高水速凝材料采空區密閉技術在南關煤業的應用

宋志強

(山西汾西礦業 南關煤業有限責任公司，靈石 南關 031304)

構筑密閉墻是煤礦井下采空區密閉的常用方法，目前密閉墻所選用的材料主要是混凝土，該類材料為剛性材料，強度相對較高，對頂板的支撐效果好。但施工中存在工藝復雜、效率低等缺點，并且在礦壓影響下，該類密閉極易出現裂縫造成漏風，影響密閉效果[1-4]。為改善密閉效果和提高施工效率，在南關煤業采用高水速凝材料進行密閉，取得了較好的效果。

1 工程概況

山西汾西礦業集團南關煤業1207工作面所采煤層為2號煤。根據2019年5月山西省煤炭工業廳綜合測試中心的測定結果，工作面煤塵具有爆炸性，其爆炸指數為36.9%.2號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，自燃傾向性為自然發火煤層，但測試的煤吸氧量為0.66 cm3/g，接近Ⅰ級自燃的指標(大于0.70 cm3/g)，并且最短自然發火期為60 d。因此，為保證安全生產，礦方在工作面回采結束后，在工作面量巷道構筑密閉墻對采空區進行封閉。

目前南關煤業2號煤采空區密閉采用的是混凝土噴射，主要的材料是水泥和沙子等，在使用中存在以下問題：

1) 材料用量大。2號煤工作面巷道的尺寸為5 m×3 m(寬×高)，密閉墻的長度一般為2 m，以此計算，需要混凝土50 t，輔助運輸量大，工人勞動強度高。

2) 施工速度慢。密閉施工時，正常一個班一般噴300 mm左右，一般密閉墻需要5個班才能完成，施工效率低。

3) 密閉效果不理想。混凝土為剛性材料，強度高，但存在一定的固縮，接頂性差，并且受采空區殘余支承壓力及相鄰工作面回采的礦壓影響，密閉墻與頂板及兩幫之間容易出現裂縫，造成漏風，影響密閉效果。

2 充填材料的選取

2.1 材料簡介

高水速凝材料是20世紀80年代由中國礦業大學北京研究生部研發，應用于煤礦沿空留巷并取得成功。經過不斷的改良，材料性能不斷提高，與波雷因、馬麗散等化學材料相比，高水速凝材料反應溫度低，強度和凝結時間可調，最大強度可達10 MPa以上。與水泥材料相比，高水速凝材料的固體用量少，凝結速度快，工人勞動強度低，是一種理想的充填材料，近年來廣泛應用于煤礦采空區充填、地面灌漿加固、煤礦防滅火等，取得了較好的效果[5-6]。

不同水灰比的材料強度和單位充填體的材料用量如表1所示。

表1 不同水固比材料強度和凝結時間

2.2 強度計算

相鄰工作面回采結束后，密閉墻所承受的頂板載荷最大。根據威爾遜的兩區約束理論，建立如圖1所示的力學模型。

圖1 密閉墻體受載計算

充填體所需強度計算公式如下：

式中：q為充填體強度，MPa；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；h為工作面頂板的垮落高度，m；a為巷道寬度，m；b為煤柱寬度，m；c為巷道受采空區影響范圍，m；H為煤層厚度，m。

計算可得，充填墻體的強度不得低于2.69 MPa。根據表1可確定高水速凝材料的水灰比為3∶1。

3 充填密閉墻設計及施工

3.1 密閉墻位置的確定

根據工作面支承壓力的分布特點，利用極限平衡理論建立力學模型，如圖2所示。

圖2 采空區附近支承壓力分布

極限平衡區寬度X0的計算公式如下：

式中：m為煤層厚度，m；λ為側壓系數；K為應力集中系數；H為埋深，m；φ為煤體內摩擦角，°；C為煤體粘結力，MPa；P為支護對煤壁方向的約束力，MPa。

計算可得，極限平衡區的范圍為7.2～9.3 m。為減小密閉墻的受力，密閉墻應當設置在極限平衡區的范圍內，為此，密閉墻應在工作面停采線以外2 m范圍內，寬度為5 m。

