高 宇， 王經(jīng)明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院， 北京 101601)

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礦井快速自建移動水閘墻實驗

高 宇， 王經(jīng)明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院， 北京 101601)

為了阻止老空水害事故的發(fā)生和蔓延，開展了快速自建移動水閘墻的模擬實驗研究。實驗以1∶100的比例，分別用固體、液體材料對巷道中有無皮帶架條件下進(jìn)行了正交模擬水閘墻快速、自動建筑實驗。利用固體材料的高度吸水快速膨脹性和液體A、B材料充分混合迅速膨脹，實現(xiàn)水閘墻的快速建筑。實驗研究了水閘墻對不同條件下的定制設(shè)計方法和展開、懸掛、充填、固定、移動等一整套快速自建工藝，分析了實驗效果和影響因素，探討了該技術(shù)的適用條件。實驗獲得了液體充填材料的水閘墻生效時間36～185 s、膨脹壓力1.03～1.2 MPa、堵水率78%～99%；固體充填材料的水閘墻生效時間185～240 s、膨脹壓力0.52～0.65 MPa、堵水率70%～83%的重要數(shù)據(jù)。研究表明：以液體為充填材料的水閘墻堵水效果好于固體；無皮帶架巷道水閘墻的堵水效果明顯好于有皮帶架的。

水閘墻； 快速自建； 模擬實驗； 礦井水害

0 引 言

據(jù)調(diào)研，我國每年都有導(dǎo)致數(shù)以百計死亡的煤礦老空水害事故發(fā)生，多是因為無法及時阻止災(zāi)害蔓延而造成的。盡管國內(nèi)外煤礦都以防水閘墻和防水閘門為蔓延阻止方式，但一直都沒有有效地起到遏制死亡災(zāi)害的發(fā)生。原因是防水閘墻是突水發(fā)生以后建筑的不可移動的隔離水淹區(qū)的手段，盡管效果良好，但由于不能及時建筑；水閘門是在水害前建筑的隔離水淹區(qū)域的方法，也是在水害發(fā)生后靠人工關(guān)閉的，往往因為巷道皮帶架難以拆除，或金屬設(shè)備隨水沖入而無法關(guān)閉。這兩種防水措施都是在水害發(fā)生后靠人工而起作用的，沒有起到快速自建的作用。因此，迄今為止，國內(nèi)外尚無任何一種能夠在水害發(fā)生時就能夠即時終止水害蔓延，為人員的逃生爭取時間的有效方法。據(jù)調(diào)研，我國整合煤礦和規(guī)模以下煤礦達(dá)10 530座之多，一直受到老空水的威脅，急需一種能夠快速自動封堵井下突水、遏制水害于萌芽階段、或為井下工作人員逃生爭取時間、確保礦井安全的裝備和技術(shù)，因此開展快速自建水閘墻的實驗研究具有很大的實際意義。

快速自建水閘墻的研究采用了模擬實驗的方法，即以無縫鋼管模擬巷道，高壓水泵模擬突水，以高分子吸水膨脹樹脂(固體)和有機(jī)-無機(jī)雜化材料(液體)為充填材料來模擬快速自建水閘墻過程，觀測堵水速度和堵水效果。樹脂材料的吸水膨脹率、膨脹速度和膨脹壓力已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究[1-4]，并獲得了許多參數(shù)；有機(jī)-無機(jī)雜化材料的膨脹率、膨脹速度、膨脹壓力和放熱性能等也有學(xué)者進(jìn)行了研究，并在煤礦堵水中進(jìn)行了應(yīng)用[5]，水閘墻的堵水技術(shù)近期也得到很大的發(fā)展，特別是在松軟煤巷特大突水條件下建筑技術(shù)[6]，在軟弱巖體內(nèi)快速構(gòu)筑化學(xué)漿和混凝土水閘墻技術(shù)[7]，在高溫狹小空間特高壓水閘墻建筑技術(shù)[8]，人工塊體快速構(gòu)筑技術(shù)[9-10]，全自動防水閘門技術(shù)[11]，高壓防水閘墻形態(tài)研究[12]，水閘墻在注漿堵水領(lǐng)域的應(yīng)用研究[13]，煤層巷道特高壓非連續(xù)澆筑水閘墻的設(shè)計研究[14]，水閘墻的抗水壓安全性研究[15]，基于FLAC3D建立水閘墻地質(zhì)模型模擬研究[16]等方面都取得了顯著成果。但上述研究的水閘墻仍需要人為構(gòu)建，無法在突發(fā)水害情況下自動快速建筑，也無法跟隨工作面移動，因此起不到止災(zāi)、救災(zāi)作用。為了解決我國水害防治的迫切問題，本文開展了快速自建移動水閘墻的實驗研究，目的是為工業(yè)性試驗提供依據(jù)，為減少煤礦水害傷亡提供設(shè)備。

