陳學(xué)雷

（國能蒙西煤化股份有限公司棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤礦井下正常有序通風(fēng)是安全生產(chǎn)的前提，風(fēng)流自風(fēng)井進(jìn)入井下，受負(fù)壓作用在巷道中流動，但已回采完畢的工作面區(qū)域，若與新鮮風(fēng)接觸，極易發(fā)生自燃，危及井下安全。密閉墻具有在局部區(qū)域控制風(fēng)流的作用，被廣泛應(yīng)用于盲巷和采空區(qū)的密封，其不僅具有隔絕采空區(qū)遺煤與外界新鮮風(fēng)接觸的作用，還具有隔燃、隔爆的作用。為此，密閉墻需具有一定的承載變形性能，其在最初構(gòu)筑時，不受圍巖壓力的作用，但隨著工作面的推進(jìn)或工作面回撤后，其所在巷道圍巖受支承壓力影響發(fā)生變形，在此過程中，密閉墻也會受到圍巖的壓力作用。此外，若密閉墻不能與圍巖同步變形，易在與圍巖接觸面產(chǎn)生漏氣通道。因此，密閉墻材料需選取具有塑性延展性能的材料。目前密閉墻材料主要為石材、磚墻或混凝土，密閉方式多為拼接或堆砌。此方法材料消耗量大，需要消耗大量物力、人力，且施工進(jìn)度慢，施工時間長，密閉墻接頂效果差。為改善上述密閉效果，一些學(xué)者開始對密閉新材料進(jìn)行了研發(fā)，中國礦業(yè)大學(xué)牽頭研制了高水速凝材料[1]，其主要材料為A 料和B 料，水灰比可達(dá)6:1，減小了密閉墻所需的固體材料量，通過配套小料，可實現(xiàn)控制漿液凝固速度的功能[2]。此外，高水速凝材料密閉墻充填系統(tǒng)較簡單，主要設(shè)備包括充填泵、輸漿管和1 根混合管路，可置于井下硐室中，降低材料輸送距離。采用高水速凝材料進(jìn)行密閉墻充填，還具有密閉墻充填速度快，初凝早、早期強(qiáng)度高的優(yōu)點，凝固后的墻體在外部壓力的作用下具有一定的塑性延展性，因此在沿空留巷、采空區(qū)充填、密閉墻填充和防滅火[3-8]等多工程領(lǐng)域均有應(yīng)用。

1 概況

棋盤井煤礦9#煤層為自燃煤層，自然發(fā)火期短[9-12]。平均埋深400 m 的0903 工作面處于回采末期，計劃在該工作面回采巷道采用高水速凝砂漿材料構(gòu)筑密閉墻，兼顧快速高效密閉、服務(wù)周期長、承壓效果強(qiáng)的目標(biāo)，實現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)效益雙重目標(biāo)的效果。

0903 工作面巷道為矩形斷面，寬度為5 m，高度為3 m，基本頂為均厚6 m 的中粒砂巖，直接頂為均厚6 m 的砂質(zhì)泥巖，底板為鋁質(zhì)泥巖。巷道的支護(hù)設(shè)計如圖1。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計斷面圖（mm）

頂板與兩幫均采用間排距為900 mm×900 mm的Ф20 mm×2200 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨固端采用兩支MSZ2360 樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固，錨桿配套托盤尺寸為125 mm×125 mm×10 mm（碟形）（厚度不小于9.5 mm），頂錨桿預(yù)緊力不小于100 kN，幫錨桿預(yù)緊力不小于60 kN。在頂板布置間排距為1500 mm×1800 mm的Ф21.6 mm×7200 mm 錨索，每排3 根。錨索間用300 mm×3500 mm 的W 型鋼帶進(jìn)行連接，錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

2 密閉墻正交試驗方案設(shè)計

采空區(qū)永久密閉與聯(lián)絡(luò)巷密閉墻需具有防火性能，其穩(wěn)定性是不可忽視的關(guān)鍵點。為了確保密閉墻穩(wěn)定，達(dá)到安全高效防滅火的需求，需要充分考慮影響密閉墻穩(wěn)定性的因素，具體如下：

