吉雷雷

（同煤集團臨汾宏大豁口煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 概述

同煤集團臨汾宏大豁口煤業(yè)在處理井下事故時，經(jīng)常用到快速密閉技術(shù)。井下密封墻是密閉技術(shù)的主要體現(xiàn)形式，采用的密封墻一般為固定剛性結(jié)構(gòu)。在井下建造剛性結(jié)構(gòu)密封墻，有限的空間會使作業(yè)活動非常困難；在構(gòu)造較多的區(qū)域，剛性結(jié)構(gòu)密封墻還會出現(xiàn)斷裂情況，密閉性能降低甚至失效。鑒于以上問題，同煤集團臨汾宏大豁口煤業(yè)結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)研究成果，選用了一種新型的水凝膠密封墻逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)密閉方式。

2 現(xiàn)有快速密封墻優(yōu)缺點分析

礦用快速密閉方式主要有以下幾種：磚混結(jié)構(gòu)密封墻、粉煤灰混合高水凝膠密封墻和氣囊式密封墻。

磚混結(jié)構(gòu)密封墻是一種雙墻結(jié)構(gòu)，由內(nèi)墻外墻和中間的填充材料組成。此種密封墻經(jīng)常使用在巖層壓力大的礦區(qū)，最明顯的特點是抗沖擊力強，但建造時需要投入較多人力物力，工程量是三種密封墻中最大的。

粉煤灰混合高水凝膠密封墻屬于一種環(huán)保型密封墻。將煤礦或發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰作為主要材料，結(jié)合高水凝膠化學(xué)材料特點，燒制出一種輕型蜂窩狀承重磚，由此類型磚砌成密封墻。與傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)密封墻相比，這種密封墻的原料簡單輕便，工程量較小。

氣囊式密封墻是利用井下風(fēng)壓、事故發(fā)生時的氣壓或化學(xué)試劑反應(yīng)時產(chǎn)生的氣體，使由石棉布等其他防火材料制成的氣囊膨脹，達到密閉事故發(fā)生區(qū)的目的。此種密封墻使用條件較為苛刻，除了需要滿足建造巷道內(nèi)有足夠壓差以外，還要求放置氣囊式密封墻的巷道不能出現(xiàn)形狀太不規(guī)則以及有尖銳凸起物的情況，否則極易造成氣囊破損。

以上三種傳統(tǒng)密封墻相關(guān)性能對比，結(jié)果見表1。

磚混結(jié)構(gòu)密封墻和粉煤灰混合高水凝膠密封墻在耐高溫、密閉時間和密閉程度方面有較大優(yōu)勢，但建造時間較長，作業(yè)人員需要較長時間暴露在事故發(fā)生區(qū)，危險性很大；而氣囊式密封墻的耐溫耐壓以及密閉性方面都不太理想。

表1 三種傳統(tǒng)密封墻性能參數(shù)表

因此，如何能在無電源以及狹窄的煤礦井下巷道內(nèi)快速構(gòu)建起耐溫耐壓以及快速全封閉的密封墻，是目前井下巷道密閉技術(shù)亟需改進的方面。

3 水凝膠抗爆密封墻的應(yīng)用

臨汾宏大豁口煤業(yè)近年來在井下密閉技術(shù)方面投入大量資源進行相關(guān)研究以及應(yīng)用，目前比較成熟可靠的新型密閉技術(shù)是水凝膠抗爆密封墻。

水凝膠抗爆密封墻建造原理如下：水凝膠是一種特殊的化學(xué)材料，與水接觸后，在適當溫度下可以在引發(fā)劑和初凝劑的共同作用下快速凝結(jié)，形成抗爆密閉材料。

臨汾宏大豁口煤業(yè)利用水凝膠的化學(xué)特點，將水凝膠和輔助材料裝填在一種由特殊材料制成的防爆外袋內(nèi)，作為事故發(fā)生時密封墻的建造材料。與傳統(tǒng)密閉材料相比，水凝膠密封墻不受建造巷道內(nèi)壁形式和巷道內(nèi)風(fēng)壓等因素影響，幾乎可以建造在任何巷道內(nèi)；建造工程量較傳統(tǒng)密封墻更??；凝結(jié)成型時間可以隨水溫、引發(fā)劑濃度和凝結(jié)劑濃度進行調(diào)節(jié)，工藝靈活性遠勝傳統(tǒng)密封墻；凝結(jié)后的密封墻抗壓抗爆能力完全滿足井下密閉要求。

