黃玉誠(chéng)，宋紅華，林天埜，王子升，鄧和浪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

我國(guó)煤炭自燃火災(zāi)十分嚴(yán)重,在開(kāi)采煤層中，大約有50%的礦井存在自燃發(fā)火危險(xiǎn)[1-2]，治理煤層自燃發(fā)火成了礦井安全生產(chǎn)的重點(diǎn)工程。中煤集團(tuán)東坡礦煤層易自燃發(fā)火，采空區(qū)的密閉防滅火成為該礦安全生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要的日常工作。該礦采用過(guò)許多傳統(tǒng)的方法，因勞動(dòng)強(qiáng)度大，工序復(fù)雜，密閉墻整體性差，周邊受壓后易產(chǎn)生裂縫漏氣，使用效果不佳。為了改進(jìn)傳統(tǒng)的砌筑密閉墻方法，提高效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)，采用膨脹充填防火密閉墻構(gòu)筑技術(shù)對(duì)采空區(qū)巷道進(jìn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 研制的KDB 膨脹固化劑和充填骨料按照適當(dāng)?shù)谋壤旌蠘?gòu)成。這種膨脹固化劑為無(wú)機(jī)材料，無(wú)毒、無(wú)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(jīng)攪拌均勻后，經(jīng)管路輸送到充填地點(diǎn)，充填料漿在較短的時(shí)間內(nèi)就凝固成充填體。根據(jù)實(shí)際需要，料漿在凝固前發(fā)生膨脹，一般在料漿混合均勻后的20～40min內(nèi)膨脹，膨脹系數(shù)能在0～100%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)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(duì)密度3.0，松散容重1100kg/m3。選用的粉煤灰相對(duì)密度1.9，松散容重700kg/m3。根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)的技術(shù)要求，確定采用膠灰比(膨脹固化劑和粉煤灰的質(zhì)量比)1∶2、濃度56%、膨脹率約20%的充填料漿。抗壓強(qiáng)度和膨脹性能是膨脹充填材料兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，因此進(jìn)行了膨脹充填材料的抗壓強(qiáng)度和膨脹性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膨脹充填材料的膨脹性能及抗壓強(qiáng)度

2 充填工藝系統(tǒng)

2.1 充填系統(tǒng)布置

東坡礦風(fēng)井(斜井)側(cè)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(yán)重而產(chǎn)生裂縫，透漏空氣。為避免條件惡化，消除火災(zāi)隱患，必須對(duì)原密閉墻采取措施進(jìn)行補(bǔ)救。因此，確定在原密閉墻外采用膨脹充填材料構(gòu)筑防火密閉墻。充填密閉墻試驗(yàn)位置及充填系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。充填試驗(yàn)地點(diǎn)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(shè)計(jì)為1.5m。充填體積共13.95 m3。

圖1 充填密閉墻試驗(yàn)位置及充填系統(tǒng)布置示意圖

構(gòu)筑巷道密閉墻技術(shù)采用泵送充填工藝，主要的設(shè)備包括充填泵1臺(tái)、攪拌桶2臺(tái)、輸送管路1套。充填料漿經(jīng)攪拌桶混合攪拌均勻后由充填泵通過(guò)管路輸送到充填地點(diǎn)。

2.2 設(shè)備選型

實(shí)際工程中，地面充填泵到井下密閉墻的充填管長(zhǎng)度約300m，密閉墻充填體積13.95 m3，計(jì)劃3小時(shí)內(nèi)完成充填。據(jù)此，確定充填系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：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(nèi)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(fā)生沉底現(xiàn)象，并且管道摩擦阻力系數(shù)較小，阻力系數(shù)f=7.6KPa/m。因此，確定充填管路的內(nèi)徑D=50mm。

充填系統(tǒng)工作壓力計(jì)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(guò)以上計(jì)算，確定充填系統(tǒng)所需的工作壓力為0.66MPa。

根據(jù)充填系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合充填地點(diǎn)的實(shí)際條件，對(duì)充填系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行具體的選型和配置。由于充填系統(tǒng)所需壓力不大，從便于設(shè)備的移動(dòng)方面考慮，在工程中采用揚(yáng)程為1.5MPa、額定流量為6m3/h的泥漿泵，其電機(jī)功率5kW，重量?jī)H為120kg；由于管內(nèi)壓力不大，為便于管道的移動(dòng)和鋪設(shè)，采用內(nèi)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(shí)施

3.1 充填模板架設(shè)方法

在充填地點(diǎn)，原有一道紅磚密閉墻。為了構(gòu)成充填空間，需在巷道外側(cè)構(gòu)置一道充填模板，如圖2所示充填空間及模板結(jié)構(gòu)示意圖。充填模板的構(gòu)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(nèi)側(cè)鋪上一面塑料編織布，并且在充填空間的頂?shù)酌婧蛢蓭透髡郫B10～20cm，并進(jìn)行固定。為便于操作人員進(jìn)出充填空間，在靠巷道外側(cè)的充填模板上留設(shè)人員進(jìn)出小門(mén)，模板施工完畢后將小門(mén)密封。在充填模板上方，沿巷道頂面最高點(diǎn)處留設(shè)一個(gè)注漿孔。在充填空間完全充滿(mǎn)后，拔出充填管并封住進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖

3.2 充填作業(yè)程序

1)清理充填地點(diǎn)，在巷道四周進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶筒邸?/p>

2)架設(shè)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(kāi)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(jiàn)清水后，通知泵站停泵。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

采用膨脹充填防火密閉墻構(gòu)筑技術(shù)對(duì)巷道進(jìn)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(nèi)的密閉空間充實(shí)，加上密閉墻頂部充滿(mǎn)后充填材料自身的膨脹擠壓，充填體與巷道四周緊密結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)整體性和氣密性都很好的充填墻體，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)效果。

1) 膨脹充填墻具有良好的密閉效果。膨脹充填墻構(gòu)筑后，對(duì)密閉墻前和接頂接幫處進(jìn)行了瓦斯含量的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果瓦斯含量為0。

2) 充填材料的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。對(duì)取樣的試塊進(jìn)行實(shí)測(cè)表明，充填材料初凝時(shí)間約為20～ 30min；充填材料的抗壓強(qiáng)度為3.3MPa，膨脹率達(dá)到22%。

3)泵送充填系統(tǒng)的選用。采用的泵送充填工藝，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，工藝簡(jiǎn)單，便于安裝和操作，充填效率高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度低。

4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析。相比于傳統(tǒng)的井下水泥砌筑密閉墻，采用該技術(shù)的膨脹充填密閉墻成本約630元/m3，成本降低約65元/m3。

5 結(jié)語(yǔ)

1)膨脹充填防火墻構(gòu)筑技術(shù)的應(yīng)用不但改變了傳統(tǒng)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(shí)也減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(duì)采空區(qū)起到了很好的封閉作用。

3)采用遠(yuǎn)距離機(jī)械化操作的充填作業(yè)，不僅減小了充填密閉點(diǎn)的不安全隱患對(duì)操作人員的人身威脅，也改善了井下作業(yè)人員的工作環(huán)境。

4)充填密閉墻工程實(shí)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢棄物的有效利用。

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