1 實驗原理

礦井快速自建移動水閘墻實驗是根據(jù)礦井巷道條件所做的1∶100的相似模擬實驗。實驗分為固體和液體材料兩大類，每一類又分為有、無皮帶架兩種條件。無皮帶架的巷道以空管道模擬；有皮帶架的巷道以管道底板安裝槽鋼模擬。實驗采用標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管，以便觀測實驗中水閘墻的耐壓能力。如果巷道沒有皮帶架，墻袋為單體型(見圖1)，固定于頂板的墻袋遇水展開、充填、膨脹，形成水閘墻；如果巷道內(nèi)有皮帶架，則墻袋為組合型(見圖2)，皮帶架上方的墻袋固定于頂板，展開時呈褲裝跨于皮帶架上，下方的墻袋固定于底板，突水膨脹，和上方水閘墻聯(lián)合起作用。

以液體為充填材料快速自建的移動水閘墻結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖1 單體型水閘墻結(jié)構(gòu)圖

圖2 組合型水閘墻結(jié)構(gòu)圖

圖3 快速自建移動水閘墻結(jié)構(gòu)圖

水閘墻袋在正常情況下是束扎在頂板上的，在突水時水壓或流速傳感器發(fā)出信號給自動控制器，束扎系統(tǒng)自動打開，水閘墻展開，利用高分子固體材料的高度吸水快速膨脹性，使得袋內(nèi)吸水膨脹材料吸水膨脹，實現(xiàn)快速自建。

有機(jī)、無機(jī)雜化原材料分為A,B兩種，充分混合以后迅速膨脹、固化形成水閘墻。A,B材料分裝于容器內(nèi)，待災(zāi)害發(fā)生時，墻體袋展開，氣動注漿泵模擬巷道在突水?dāng)嚯姷那闆r下正常注漿充填，使得材料A、B混合后注入墻體袋內(nèi)快速膨脹，實現(xiàn)快速自建。

水閘墻的固定技術(shù)采用了阻擋立柱和拉張繩索的方法，即在水閘墻的下游端設(shè)立若干高阻立柱，在迎水端用高強度繩索將水閘墻固定于頂板錨桿上，保證水閘墻在水流作用下不搖擺、不糾纏，在水壓作用不移動。水閘墻的移動技術(shù)采用折疊式的水閘墻，可以隨著掘進(jìn)頭移動。一般位于皮帶機(jī)端部，使得受水災(zāi)的空間最小。水閘墻的成型技術(shù)采用由高強度紡織品芳綸膠黏或縫合墻體袋實現(xiàn)，袋體的大小和形狀將根據(jù)巷道和皮帶架的大小和位置制作。

2 實驗系統(tǒng)及材料

2.1 實驗系統(tǒng)

本實驗設(shè)備主要由空壓機(jī)系統(tǒng)、注漿泵系統(tǒng)和高壓水泵系統(tǒng)組成?？諌簷C(jī)系統(tǒng)為注漿泵提供壓力，使注漿泵工作。注漿泵系統(tǒng)使液體材料通過旋導(dǎo)管道混合均勻后注入墻袋中。高壓水泵系統(tǒng)為水閘墻提供水壓，模擬帶壓突水，實測水閘墻的抗壓強度。

2.2 實驗材料

(1) 固體充填材料。高分子吸水樹脂材料DC-1。參數(shù): 無嗅，無毒，無害，無污染，無腐蝕性。密度約為1 g/cm3，膨脹倍率為500倍。在環(huán)境溫度26～28℃、水溫22℃，吸水膨脹280 s后，材料膨脹了50倍。

(2) 液體充填材料。有機(jī)無機(jī)雜化液體充填材料。參數(shù)：有少量的刺鼻氣味，無毒，無腐蝕性。密度約1 g/cm3，混合后膨脹倍率為30倍。在環(huán)境溫度26～28℃，兩種液體材料按1∶1充分混合后，經(jīng)45～200 s(可控)充分膨脹，形成硬度較大的固體材料。

(3) 約束材料。碳纖維和芳綸強度符合制袋材料的要求，但實驗發(fā)現(xiàn)碳纖維的脆性大，膠黏線處易折斷，不適用。芳綸具有強度高、耐腐蝕、耐高溫、易折疊、高滲透特點。因此，選用芳綸材料，其參數(shù)：抗拉強度3 400 MPa，彈性模量240 GPa，耐溫度180℃，無毒、無嗅，耐腐蝕酸堿和有機(jī)溶劑的侵蝕。

