董 建

(大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

引 言

煤自燃現(xiàn)象嚴(yán)重威脅我國礦井安全生產(chǎn)，成為了我國礦井開采的重大災(zāi)害之一。煤自燃發(fā)生區(qū)域通常在綜合工作面的采空區(qū)，封堵是防治煤自燃的重要措施，因此工作面的封堵便成了礦井開采的重點(diǎn)工作，為避免煤層自燃或有害氣體擴(kuò)散對礦井的安全生產(chǎn)造成影響，可采用木板、磚塊、水泥等材料進(jìn)行砌密閉墻，以此將有害氣體源和易燃區(qū)域進(jìn)行隔離，墻體具體使用時(shí)間需要根據(jù)砌筑部位以及現(xiàn)場情況進(jìn)行確定[2]。對于在動壓下造成的管道出現(xiàn)裂縫以及破碎的情況，封堵效果通常不佳，在經(jīng)過多次封堵破碎巖體內(nèi)漏風(fēng)裂縫嘗試，對相應(yīng)的封堵技術(shù)和材料不斷改善，從而提出囊袋塑性封堵技術(shù)。

1 案例工程概況

囊袋塑性材料填充技術(shù)的應(yīng)用在逐步發(fā)展，其中位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的龍王溝煤礦較為典型，本文將以此為例，對其囊袋塑性填充技術(shù)的原理及實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行充分說明。61601工作面作為該項(xiàng)目的首采工作面，其工作面推采長度為615 m，傾斜長度為25 m，礦井主要采集厚度為23.83 m的6號煤層，采用放頂煤工藝開采，放頂高度17.73 m，采高5.1 m，且該工作面煤層屬于易自燃煤層。該工作面四周均是實(shí)體煤巖且完整性好，推采途中進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩巷的頂板垮落難以形成，從而導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量大，氧氣濃度增加，增大了礦區(qū)工作的危險(xiǎn)系數(shù)。因此，針對其工作面的實(shí)施囊袋塑性封堵是該項(xiàng)目重點(diǎn)。

2 囊袋塑性填充封堵技術(shù)

就目前而言，現(xiàn)有封填技術(shù)通常為表面噴涂聚氨酯類發(fā)泡材料、內(nèi)部填充普通凝膠類材料或?qū)λ苄阅z泥材料進(jìn)行壓注等，以上材料雖具有一定密封性，但封閉效果不佳。表面噴涂太過局部，未能涉及內(nèi)部管道漏風(fēng)；普通材料凝膠的材料流量小，容易造成管道堵塞，硬結(jié)固化之后容易形成其他漏風(fēng)；塑性凝膠材料因?yàn)樽陨硖匦缘南拗?，無法進(jìn)行大面積填充。因此，囊袋塑性填充封堵技術(shù)的出現(xiàn)將大大改善礦區(qū)工作面的封堵效果[3]。

2.1 囊袋填充技術(shù)

囊袋填充的主要目的在于將兩巷之間的采空區(qū)以及垮落不全面的三角漏風(fēng)區(qū)域進(jìn)行填充封堵[4]。施工過程中，通過開切眼以及上下管道的斷面面積制定囊袋，在袋子上預(yù)留注漿口，且將其置于后封堵區(qū)域，其后連接注漿管路注入塑性填充材料。具體操作示意圖如圖1。

圖1 囊袋填充示意圖

2.2 塑性充填材料的形成機(jī)理

由于礦井之下環(huán)境特殊，因此材料選擇時(shí)必須充分考慮其阻燃性、強(qiáng)度以及可變性。在狹小的且周圍均為易燃物質(zhì)的空間，其填充細(xì)節(jié)必須嚴(yán)格把控，從而確保其安全性及可行性。塑性材料作為新型填充材料，其材料成分有高分子聚合物、引發(fā)劑和增效劑。高分子聚合物在引發(fā)劑的作用下，分子內(nèi)部出現(xiàn)水合作用，同時(shí)發(fā)生靜電排斥，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，大量水分子被吸附，逐漸形成膠合狀，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也因此形成。同時(shí)，所用高分子聚合物和引發(fā)劑均有粉狀材料，在粉料摻入的過程中，空間結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)狀聚合物將對粉料進(jìn)行緊實(shí)的包裹吸附，促進(jìn)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)和廣闊，增大塑性材料黏稠度。空間結(jié)構(gòu)在達(dá)到一定程度時(shí)，分子間存在的斥力和引力將會達(dá)到平衡，結(jié)構(gòu)不會再次發(fā)生改變，此時(shí)所形成的黏度確保有效封堵縫隙，同時(shí)也保證了塑性流動的擴(kuò)散，從而保證了封堵效果的持久性。

