPa，并在施工時適當調整。

4.3.4 注漿量

根據本次施工的鉆孔布置以及漿液在裂隙巖體中的流動特點，考慮在密閉墻頂板中形成一條高1.5m、長3m（沿巷道走向）、寬8.26m（巷道頂板破碎的寬度）的注漿密實帶，達到巷道周邊裂隙封堵隔漏效果。因此，注漿的破碎帶體積計算如下：

在支護條件下，考慮到破碎帶孔隙率為10%左右。因此，可得需要注漿的裂隙體積為：

考慮到充填過程中充填材料的損耗以及充填漿液向其它區域的流動量，漿液量考慮1.5倍的富裕系數，因此可得所需的總注漿量：

參考文獻：

[1]喻曉峰，劉其志.礦井通風[M].重慶大學出版社，2013-01-07.

[2]王儉.煤礦通風安全量化分析與分區安全管理[M].煤炭工業出版社，2010-11-01.