3 實驗工程

3.1 固體充填材料水閘墻模擬實驗

(1) 固體充填材料無皮帶架實驗。實驗過程：① 稱取固體材料(按固體膨脹率50倍算)，裝入一定容積的墻袋內(nèi)；② 將裝有固體材料的墻袋固定在無縫鋼管上(模擬墻體袋固定在巷道頂板上)，墻袋后側(cè)的繩子固定在無縫鋼管上(模擬墻體袋端繩與頂板錨桿相連，防止在實驗時水流使袋子搖擺或糾纏)；③ 將高壓水泵的水管連接到無縫鋼管的上游端注水孔，以備注水(模擬巷道突水)；④ 在墻袋的下游端裝阻擋立柱，防止在實驗時由于水壓太大墻袋被沖走；⑤ 高壓水泵注水(模擬巷道突水)；⑥ 拉下繩子使袋子掉落并展開(模擬突水自動控制閥開啟，固定在頂板上的墻體袋展開)，袋內(nèi)物質(zhì)與水接觸開始吸水膨脹，開始計時；⑦ 觀察水閘墻形成過程及堵水效果；⑧ 結(jié)束實驗。實驗結(jié)果見圖4(a)和圖5。

(2) 固體充填材料有皮帶架實驗。實驗過程：① 同上，量好的固體材料裝入一定容積的墻袋和條形袋子中；② 同上，還需要在無縫鋼管下面加入槽形鋼，并在槽形鋼里面加入裝有固體材料的條形袋子(模擬巷道的真實情況)；③～⑧ 同上。實驗結(jié)果見圖4(b)和圖5。

3.2 液體充填材料水閘墻模擬實驗

(1) 液體充填材料無皮帶架實驗。實驗過程：① 量取A,B材料各相同的量(按膨脹倍率為15倍算)，分別放在兩個燒杯中；② 將墻袋固定在無縫鋼管上，墻袋后側(cè)的繩子固定在無縫鋼管上；③～⑤ 同實驗一；⑥ 拉下繩子使袋子掉落(模擬突水自動控制閥開啟，固定在頂板上的墻體袋展開)，開始計時，用漏斗通過混合器從注料孔向墻袋中以1∶1的比例注入A,B材料；⑦、⑧ 同實驗一。實驗結(jié)果見圖4(c)和圖5。

(2) 液體充填材料有皮帶架實驗。實驗過程：① 量取A,B材料各相同的量(按膨脹倍率為15倍算)，分別放在兩個燒杯中；稱取固體材料(按膨脹率50倍算)，裝入條形袋內(nèi)；② 同上，還需要在無縫鋼管下面加入槽形鋼來模擬煤礦巷道內(nèi)的皮帶運輸架，并在槽形鋼里加入裝有固體材料條形袋子，以封堵皮帶架下的水流；③～⑧ 同上。實驗結(jié)果見圖4(d)和圖5。

4 實驗結(jié)果及分析

由圖4(a)、(b)可知，在水壓加到0.5 MPa后，已有少量固體顆粒由墻體袋的接縫中微量“滲出”到少量的“流出”(自制的墻體袋質(zhì)量有缺陷)，表明固體充填建筑的水閘墻在壓力作用下將會泄露，造成穩(wěn)定性差。其堵水效果見圖5，實驗數(shù)據(jù)見表1。

由圖4(c)、(d)可知，因液體快速膨脹，使得袋體的接縫發(fā)生少量液體滲出和流出。實驗發(fā)現(xiàn)，液體膨脹期間的少量滲出對堵水有益無害，因為滲出的液體可在流動過程中固結(jié)，封堵了小型的縫隙，使水無法流出，起到了二次注漿封堵效果。其堵水效果見圖5，實驗數(shù)據(jù)見表1。

(a) 無皮帶架固體充填材料

(b) 有皮帶架固體充填材料

(c) 無皮帶架液體充填材料

(d) 有皮帶架液體充填材料

圖5 水閘墻帶壓模擬實驗殘余水量曲線圖

如圖5所示，在有皮帶架條件下，固體充填的模擬實驗殘余水量穩(wěn)定在0.45 L/s，水量不再增加；液體充填的模擬實驗殘余水量穩(wěn)定在0.32 L/s，水量不再變化。在無皮帶架條件下，無論是固體還是液體充填材料，其實驗殘余水量基本為零。實驗表明：在無槽鋼模擬水閘墻的帶壓實驗時，無論采用固體充填材料還是液體充填材料，其堵水效果都比有槽鋼時的堵水效果好。主要原因是水閘墻袋與槽鋼的腳處地接觸不嚴(yán)，有較顯著的漏水所致。

如圖5和表1所示，在采用液體充填材料模擬實驗時，無論在有皮帶架還是無皮帶架條件下，其堵水生效快、達(dá)最大壓力時間短、膨脹壓力大、殘余流量少，堵水效果都比采用固體充填材料的堵水效果好。無皮帶架液體充填實驗的堵水生效時間最短，僅為36 s，50 s后，膨脹壓力過大，使得袋體爆破約5 cm，液體停止從袋體的破裂處涌出，水壓加大至1.2 MPa，水量減小至0.008 L/s。當(dāng)溫度冷卻后，墻體的體積有收縮甚微，水量沒有增加。