3 囊袋塑性填充實(shí)際應(yīng)用

3.1 囊袋的設(shè)計(jì)與吊掛

該工作面當(dāng)中兩巷寬度設(shè)計(jì)分別為5 m和4 m。根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)及兩巷垮塌情況確定其囊袋設(shè)計(jì)尺寸，其囊袋尺寸確定為5 m×4 m×2 m，同時(shí)必須確保囊袋充滿之后可以將其為塌落空間覆蓋。囊袋材料的選擇必須滿足阻燃性及抗靜電性，且具備一定強(qiáng)度和韌性。至于懸掛囊袋，囊袋頂端四面都需要預(yù)留吊帶，間隔為1 m，同時(shí)需要配備掛鉤，布置在工作面上的囊袋間隔為6 m。吊掛囊袋時(shí)，利用特定掛鉤將囊袋放置于巷道封堵位置的頂板金屬網(wǎng)上，囊袋吊掛之后，分別沿工作面、橫向、高度傾斜5 m、2 m和4 m，并且囊袋正面必須預(yù)留注口。

3.2 囊袋塑性填充

囊袋吊掛好之后將進(jìn)行普瑞特Ⅱ號材料填充。采用ZQBS-10/3氣動雙液注漿泵進(jìn)行注漿施工，施工過程中的具體參數(shù)見表1。實(shí)際操作過程中，可提前將氣動泵吊掛在端頭架下，使兩者一起移動，隨后按要求連接注漿裝置。最后將塑性材料中的高分子聚合物以及引發(fā)劑按照1∶1的比例投入氣動雙液注漿泵中，經(jīng)由注漿泵輸送到前端的發(fā)泡成膠裝置中混合發(fā)泡，再將其混合物通過軟管注入囊袋[1]。具體囊袋注漿工藝如圖2所示。

表1 ZBQS-10/3氣動雙液注漿泵技術(shù)參數(shù)

圖2 囊袋注漿工藝圖示

3.3 封堵效果

61601工作面兩巷頂煤推進(jìn)均在20 m以上，垮落現(xiàn)象不明顯，中部區(qū)域存在部分垮落遺煤堆積，堆積截面少于巷道截面的1/4，通過對預(yù)留管道中氣體監(jiān)測分析可得，架后百米之內(nèi)采空區(qū)中氧氣濃度基本維持在12%之上，為其煤氧化反應(yīng)提供充足氧分。采用囊袋塑性進(jìn)行封堵，在其填充過程中囊袋不受地面遺煤堆積的影響，且囊袋會在煤塊、地面的連接處進(jìn)行塑性，最終形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)對其漏風(fēng)空間進(jìn)行密封[5]。

61601的采空區(qū)域頂煤垮落效果不佳，單純依靠工作面采空區(qū)中三角區(qū)域?qū)O大地限制后續(xù)工作，在之后推采中，大量垮落的遺煤將會對該區(qū)域進(jìn)行擠壓，同時(shí)囊袋在受到外界壓力之后，將會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，與地面和煤塊的契合度更高，封堵更嚴(yán)密[6]。在進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩巷架后同時(shí)進(jìn)行囊袋封堵，檢測結(jié)果表明采空區(qū)域氧氣濃度大幅降低，以此表明囊袋封堵技術(shù)對其降低采空區(qū)域氧氣濃度效果明顯，在縮短煤自燃氧化范圍的同時(shí)，也降低了氧氣及CO氣體的濃度。

4 結(jié)語

綜上所述，采空區(qū)域中氧氣濃度過高，將加大煤自燃現(xiàn)象產(chǎn)生的概率，危險(xiǎn)系數(shù)也隨之增加，因此在采煤工作中，對工作面進(jìn)行封堵的技術(shù)和材料都必須嚴(yán)格把控。通過囊袋塑性封堵技術(shù)在61601工作面中實(shí)際運(yùn)用效果分析可以充分肯定囊袋塑封技術(shù)對其采煤工作面封堵效果極佳，大大降低了采空區(qū)域的氧氣濃度，減少和預(yù)防了煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生，降低了礦區(qū)工作的危險(xiǎn)性，為工作面安全推采提供了極大的保障，也為我國采煤工作面封堵工作以及防止煤自燃提供了新的技術(shù)手段和材料。