李志勇，辛 民，劉星樂，田向紅

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 兗州 272000；2.濟南煤炭科技研究院，山東 濟南 250100）

由于我國煤礦瓦斯賦存條件較為復(fù)雜，礦井火災(zāi)的發(fā)生嚴重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]，對井下工作人員的生命及設(shè)備安全帶來了巨大隱患。其中采空區(qū)漏風是煤層自燃的主要原因之一，因此有必要對采空區(qū)漏風特征進行研究，并采取相應(yīng)措施以應(yīng)對對采空區(qū)漏風問題[3-7]。

近年來我國研制出了很多種新型充填堵漏材料，在采空區(qū)密閉堵漏風、煤層自然發(fā)火等方面取得了較好的應(yīng)用效果[8-11]。目前，采空區(qū)隔離墻根據(jù)材料和方式出現(xiàn)了聚氨酯材料泡沫密閉擋墻、氣囊式快速密閉擋墻、撐傘式密閉擋墻、人工跺砌碎煤袋隔離墻[12-16]。上述采空區(qū)擋墻雖然對解決采空區(qū)漏風有一定的作用，但是分別存在諸如成本高昂、人工勞動強度大、材料不抗壓等問題。為此，以某礦3302（下）綜放工作面采空區(qū)漏風問題為工程背景，提出了采用以粉煤灰為骨料的陶?；炷敛牧虾途乱苿邮絿娮⒃O(shè)備組成的灌注系統(tǒng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)了工作面兩端頭的快速封堵，減少采空區(qū)的漏風，從而降低工作面煤層自然發(fā)火概率，并且解決了上述工藝用時時間長，需用人工多、安全隱患多等問題。

1 井下粉煤灰陶粒混凝土隔離墻工程分析

1.1 采空區(qū)漏風特點

采空區(qū)漏風是采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的主要原因之一，風流會給為自然發(fā)火提供必要的氧氣。一般地，進風巷入口處是綜采工作面的主要漏風地點。

采空區(qū)的漏風量與采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃氧化有著密不可分的聯(lián)系。當漏風量越大時，煤的自燃氧化速度就越快，反之則越慢；其次，漏風風流的溫度也影響著煤氧化反應(yīng)的位置，當風流溫度越高時，煤的氧化地點距離工作面越近；漏風現(xiàn)象也會導(dǎo)致風流帶出采空區(qū)內(nèi)部分有毒有害氣體，對礦井井下作業(yè)帶來一定的隱患，引起瓦斯爆炸或工人中毒等重大危害。盡管當漏風量足夠大時，風流會帶走更多采空區(qū)內(nèi)煤的熱量，一定程度上抑制煤炭自然發(fā)火，但是為了保證工作面的安全高效生產(chǎn)，必須要減少工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風，從而抑制煤層的自然發(fā)火。

3302（下）綜采工作面漏風通道模型如圖1。

圖1 工作面漏風模型圖Fig.1 Air leakage model diagram of working face

針對3302（下）綜采工作面漏風問題進行研究，可見減少工作面漏風顯得尤為重要，解決此類問題，是礦井在防滅火工作中的重中之重。因此，興隆莊煤礦3302（下）綜采工作面采用粉煤灰陶?；炷粮綦x墻實現(xiàn)對工作面端頭的封堵漏風，在工作面端頭附近每隔一定距離施工1道隔離墻，預(yù)防煤層自燃。

1.2 粉煤灰陶粒混凝土隔離墻的可行性分析

目前，我國使用較多的采空區(qū)堵漏風方法有許多種，比如聚氨酯材料泡沫密閉擋墻、氣囊式快速密閉擋墻、撐傘式密閉擋墻、人工跺砌碎煤袋隔離墻等，但是這些防治自然發(fā)火的工藝都存在一定的局限性，我國常見的隔離墻工藝局限性見表1。

表1 我國常見的隔離墻工藝局限性Table 1 The limitation of separation wall technology in our country

針對目前采空區(qū)使用的隔離墻存在的不足，興隆莊煤礦開始采用粉煤灰陶粒混凝土隔離墻封堵采空區(qū)漏風，具有以下優(yōu)點：

1）粉煤灰是一種性能較強的綠色材料，來源廣泛，有效減少工程費用，提高經(jīng)濟效益。

2）工藝簡單，大大降低工人的勞動強度，只需2人即可將用于充填粉煤灰陶?；炷恋娜嵝阅４鼟煸O(shè)完畢，每道墻可實現(xiàn)3人作業(yè)，現(xiàn)場作業(yè)人員可減少4人/班。