3.1 水凝膠密封墻工藝過程

（1）承裝水凝膠的基材是一種復(fù)合材料，由尼龍502#系列布料與高強度復(fù)合橡膠材料共同組成。這種基材具有抗爆抗高溫且耐磨等特點?；某叽绾托螤钚枰鶕?jù)放置位置的巷道特點而定，最理想外形尺寸是遇水膨脹后，外袋可以與巷道內(nèi)壁完全貼合。臨汾宏大豁口煤業(yè)選用基材時，進行了基材加壓試驗，目的是驗證基材膨脹性能和承壓能力。試驗過程是將基材外袋放置在一段巷道內(nèi)，通過水泵加壓，待基材外袋與巷道內(nèi)壁貼合后，觀察基材外袋內(nèi)部水壓。試驗原理圖見圖1。經(jīng)測試，基材外袋成型情況良好，內(nèi)壓可達0.4MPa。

（2）水凝膠密封墻填充工藝。為了測試水凝膠密封墻的成型時間和密閉程度，進行了水凝膠密封墻填充工藝試驗。試驗選取厚度約為2mm的基材作為外袋，將水凝膠、引發(fā)劑和促凝劑共同裝填的外袋放置在試驗?zāi)M巷道內(nèi)。試驗選取鋼板和腳手架作為模擬井下巷道的材料，將鋼板拼接成一段長2.5m、寬1.0m、高1.0m的模擬巷道，腳手架作為固定結(jié)構(gòu)，安裝在鋼板之外。填充試驗原理圖見圖2。

圖1 基材加壓試驗原理圖

圖2 填充工藝試驗原理圖

基材外袋在無壓力情況下為長方形，長2.0m，寬1.2m，高1.2m。在基材一端安裝了DN25法蘭，用于注水。模擬巷道口處放置一臺風(fēng)機，風(fēng)速調(diào)至1.5m/s，在水凝膠密閉材料的下風(fēng)向安置測量風(fēng)速的風(fēng)速表。試驗工藝流程圖見圖3。

圖3 充水試驗原理圖

加壓泵開始注水作為試驗開始時間并記錄，充水一段時間后，水凝膠密封墻外形見圖4。

圖4 充水后水凝膠密封墻形態(tài)

充水12min后，基材外袋膨脹完成，與模擬巷道內(nèi)壁完全貼合。在鋼板拼接處，外袋可以完全填充。整個過程風(fēng)速表顯示風(fēng)速持續(xù)降低，第14min，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速降為0。說明在對應(yīng)試驗條件下，水凝膠密封墻可以在約15min時間內(nèi)形成密封性能和防爆性能符合要求的密封墻。

3.2 工藝可行性

以上試驗證明了水凝膠密封墻在建造工藝和成型時間方面的適用性。該密閉技術(shù)在實際使用中，有以下兩種方式：

（1）基材外袋中包含水凝膠材料、引發(fā)劑和促凝劑等輔助材料，直接放置在建造點，使用時注水即可。這種工藝實施方式設(shè)備便捷，控制程序簡單，但無法精準控制各輔助材料的加入量，無法控制凝膠時間。

（2）基材外袋中只裝填水凝膠材料，引發(fā)劑和促凝劑等輔助材料在注水系統(tǒng)打開時，隨注水管進入外帶與水凝膠混合。這種方式可以對水凝膠輔助材料注入量進行控制，在一定范圍內(nèi)控制水凝膠密封墻的凝膠時間，但控制程序較為復(fù)雜，所需設(shè)備也較第一種方式多。

在實際使用中，無論選用哪種預(yù)置方式，溶液注入流量控制在5m3/h，注水壓力控制在1.5MPa之內(nèi)為宜。

4 結(jié)論

水凝膠的應(yīng)用使煤礦密封墻的建造更加靈活便捷。臨汾宏大豁口煤業(yè)實際應(yīng)用中，只需將基材外袋裝填水凝膠等材料，連接上充水管路直接放置在相應(yīng)位置，使用時打開注水泵注水即可自動形成密封墻。無論從性能還是工藝可行性方面，該密閉技術(shù)都相較于傳統(tǒng)密閉技術(shù)更加實用。