多水平老舊密閉墻加固與有害氣體防治技術研究

梁 敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

我國是煤炭開采大國，近年來隨著開采深度的不斷增加，礦井通風系統普遍面臨改造和升級，在通風系統改造過程中，密閉墻內有害氣體的外溢會威脅礦工生命安全[1-4]。密閉墻是保障煤礦井下通風安全的重要設施，可阻隔井下有害氣體[5-8]。但井下復雜的礦壓變化特性會使長期服役的密閉墻產生不同程度的破損，在通風方法發生重大改變時會導致有害氣體溢出發生事故。因此，在通風方法改變前需對老舊密閉墻進行治理。目前對密閉墻的治理方法主要有重新砌筑、墻體表面噴漿、墻內充填等方法[9-14]。重新砌筑耗時較長且安全隱患巨大，此種方法多用于永久密閉墻的治理。墻體表面噴漿主要針對密閉表面及周邊進行修復，噴漿材料多為水泥漿類無機系材料，隨著時間增長材料的隔絕性能將逐漸降低。密閉內充填多采用聚氨酯類材料，通過材料混合反應后充填密閉內的空隙，可以起到較好的治理效果，但治理方式多集中于密閉墻體內部，此種方法由于沒有從結構上改變密閉墻的特征，在礦壓的時空作用下，墻體內及周邊圍巖會隨著時間推移出現新的漏風通道。

當前對老舊密閉墻的治理方法較為局限，僅從單一修復角度著手，沒有從技術、安全、可靠性及耐久性角度考慮密閉墻的防護性[15]。筆者通過數值模擬技術，對通風方法改變后不同結構受損條件下的密閉墻隔絕性進行模擬，提出了模擬分析—遠端封閉—充填治理—圍巖漏風通道封堵的老舊密閉墻全方位治理技術。實踐證明，在不拆除密閉墻的條件下起到了防止有害氣體外溢的作用，可為今后類似通風系統改造時的密閉墻治理提供參考。

1 密閉墻概況及數值模擬分析

1.1 密閉墻概況

四老溝礦位于大同市西南區域，坐落在七峰山腳下，井田面積29.83 km2，經過50多年的開采，侏羅紀煤炭資源儲量已接近枯竭，開采接替迫在眉睫，礦井正在向石炭二疊系煤層開拓。因開拓時要改變礦井通風方法，即將壓入式通風改為抽出式通風，為保證通風系統的安全改造，需對材料斜井內的多水平老舊密閉墻進行治理，確保通風系統改造后密閉墻內的有害氣體不發生外溢。

四老溝礦材料斜井分別與已開采的侏羅系2號、3號、4號和11號煤層共計4個水平相聯通，以上聯通巷道與斜井銜接處均施工有密閉墻，共計8處。斷面積最大的為4號層回風大巷及回風繞道密閉墻，斷面積達到20 m2。原有各水平密閉墻厚度為2 m，結構包括內外2道墻體，墻體采用磚石砌筑，中間填筑黃土并用水泥漿封頂。根據實地探查，材料斜井內大部分密閉墻存在不同程度的破損，部分密閉還曾出現過CO溢出。在目前的壓入式通風條件下，材料斜井內的風壓大于各水平密閉墻內巷道的壓力，有害氣體外溢的可能性小，但因密閉墻修筑年代久遠，完整性及密封性受到不同程度損害。通風方法改變后，在壓差作用下密閉墻內有害氣體發生外溢的可能性劇增，對礦井的安全生產構成嚴重威脅。斜井內密閉墻位置關系如圖1所示。