3）由于陶粒之間孔隙較多，因此具有良好的保溫隔熱性。

4）粉煤灰陶?；炷翞閳A球狀陶粒，球狀可以讓混凝土之間受力更加均勻，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，當受到?jīng)_擊力和擾動時，仍能維持斷面封堵的密封性，極大地保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。

通過對現(xiàn)場充填工程實踐與經(jīng)驗，形成如下陶?；炷翐鯄焖偈┕し椒ā＞唧w方法為：首先在需要建設(shè)擋墻的地點，對巷道底板雜物等進行清理，讓混凝土落在硬底上，檢查調(diào)試陶粒混凝土輸送設(shè)備后，連接專用膠管；然后掛設(shè)柔性填充模袋，備足水泥、陶粒、膠粉等物料，進行充填施工，每次充填的高度在1 m左右。準備完畢后，連接陶?；炷凛斔驮O(shè)備的進出口，向柔性模袋內(nèi)充填陶?；炷?。

2 粉煤灰混凝土力學(xué)參數(shù)測試

2.1 粉煤灰原材料的物理性能

粉煤灰主要從火力電廠、煉鋼廠等用煤時煤塊燃燒使用后的排放物中捕捉收集下來的較細的灰塵，是我國較大宗的工業(yè)廢棄物之一。粉煤灰作為天然材料，通過二次回收廢物再利用，可有效地緩解對環(huán)境的污染，同時具有良好的工程效益和經(jīng)濟效益。

選用的粉煤灰采自熱電廠生產(chǎn)Ⅱ級低鈣粉煤灰，粉煤灰陶粒的物理性能見表2。

表2 粉煤灰陶粒的物理性能Table 2 Physical properties of powdered coal ash ceramsite

隔離墻填充的混凝土由水泥、粉煤灰陶粒和水，按照一定的比例制的，其中，粉煤灰的比例對混凝土的強度影響較大，因此，需要對粉煤灰的比例進行控制。以粉煤灰占物料總量10%、20%、30%比例，制成不同粉煤灰比例的混凝土試樣，并分別測試3、7、28 d的單軸抗壓強度。

2.2 混凝土配合比試驗

粉煤灰陶?；炷恋呐浜媳葏⒄認GJ 51—2006《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，設(shè)計粉煤灰陶?；炷翉姸鹊燃墳長C30，混凝土配置采用P.O32.5R水泥。為了使噴射混凝土回彈率較低，造成原材料浪費，降低生產(chǎn)成本，適當減小陶粒量。結(jié)合現(xiàn)場施工實踐與經(jīng)驗，制定的粉煤灰陶粒混凝土方案見表3，表中的用水量為凈用水量。

表3 粉煤灰陶?；炷练桨窽able 3 The scheme of spraying powdered coal ash ceramsite concrete

2.3 粉煤灰陶?；炷恋牧W(xué)性能測試

本次試驗采用WAW-600C型微機控制電液伺服萬能試驗機，用于對粉煤灰陶?；炷猎嚰M行抗壓試驗。其中，抗壓試驗與劈裂抗拉試驗所用試樣均加工成100 mm×100 mm×100 mm的標準立方體試件。試驗過程應(yīng)連續(xù)且均勻的施加載荷，由于設(shè)計強度等級高于或者等于C30，立方體抗壓強度試驗的加荷速率取0.05 MPa/s。

混凝土立方體抗壓強度計算方式為：

式中：fcs為混凝土試件抗壓強度，MPa；p為試件破壞載荷，N；S為試件承壓面積，mm2。

由于立方體試件非標準試件，因此測得強度應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.95。

粉煤灰陶?；炷亮⒎襟w的抗壓強度和劈裂抗拉強度見表4。

表4 粉煤灰陶?；炷恋牧W(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of powdered coal ash ceramsite concrete

由表4可以看出，方案A3中的混凝土的抗壓強度最大，粉煤灰陶粒混凝土對應(yīng)的在3、7、28 d測得的抗壓強度分別為14.1、24.2、32.4 MPa，滿足設(shè)計混凝土強度等級LC30。由于陶?；炷潦芰^均勻，且抗壓強度足夠大，因此還可以對頂板及兩幫起到一定的支護作用，抑制巷道變形。粉煤灰陶?；炷粮綦x墻與煤壁的充分接觸，也進一步增加了堵漏風的密封性。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 工作面概況

