多級柔性防沖密閉技術研究

侯會偉 席敦剛 秦 鵬

（山東省天安礦業集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

煤礦進入深部開采以后，隨著地質環境惡化，以及煤巖體力學響應的非線性化，突發性重大災害顯著上升。其中，以沖擊地壓為代表的煤巖動力災害機理最復雜，防治難度最大，其次為礦井內因火災事故，沖擊地壓因其發生的突然性和劇烈的破壞特征對礦山安全構成很大的威脅。內因火災事故中密閉墻的治理是重中之重。當沖擊地壓與煤炭自然發火兩項重大風險疊加共存時，必須研究關鍵創新技術來有效應對防范重大風險，創新密閉技術就是其中之一。

星村煤礦目前主采3 煤層，其深埋、堅硬厚層頂底板，脆性煤層，開采區域內存在褶曲、斷層等構造的復雜地質條件，表明礦井已具備了發生沖擊地壓的典型條件。礦井所采三煤自然發火期短，回采工作面在回采過程及封閉后有可能誘發煤巖體內儲存的大量彈性能瞬間釋放從而發生沖擊地壓事故以及自然發火事故。中煤科工重慶煤科院試驗3 煤自然發火期為65 d；2011 年5 月，星村煤礦委托中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室對三采區3 煤巖層進行了沖擊傾向性鑒定，結論為強沖擊傾向性煤層。礦井在以往回采過程中多次發生自然發火事故以及沖擊地壓事故，星村煤礦埋藏深，沖擊危險性強，綜放工作面回采過程中大能量震動時常造成密閉墻破壞現象。以往綜放工作面回撤結束時曾經發生沖擊波沖毀順槽密閉墻倒塌傷人事件，給礦井的安全生產和采空區密閉治理增加了難度。

傳統綜放工作面回撤結束后大部分以磚密閉，對于沒有自然發火和沖擊地壓災害的礦井來說能夠滿足正常安全需求，但當存在單一自然發火或者沖擊地壓風險時，磚閉已經不能滿足安全生產的需要。為此，該礦研究試驗了雙墻夾墻密閉施工技術、采空區空巷充填技術、密閉外加設鋼絲繩懸掛全斷面金屬網技術形成多級柔性防沖密閉技術，能夠最大程度地減少密閉區內自然發火與沖擊地壓風險，完善礦井密閉區風險研判機制，提高礦井密閉治理水平，提升礦井安全生產保障能力。

2 多級柔性防沖密閉技術

根據沖擊地壓能量的不同，采用不同的防護方式進行設計，密閉防沖設計劃分為單級防護、二級防護與多級防護。其中磚墻防護為必要防護，代號為A；空巷充填代號為B；雙墻夾墻充填代號為C；鋼絲繩全斷面金屬網防護代號為D。通過單級防護、二級防護不同組合與多級防護不同組合來試驗設計密閉墻防護。

2.1 雙墻夾墻密閉施工技術

通過在兩順槽設計停采線位置分別施工厚度不小于0.5 m 的磚墻，中間充填無機發泡材料，達到有效封堵漏風的目的。該無機發泡材料反應溫度不超過50 ℃，發泡倍數可達8～10 倍，強度1 MPa，可以有效地進行充填堵漏。

2.2 采空區空巷充填技術

通過井上西風井注漿站大流量注超高水材料，或者通過井下氣動雙液泵注超高水材料。超高水充填材料主要由A、B 兩種料組成，分別與水充分混合均勻充填采空區。該材料凝固后的固體材料微膨脹、阻燃、防水、抗壓不分解。超高水材料與水混合比例1:8～1:10，水含量占95%～97%。

2.3 密閉外加設鋼絲繩懸掛全斷面金屬網技術

安設全斷面金屬網時，應用不小于10#鐵絲將金屬網聯到鋼絲繩上，聯接點為水平鋼絲繩和垂直鋼絲繩交叉點，交叉點采用“十字花”的方式進行連接。金屬網周邊與巷道接觸部分使用16#鐵絲進行連接，兩臨近連接點間距不大于200 mm。掛設全斷面金屬網時，由上向下進行掛網，兩張網不再進行搭接，用不小于16#鐵絲進行聯網，扣間距100 mm 左右。

圖1 多級柔性密閉示意圖

3 多級柔性防沖密閉技術試驗設計

3.1 能量計算

結合井上模擬的沖擊地壓能量設計，針對不同的能量等級驗證不同密閉的防護等級及其效果。借鑒中國礦業大學提供的能量等級換算公式，將沖擊地壓能量劃分為5 個階段，具體如下：

D=（lgx-1.8）/1.9

式中：D為能量等級；x為震動能量，J。

根據上述公式，結合星村煤礦及周邊沖擊地壓礦井實際情況，將沖擊地壓震動能量等級劃分為5個階段，具體見表1。

表1 能量等級與沖擊能量劃分

根據蓋斯定律、熱力學定律，借鑒安徽理工大學《二級煤礦許用乳化炸藥爆轟參數的理論計算》得知：若爆炸時環境的溫度為25 ℃，二級煤礦許用乳化炸藥各組分的生成熱之和為Q=5 522.82 kJ/kg。

通過上述結果采用炸藥對沖擊地壓能量進行等量模擬。按照上表所劃分的能量等級選擇5 份模擬同等能量的炸藥進行井上試驗。

3.2 能量模擬

分別選取與0.5 級能量、1 級能量、1.5 級能量、2 級能量、2.5 級能量相等同的炸藥，通過井上模擬的采空區對密閉防護等級進行試驗。選取不同的防護等級，二級防護：AB、AC、AD；多級防護：ABC、ABD、ACD、ABCD 對能量進行試驗結果驗證。試驗結果見表2。

表2 不同防護級別及效果檢驗表

實驗結果說明：“×”代表不能滿足要求；“√”代表滿足要求；“-”代表不需要進行驗證。當震動能量為0.5 時，單一磚墻防護即可滿足要求，故二級防護與多級防護不需進行驗證；當震動能量為1時，單一磚墻防護無法滿足要求，不同的二級防護均能滿足要求，故多級防護不需進行驗證；當震動能量為1.5 與2 時，二級防護無法滿足要求，三級防護能夠滿足要求，故多級防護不需進行驗證；當震動能量為2.5 時，三級防護無法滿足要求，多級防護能夠滿足要求。

3.3 試驗結論

根據試驗結果確定，單級防護只能抵御較低震動能量，二級防護抵御震動能量加強，當多級柔性密閉全部使用后，密閉墻防護等級達到最高等級。根據以上數據試驗，通過能量等級劃分，選取5 級能量作為試驗關鍵參數，以星村煤礦三采區采空區為試驗地點，采用多級柔性防沖密閉后經過歷時半年的觀察與數據檢測，能夠達到預期的效果，密閉墻體防護等級滿足生產需要。

4 總結

目前國內外在沖擊地壓礦井使用的密閉治理技術，多以噴涂堵漏、高分子發熱材料充填為主，具有一定的局限性。研究試驗并經實際應用表明，多級柔性防沖密閉技術，能夠有效保證礦井密閉治理的水平，解決了行業密閉治理關鍵技術問題，能夠有效防范沖擊地壓和自然發火疊加共存的重大風險。