3.2 兩側擋墻設計

由于高水速凝材料的流動性好，為保證其在指定位置成型，需要在提前支設好的擋墻內澆筑。在巷道頂底板掏槽，尺寸為500 mm×500 mm(寬×深)，砌筑兩道磚墻，間距為5 m，如圖3所示。在砌筑過程中，留設充填管路、出氣管路以及相應的監測管路等。

圖3 擋墻示意(順巷剖面)(mm)

3.3 主要設備選型

采用高水速凝材料進行采空區密閉，主要設備為攪拌桶和注漿泵。

1207工作面的充填體積約為75 m3，計劃4 h完成充填。充填泵的型號為2ZBYSB-55型充填泵，額定流量為5.4～18 m3/h，額定壓力5～15 MPa。

攪拌桶為礦方自制，桶的內徑和高度均為1 m，在600 mm處做標記，制漿時加水至該高度，配高水速凝材料6袋攪拌即可。

充填管路采用選用外徑31.5 mm 抗壓不低于15 MPa的高壓膠管，從泵站到密閉墻布置兩趟，分別輸送A料和B料。三通用無縫鋼管焊制成“Y”形，膠管與鋼管間用快速接頭連接。

3.4 系統布置

由于1207工作面采空區密閉充填量較小，因此在井下設置移動注漿站，將集中運料巷內的一段巷道擴幫，擴幫尺寸為20 m×1.5 m×3.3 m(長×寬×高)，同時將地面硬化，避免材料受潮，如圖4所示。

圖4 充填系統布置

3.5 密閉充填工藝

1) 構筑密閉墻。在設計位置構筑兩道磚墻，同時預埋相應的管路。

2) 充填。A料在1號、2號攪拌桶中攪拌，B料在3號、4號攪拌桶中攪拌。當1號、3號攪拌桶給充填泵供料漿時，2號、4號攪拌桶加水、上料制漿，實現連續作業。單漿攪拌時間不得低于3 min，混漿管的長度不得低于8 m。充填過程中應密切關注磚墻的情況，如果發現有異常，應立即停止并及時處理。

3) 管路清洗。密閉墻施工結束后，立即對充填設備進行清理。向攪拌桶中加入清水，利用充填泵將其壓出，出漿后漿液不渾濁即可停止。

4 應用效果

1207工作面密閉墻的充填體積為75 m3，現場配備8個工人用一個早班完成了充填。

1) 材料的強度達到要求。在充填過程中，利用準備好的模具從混漿口取樣觀測，材料的初凝時間約為25～30 min，實驗室測得的最終強度為2.82 MPa，滿足了要求。

2) 密閉性效果良好。采用JSG-8束管監測系統對密閉墻構筑前后的自燃標志性氣體進行監測，結果如表2所示。

表2 密閉前后氣體監測結果 %

由監測結果可以看出，密閉后O2濃度下降幅度較大，未觀測到CO等氣體，由此可以判斷，采空區未發生煤炭自燃現象。

3) 墻體穩定。3個月后觀測，墻體穩定完好，沒有開裂和脫皮。

采用高水速凝材料進行采空區密閉，減輕了工人的勞動強度，節省了用工，密閉效果好，保證了煤礦的安全生產。

5 結 語

1) 受采空區殘余支承壓力和相鄰工作面回采的影響，南關煤業混凝土密閉墻出現裂縫，造成漏風，影響了密閉效果。

2) 高水速凝材料強度和凝結時間可調，水灰比3∶1的最終強度可達2.9 MPa，能夠滿足1207工作面的密閉要求。

3) 根據極限平衡理論計算可得，1207工作面極限平衡區的范圍為7.2～9.3 m，為此確定密閉墻的位置為工作面停采線2 m。

4) 采用高水速凝材料進行采空區密閉，固體材料用量較少、工人勞動強度低、效率高、工藝簡單、成本低并且密閉效果好，是一種理想的密閉方式。