圖1 材料斜井內密閉墻位置示意Fig.1 Location of the enclosed wall in the material inclined well

1.2 數值模擬分析

為保證密閉墻的長期安全使用，以4號層車場回風巷密閉墻為例，采用Fluent軟件研究通風方法改變后受損密閉內有害氣體外溢規律。模型如圖2所示，拱形斷面巷道為材料斜井，矩形斷面巷道為4號層車場回風巷，原有舊密閉墻厚2 m，距材料斜井10 m。當通風方法由壓入式變為抽出式時，在材料斜井和4號層回風巷位置砌筑密閉。為提高模擬計算精度，對模型做出適當簡化，將受損密閉墻視為多孔介質材料，孔隙率為0.1，黏滯阻力取5×107m-2[16]。湍流模型為k-εRNG湍流模型，開啟組分模型[17]，進口1為速度進口，8 m/s；進口2為壓力進口，壓差為1 000 Pa，CO濃度設置為150×10-6；出口為壓力出口，相對壓力為0。開展密閉厚度為2、4、6、8、10、12 m的出口CO濃度變化規律研究。

圖2 4號層車場回風巷模型Fig.2 Model of No.4 return air lane of floor parking lot

模型切面上不同封堵厚度的CO濃度分布云圖如圖3所示。由圖3可知，CO在整個4號層回風巷濃度最大，當CO流進材料斜井時迅速被稀釋。在封堵厚度為2 m時，材料斜井有明顯的CO流出，且CO分布范圍最大；隨著封堵厚度的增加，CO流出濃度逐漸減小，CO分布逐漸向墻壁收縮；當封堵厚度為8 m時，僅能在墻壁邊緣位置觀察到CO泄漏；在封堵厚度為10 m時，CO泄漏量顏色最暗，泄漏量最少。模擬結果證明在抽出式通風條件下，隨著封堵厚度的增加，受損密閉內CO外溢規律呈現下降趨勢。

圖3 不同封堵厚度CO運移規律Fig.3 Migration law of CO with different plugging thickness

材料斜井出口截面上不同封堵厚度的CO濃度分布云圖如圖4所示。在封堵厚度為2 m時，出口截面能看到明顯的CO流出，且分布范圍較廣；隨著封堵厚度的增加，出口截面顏色逐漸變暗，CO濃度逐漸減小，分布逐漸向墻壁收縮；在封堵厚度為10 m時，CO泄漏量顏色最暗，僅有墻壁邊緣位置有少量CO分布。模擬結果證明封堵厚度可以有效減少截面CO的濃度和分布范圍。

圖4 不同封堵厚度出口截面CO分布規律Fig.4 Distribution of CO in outlet section with different plugging thickness

為進一步定量分析受損密閉墻厚度與CO外溢量之間的關系，提取材料斜井出口截面的平均CO濃度和最大CO濃度，見表1，繪制曲線如圖5所示。

表1 封堵厚度對CO濃度影響結果Tab.1 Effect of plugging thickness on CO concentration

圖5 不同封堵厚度出口截面CO濃度Fig.5 Concentration of CO in outlet section with different plugging thickness

由圖5可知，隨著封堵厚度的增加，出口截面平均CO濃度逐漸降低，但厚度對平均CO濃度影響較小，均在24×10-6以下；但截面最大CO濃度隨著封堵厚度的增加變化量較大，僅在封堵厚度為10 m時，CO為21×10-6，降低到《煤礦安全規程》要求的24×10-6以下。模擬結果表明，通風方法改變后，當墻體厚度大于等于10 m時即使存在破損，對有害氣體的隔絕性仍能滿足《煤礦安全規程》要求。

2 設計原則及方案

2.1 設計原則

四老溝礦材料斜井內密閉墻數量眾多且全部為永久密閉墻，因侏羅系各水平廢棄巷道內的有害氣體賦存情況復雜，采用破拆法重新砌筑不但安全隱患極大，而且所需磚石、砂漿等材料用量大，需通過材料斜井向施工地點運輸各種材料。由于目前斜井是主要材料的運輸通道，每天只有6 h可用于輔助材料運輸和密閉墻砌筑施工，以現有傳統密閉墻構筑技術，8個密閉墻拆除后全部重新砌筑需要至少5個月工期，嚴重影響礦井通風系統的改造周期。

為保證密閉墻治理的安全施工，并盡量降低其對礦井生產系統的影響，根據數值模擬結果確定設計原則：充分利用原有構筑物，在不拆除原有密閉墻的基礎上，通過延伸改變密閉墻結構長度，提高其對有害氣體的隔絕性和在礦壓變化條件下的結構壽命，同時用注漿法封堵墻體周邊圍巖中的漏風通道，通過綜合治理手段防止有害氣體外溢。