1）墻體抗壓強(qiáng)度

由圖2 可知，高水砂漿速凝材料試件的單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比有關(guān)，水灰比由3:1 減小至1.5:1 時，試件的抗壓強(qiáng)度增加了9.3 MPa。應(yīng)選取合適的水灰比，確保墻體承載不破壞，同時兼顧一定經(jīng)濟(jì)性。

圖2 高水速凝砂漿材料水灰比-應(yīng)力曲線

2）墻體厚度

密閉厚度是保證密閉墻穩(wěn)定性的重要參數(shù)，它不僅直接影響密閉墻的堵漏風(fēng)效果，而且直接關(guān)系到密閉墻的構(gòu)筑成本。采空區(qū)永久密閉墻構(gòu)建于巷道口或停采線附近，與圍巖互相作用形成密閉墻結(jié)構(gòu)。聯(lián)巷密閉墻的位置及材料確定后，同樣需要考慮密閉墻的厚度。如若密閉墻厚度過大，墻體部分處于高應(yīng)力階段，在應(yīng)力傳遞作用下墻體會造成一定程度破壞。

3）圍巖壓力

高水速凝砂漿密閉墻的密閉效果不僅受水灰比、密閉墻厚度兩個主要內(nèi)在因素的影響，還受到工作面停采線的距離遠(yuǎn)近的影響。若離工作面停采線較近，巷道受采動應(yīng)力影響而變形加劇，密閉墻與巷道圍巖間易出現(xiàn)非協(xié)同變形，影響密閉效果。

因此，建立了三水平三因素的正交試驗方案，以探究密閉參數(shù)和圍巖壓力的耦合影響下密閉墻的密閉效果，各影響因素的水平設(shè)計見表1，正交試驗方案見表2。

表1 各影響因素水平設(shè)計

表2 正交試驗設(shè)計方案

3 正交方案數(shù)值模擬與效果分析

根據(jù)試驗方案，采用PFC-FLAC 離散—連續(xù)耦合計算方法[13]建立了如圖3 所示的密閉墻數(shù)值模型。模型采用線性平行鍵本構(gòu)模型，結(jié)合高水速凝砂漿材料的單軸抗壓強(qiáng)度，采用單元試錯法得到不同水灰比條件下的密閉墻模擬參數(shù)，見表3。

表3 密閉墻模型參數(shù)

圖3 密閉墻數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

依次對正交試驗9 個方案進(jìn)行模擬，采用損傷值（裂隙個數(shù):鏈接個數(shù)）定義密閉墻的破壞程度，即損傷值越大，密閉墻的破壞程度越大。模擬結(jié)果見表4 和圖4。

表4 各試驗方案密閉墻損傷值

圖4 各方案數(shù)值模擬裂隙

結(jié)合表4 和圖4 可知，裂隙先產(chǎn)生于密閉墻體邊角處，然后向中部擴(kuò)展，密閉墻中部裂隙密集度普遍少于四周裂隙密集度；水灰比為1:1 時的密閉墻裂隙最少，隨水灰比增大，密閉墻裂隙不斷增多；圍巖應(yīng)力為15 MPa 時的密閉墻裂隙最為密集，且同水灰比條件下，損傷值最大；密閉墻厚度為1 m時，即使部分區(qū)域未破壞，整體損傷值也較大。

根據(jù)裂隙分布情況，方案一、二、三、六的密閉墻受損較小，密閉效果較好，密閉墻損傷值均小于20%；方案八密閉墻受損程度有所增加，但中部區(qū)域相對完好，仍具有一定的密閉效果，密閉墻損傷值小于30%；方案五、七、九密閉墻受損嚴(yán)重，基本不具備密閉效果，密閉墻損傷值均大于40%。根據(jù)上述分析可知，當(dāng)密閉墻損傷值小于30%時，均具有密閉效果。

采用Origin 軟件對表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

公式擬合度為93.7，與模擬數(shù)據(jù)具有較高的擬合度。

3.2 模擬結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析不同因素對密閉墻損傷的影響，計算得到各因素下三個水平對應(yīng)的損傷均值以及水平間的極差，見表5。