表1 不同充填材料在有無槽鋼條件下水閘墻堵水效果對比表

5 實用性和適用條件討論

本實驗較礦井的實際情況做了一定的簡化，例如皮帶架。實際使用的皮帶架有雙層滾輪，都是固定的。模擬時，僅以倒扣的槽鋼袋體。槽鋼內(nèi)放置了條形副墻袋，在真實的礦井突水突水時，按照在煤層底板上的副墻袋難以將雙層滾輪之間的空間充滿，留下過水間隙。這個問題的解決方法是：在兩層滾輪之間增加一個條形墻袋，固定在皮帶架上。內(nèi)部的充填材料和底板條形袋的充填材料相同?？梢圆捎靡后w充填材料，也可以采用固體充填材料。根據(jù)實驗，液體充填材料明顯較固體充填材料堵水效果好。

實驗中，管壁都是光滑的。實際上，礦井的巷道壁都參差不齊，存在著突出錨桿頭，如果是煤巷，網(wǎng)墻內(nèi)還可能為虛煤，這可能使得墻體袋被刺破，或煤壁內(nèi)的虛煤被沖走而漏水，使水閘墻失效。固體充填材料也可能從刺破的洞口中泄露。本實驗推定的解決方法是：① 加厚袋體的厚度；② 用液體充填材料代替固體充填材料；③ 煤壁錨桿加密或噴漿或注漿。

液體充填材料在充填膨脹完畢后將發(fā)生輕微冷縮，將使膨脹壓力降低，造成煤壁漏水，本次實驗推定的解決方法是：對水閘墻進(jìn)行二次注漿。

6 結(jié) 論

(1) 固體充填材料的水閘墻生效時間為185～240 s，到達(dá)峰值壓力時間為300～540 s，膨脹壓力為0.52～0.65 MPa，堵水率為70%～83%。

(2) 液體充填材料的水閘墻生效時間為36～185 s，到達(dá)峰值壓力時間為75～470 s，膨脹壓力為1.03～1.2 MPa，堵水率為78%～99%。

(3) 無論在有皮帶架還是無皮帶架條件下，以液體為充填材料的水閘墻堵水效果好于固體充填材料。

(4) 固袋繩和阻擋立柱在水閘墻建筑過程中在防止墻體袋擺動、糾纏和移動方面起到很大的作用，是必不可少的。

(5) 無皮帶架巷道水閘墻的堵水效果明顯好于有皮帶機(jī)的巷道所追求的堵水效果。用液體充填材料快速自建水閘墻在水壓不大于1.0 MPa、無皮帶架的條件下，堵水率大于90%；同樣壓力，有皮帶架條件下，堵水率大于78%。堵水的效果足以為井下工作人員逃生爭取足夠的時間，達(dá)到降低煤礦災(zāi)害程度的目的。

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Experiments on Instant and Automatic Construction of Movable Floodgate Wall in Mines

GAOYu,WANGJing-ming

(College of Safety Engineering, North China Institute of Sciences and Technology, Beijing 101601, China)

To stop accidents of goaf water inrush frequently happened in coal mine in China, the analogue experiments were conducted on instant and automatic construction of movable floodgate wall (MFW). Under the conditions with or without belt rack, the orthogonal simulation experiments with 1:100 ratio of real conditions in the roadway were conducted by filling with solid or liquid materials. The instant constructions of MFW were realized by taking advantage of rapid expansion when the solid material absorb water and when liquid A mixed with B. Customization design styles of MFW under different conditions, and the their opening, hanging, filling, fixing, moving technology were studied. The influencing factors on the experimental results were analyzed and the applicable conditions of the technology were discussed. The experiments show that the MFW filled in the liquid material begins to take effect in 36-185s, the expansion pressures are 1.03—1.2 MPa, the water plugging rates are 78%-99%. In contrast, the time that MFW filled in the solid material takes effect is 185—240 s, the expansion pressures are 0.52-0.65 MPa, the water plugging rates are 70%-83%. Comparison of the two groups of the data shows that MFW filled in liquid material is better in water plugging effect than that filled in solid material; water plugging effect of MFW under the condition without the belt rack is better than that with belt rack.

floodgate wall; instant and automatic construction; analogue experiment; mine water disaster

2015-06-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3142015116)

高 宇(1991-)，男，山西朔州人，碩士生，主要研究方向為礦井水害防治。Tel.：15231645761; E-mail：448559280@qq.com

王經(jīng)明(1958-)，男，陜西西安人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：礦井水害防治。

Tel.：18612695573; E-mail：34553738@qq.com

TD 745.23

A

1006-7167(2016)03-0060-04