2.2 總體設計方案

在數值模擬和現場實地探查的基礎上，根據通風系統改造要求、密閉墻結構特征及設計原則制定總體方案。

(1)舊密閉墻延伸。通過注漿充填延伸現有密閉墻結構長度，增強其密封性能和抗壓強度，使之適應因巖層位移變化所產生動壓對墻體的影響，同時起到長期防止有害氣體溢出的作用。

(2)密閉墻周邊圍巖漏風通道封堵。通過注漿充填密閉墻周邊圍巖內的漏風通道，起到封閉裂隙和固結松散巖體的作用，確保在風壓變化后有害氣體不會從周邊巖體中的裂隙通道中溢出。

3 舊密閉墻延伸方案

在現有密閉墻的基礎上，不破拆其主體結構，延伸方案包括2個部分：①設置遠端封閉；②現有密閉墻和遠端封閉間設置阻隔帶。現有密閉墻延伸方案如圖6所示。

圖6 現有密閉墻延伸方案示意Fig.6 Schematic of existing closed wall extension scheme

3.1 遠端封閉

在密閉內側的侏羅系各水平巷道內設置遠端封閉，遠端封閉距離密閉墻內側墻體8 m，通過在巷道內注入高膨脹性材料形成類似擋漿墻結構，在注漿加固時起阻止漿液沿原有巷道外流的作用。

3.1.1 封閉墻體設計

由于阻隔帶中需充填單液水泥漿，為保證遠端封閉能夠承受漿液充填時的壓力作用，遠端封閉結構厚度根據《采礦設計手冊》中防水閘墻計算公式確定[18]，公式為：

式中，L為封閉墻體的長度；B為巷道凈寬；H為巷道凈高；α為凸緣基座支撐面與硐室中心線夾角，一般取20°～30°；fcc為素混凝土的軸心抗壓強度設計值，取12.5 MPa；γ0為結構的重要性系數，取1.1；γf為作用的分項系數，取1.3；γd為結構系數，取1.5；P為防水閘門硐室設計承受的水壓，取1.8 MPa。

將數據代入公式計算得，墻體長度按計算最大長度取L=1 m。

3.1.2 注漿孔布置

在現有密閉墻頂部位置設計2個鉆孔，鉆孔水平位置距左右兩側墻壁各1 m，垂直位置距墻頂部0.3 m，設計鉆孔開孔角度為5°。鉆孔完成后分別在孔內下入1根長度10 m(A)和1根長度12 m(B)的注漿管，注漿時先通過A注漿管注入雙組分膨脹材料，待其發泡成型后再通過B注漿管注入相同組分材料，材料膨脹后通過擠密作用形成遠端封閉，封閉體有效長度為1 m。注漿孔布置如圖7所示，遠端封閉充填注漿孔布置剖面如圖8所示。

圖7 注漿孔位布置示意Fig.7 Layout of grouting holes

3.1.3 注漿材料

遠端封閉選用膨脹性能好的雙組分高分子材料，具有反應時間可調、膨脹性能好、強度高的特點，混合液反應后一層一層地膨脹并固化，迅速充滿巷道斷面空間，形成具有一定強度的墻體結構。

性能參數：2種組分按體積比混合，混合比例為1∶3，反應時間3～6 min，硬化時間15 min，膨脹率為20～30倍，施工時采用化學注漿泵。

3.2 阻隔帶設置

根據數值模擬結果，在現有密閉墻和遠端封閉之間區域設置阻隔帶，通過注入結實體抗壓強度更高的單液水泥漿增強其結構穩定度和耐久性，阻隔帶設置長度為8 m。

3.2.1 注漿材料

注漿材料的選擇要與注漿目的和要求相匹配[19]。目前充填類的注漿材料以水泥基注漿材料和化學注漿材料為主[20]。根據設計要求，阻隔帶充填主要采用單液水泥漿，由于單液漿具有收縮作用，漿液無法有效接頂，因此接頂施工選用高分子固結材料。