表5 不同因素各水平損傷均值 %

由表4、5 可知，密閉墻損傷均值受高水速凝砂漿材料的水灰比的影響最大，當(dāng)水灰比為1:1 時，密閉墻的損傷均值為4.04%，當(dāng)水灰比為2:1 時，密閉墻的損傷均值為52.32%，極差為48.28。密閉墻損傷均值受圍巖應(yīng)力變化影響次之，當(dāng)圍巖應(yīng)力為5 MPa 時，密閉墻的損傷均值為13.17%，當(dāng)圍巖應(yīng)力為15 MPa 時，密閉墻的損傷均值為51.37%，極差為38.2。而密閉墻損傷均值受密閉墻厚度大小影響相對較小，損傷均值極差為27.23。原因如下：

1）當(dāng)外界作用載荷超過高水速凝砂漿材料的承載極限時，材料將發(fā)生破壞，導(dǎo)致密閉墻受損，而高水速凝砂漿材料水灰比為1:1 時的單軸抗壓強(qiáng)度為20.3 MPa，是水灰比1.5:1 時的1.62 倍，是水灰比2:1 時的2.26 倍。由此可見，隨水灰比降低，高水速凝砂漿材料澆筑的密閉墻抗破壞能力增強(qiáng)。

2）作用在密閉墻上的載荷隨圍巖應(yīng)力的變化而變化，當(dāng)局部載荷超過充填材料的抗壓強(qiáng)度時，密閉墻出現(xiàn)局部破壞，其整體承載能力也隨之降低。

3）由圖5 可知，密閉墻的破壞規(guī)律為由邊角到中部，由表面到內(nèi)部。當(dāng)密閉墻厚度較小且出現(xiàn)破壞時，墻體厚度方向的裂隙前后貫通，導(dǎo)致墻體整體破壞；當(dāng)密閉墻厚度較大時，沿密閉墻厚度方向中間部分存在未破壞的承載區(qū)域，密閉墻仍有很大的承載能力。

圖5 密閉墻裂隙分布圖

4 高水速凝砂漿材料充填參數(shù)及應(yīng)用

4.1 充填參數(shù)確定

為保證施工通風(fēng)安全，避免形成盲巷，決定在距大巷6 m 的位置施工密閉墻，密閉墻距設(shè)計停采線42 m。為保證長期密閉效果，密閉墻設(shè)計施工厚度為3 m。通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，工作面停采時巷道圍壓為9.5 MPa。將上述參數(shù)帶入式（1），計算得到高水速凝砂漿材料水灰比為1.5:1 時，密閉墻的損傷值為17.06%，小于30%，從密閉效果和經(jīng)濟(jì)性上綜合考慮，可采用此水灰比。

4.2 技術(shù)應(yīng)用

采用高水速凝砂漿材料快速構(gòu)筑密閉墻，主要由充填袋（長×寬×高=6 m×3.2 m×3.2 m）、高水速凝砂漿材料充填體、金屬網(wǎng)片、鋼筋梯子托梁和對拉錨桿等結(jié)構(gòu)組成，主要通過充填袋配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋托梁、對拉鋼筋形成內(nèi)、外側(cè)密閉墻，內(nèi)、外側(cè)密閉墻內(nèi)充填高水速凝砂漿材料，形成完整的密閉墻。

主要施工工序為：1）確定密閉位置-按規(guī)定掏槽-設(shè)置臨時支護(hù)；2）充填泵站準(zhǔn)備-清理密閉充填區(qū)域-支設(shè)護(hù)模單體液壓支柱-立模、穿對拉錨桿等-輸送漿液；3）密閉墻養(yǎng)護(hù)3 d 后拆護(hù)模單體，完成密閉。密閉墻施工示意圖如圖6。

圖6 密閉墻施工示意圖

5 結(jié)論

1）設(shè)計了影響密閉墻體穩(wěn)定效果主要因素的正交試驗，采用PFC-FLAC 離散—連續(xù)耦合計算方法建立了數(shù)值模型，通過單元試錯法得到了高水速凝砂漿材料的模擬參數(shù)。

2）密閉墻體邊角處最先出現(xiàn)破壞，然后裂隙向密閉墻中部開始擴(kuò)展，密閉墻中部裂隙密集度普遍少于四周裂隙密集度。

3）密閉墻的損傷值受高水速凝砂漿材料的水灰比的影響最大，受圍巖應(yīng)力變化影響次之，受密閉墻厚度大小影響相對較小。

4）基于現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果，從密閉效果和經(jīng)濟(jì)性上綜合考慮，確定高水速凝砂漿材料水灰比為1.5:1。