施工地點選在兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，目前礦開采水平為-350 m水平，工作面標高：-257.9～-328.8 m，埋藏深度：308.4～379.6 m。工作面位于三采區(qū)下部，西南部為東風井，南部為5303-1與5302-1采空區(qū)，西部為3303（下）采空區(qū)，北部為3302采空區(qū)。根據(jù)礦井生產(chǎn)實際情況，在3302（下）綜采工作面進回風側(cè)施工陶?；炷翐鯄?。

3.2 采空區(qū)防漏風測定

在施工隔離墻的過程中在井下建立觀測孔，每3 d對采空區(qū)密閉墻內(nèi)的O2體積分數(shù)進行1次測定。采空區(qū)O2體積分數(shù)變化曲線如圖2。

圖2 采空區(qū)O2體積分數(shù)變化曲線Fig.2 Change curve of O2 volume fraction in goaf

從圖2可以看出，隔離墻施工完畢后，O2體積分數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，最終穩(wěn)定在10%左右。O2體積分數(shù)的降低也說明粉煤灰陶粒混凝土隔離墻的堵漏風的密封性好，減少進回風側(cè)向采空區(qū)的漏風，可有效地抑制采空區(qū)煤層自燃。

3.3 SF6示蹤氣體檢測漏風

利用標記氣體對采空區(qū)漏風情況進行測定是目前常用的手段。SF6化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水且不會被煤體吸附，在煤礦井下空氣中不存在，可作為標記氣體。具體方法是，在工作面進風側(cè)巷道釋放SF6，并進行采樣，同時在回風巷道處測對氣體進行采樣，分析不同時間內(nèi)SF6的體積分數(shù)變化，并以此對采空區(qū)漏風進行估算[17]：

式中，Q為風量，m3/min；v為風速，m/s；A為巷道斷面積，m2；VSF6為SF6體積，m3；ρSF6為SF6密度，kg/m3；ω為SF6體積分數(shù)，10-6；m為SF6質(zhì)量，kg；K為漏風率；m1為釋放的SF6總質(zhì)量，kg；m2為回風巷道收集的SF6總質(zhì)量，kg；△m為SF6質(zhì)量變換值，kg；t為時間。

分別在構(gòu)建柔性模袋粉煤灰混凝土隔離墻前后進行SF6標記法試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行記錄，SF6體積分數(shù)變化曲線如圖3。

圖3 SF6體積分數(shù)變化曲線Fig.3 SF6 volume fraction change curve

圖3為構(gòu)建隔離墻前后，在工作面進風、回風兩側(cè)測定的SF6體積分數(shù)隨時間變化的曲線，為了計算SF6的體積，需解出式（2）中的積分，其中不定積分的在數(shù)值上等于圖3中曲線與橫軸圍成的面積。進風巷道風速約為1.53 m/s，回風巷道風速約1.67 m/s，巷道斷面積為16 m2。

根據(jù)上述條件可以算出，未構(gòu)建隔離墻前，釋放的SF6總質(zhì)量約為19.93 kg，在回風巷道收集到了SF6總質(zhì)量約為15.82 kg；構(gòu)建隔離墻后，釋放的SF6總質(zhì)量約為19.38 kg，在回風巷道收集到了SF6總質(zhì)量約為18.43 kg。

因此，未構(gòu)建隔離墻前，采空區(qū)漏風率為20.6%，構(gòu)建隔離墻后，采空區(qū)漏風率為4.9%?？梢钥闯?，構(gòu)建混凝土隔離墻后，采空區(qū)漏風率明顯減小，降低了采空區(qū)煤層自然的可能性，保證了生產(chǎn)安全。

4 結(jié)語

1）粉煤灰陶?；炷粮綦x墻具有成本低、安裝簡單、強度高、高耐火性等特點，適用于工作面端頭的封堵，有效保證了工作的安全高效生產(chǎn)。

2）粉煤灰陶?；炷猎诜勖夯冶壤秊?0%時強度最高，對應(yīng)的3、7、28 d單軸抗壓強度分別為14.1、24.2、32.4 MPa。

3）現(xiàn)場實踐表明，采用粉煤灰陶?；炷粮綦x墻后，采空區(qū)內(nèi)O2體積分數(shù)明顯降低，采空區(qū)漏風率由20.4%減小至4.9%，減小了采空區(qū)遺煤自燃的可能性，保證了生產(chǎn)安全。