(1)單液水泥漿。選用強度等級為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，施工時在配置好的漿液中添加少量三乙醇胺和氯化鈉，可有效縮短漿液的初凝時間，單液水泥漿28 d的結實體抗壓強度為14.3 MPa。

(2)高分子接頂材料。高分子接頂材料由雙組分材料組成，具有良好的變形能力及強度，材料反應后可與四周巖體和墻面緊密結合，保證接頂的密合性。

3.2.2 鉆孔布置

按分層填筑要求，在密閉墻上不同高度位置設計4個注漿孔，自下而上第1—第3孔間距為1.5 m，第4注漿孔距密閉頂0.2 m，鉆孔施工完成后孔內放入注漿管。鉆孔布置如圖9所示。

3.2.3 注漿工藝

根據遠端封閉設計參數，注漿時采用分層填筑方法，從下至上設計4個分層，第1—第3層選用單液水泥漿，單層灌注高度控制在1.5 m，注漿過程中壓力表起壓時停止灌注，待漿液凝固后再開始第2分層注漿施工。第1—第3層整體灌注完成72 h后，再通過第4層注漿孔注入接頂材料。

4 密閉墻周邊圍巖漏風通道封堵

4.1 注漿孔長度

在對密閉墻周邊圍巖的漏風通道進行封堵時，原則上注漿孔長度應能覆蓋現有密閉墻及其與延伸部分的搭接處，使現有密閉墻周邊的漏風通道得到完全封堵。綜合考慮原有密閉墻結構尺寸及延伸部分長度等因素，確定注漿孔長度為5 m。

4.2 注漿材料及漿液擴散半徑

密閉墻周邊漏風通道多為微小裂隙，大顆粒無機系材料很難注入，選用黏度低、可注性好、強度高的MK-1型高分子固結材料。MK-1型高分子固結材料由液體高分子材料A和功能助劑B組成，按體積比1∶1的比例混合，通過注漿泵壓注到圍巖周邊的漏風通道中，漿液反應后發生凝固并與巖體產生膠結。

漿液擴散半徑是重要的注漿參數，根據以往相同注漿材料現場施工經驗，確定漿液擴散半徑為1 m。

4.3 注漿孔布置

注漿孔布置形式應考慮漿液擴散半徑并保證漿液交圈后形成防護帷幕，從而保證漏風通道可以被有效封堵。在密閉墻兩側圍巖和頂板處設置2排注漿孔，采用梅花樁形布孔方式，內圈設計注漿孔8個，鉆孔距密閉墻水平距離1 m，外圈設計注漿孔11個，鉆孔距密閉墻水平距離2 m。注漿孔采用二開鉆孔結構，一開為套管段，長度為0.5 m，孔徑94 mm，成孔后下入φ75 mm鋼套管并固管；二開為注漿段，長度為4.5 m，孔徑50 mm。密閉墻周邊漏風通道封堵鉆孔布置如圖10所示。

4.4 注漿壓力

注漿壓力既要保證可以將漿液推送至裂隙發育位置，又要避免漿液浪費，設計注漿壓力為1 MPa。

5 治理效果

四老溝礦斜井密閉墻治理施工歷時65 d，在通風系統改造結束后開始進行跟蹤檢測，檢測包括日常巡檢及有害氣體專項檢測。截至2021年3月，巡檢中未發現密閉周邊圍巖有明顯裂縫，有害氣體專項檢測中連續4年CO等有害氣體檢出量為0。相較于傳統治理方法，新型老舊密閉墻全方位治理關鍵技術在工期、治理效果及施工安全性上有明顯提升，同時，實現了老舊密閉的再利用，共節省工程費用150萬元左右，經濟效益顯著。

6 結論

(1)井下應用實例表明，通過延伸密閉墻結構長度，可有效降低礦壓變化引起的密閉結構破壞，同時結合對密閉周邊圍巖漏風通道的封堵，可有效防止有害氣體發生外溢。

(2)相較于傳統密閉墻治理技術，新型治理技術安全性高，不需破壞原有密閉結構，提高了作業效率的同時，保證了施工人員的安全，滿足通風系統改造要求。