礦井老舊密閉墻加固及有害氣體防治技術(shù)研究

祁 琪

（汾西礦業(yè)集團(tuán)安全管理部，山西 介休 032000）

隨著煤炭開(kāi)采深度以及開(kāi)采范圍增加，在生產(chǎn)過(guò)程中需要不斷等封堵采空區(qū)并調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)[1]。密閉墻是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)密閉、防治采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢的主要屏障。由于煤礦井下環(huán)境惡劣且復(fù)雜，密閉墻在采掘動(dòng)壓、長(zhǎng)期使用等因素綜合影響下會(huì)出現(xiàn)一定程度破碎，當(dāng)通風(fēng)調(diào)整時(shí)采空區(qū)內(nèi)有害氣體會(huì)隨著密閉墻裂隙涌出，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致安全事故[2-5]?，F(xiàn)階段礦井常用的密閉墻處理措施包括有密閉墻重新砌筑、表面噴漿、墻體內(nèi)充填等措施[6-7]。文中就在結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)以及研究成果，針對(duì)山西某礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件提出密閉墻體加固以及有害氣體防治技術(shù)措施，以期能更好的促進(jìn)礦井生產(chǎn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況概述

山西某礦井田開(kāi)采面積為25.62 km2，迄今礦井回采時(shí)間已超過(guò)60 年，井田淺部的賦存條件較好的侏羅紀(jì)煤層已基本回采完畢，現(xiàn)階段礦井生產(chǎn)逐漸向深度的二疊系煤層。礦井淺部的煤層采空區(qū)采用密閉墻密閉。根據(jù)礦井開(kāi)采方案，掘進(jìn)的材料斜井需與淺部煤層采空區(qū)向聯(lián)通，需要布置的密閉墻共計(jì)8 處，其中斷面積最大的密閉墻為侏羅紀(jì)4 號(hào)煤層回風(fēng)大巷密閉墻，墻體面積達(dá)到20 m2。

礦井密閉墻體原采用磚石砌筑，在2 道墻體間填筑黃土并通過(guò)澆筑水泥封頂?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，礦井已有密閉墻出現(xiàn)不同程度破碎情況，同時(shí)部分位置還監(jiān)測(cè)到CO 涌出情況。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同厚度密閉墻出現(xiàn)破碎時(shí)CO 涌出量有所差異，具體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的CO 涌出量與密閉墻封堵厚度間關(guān)系見(jiàn)圖1 所示。

圖1 CO 涌出量與密閉墻封堵厚度關(guān)系曲線

從圖1 中看出，隨著密閉墻體封堵厚度增加，密閉墻出口處CO 濃度有所降低，但是發(fā)現(xiàn)當(dāng)密閉墻封堵厚度在10 m 以內(nèi)時(shí)，密閉墻破碎導(dǎo)致的CO 涌出量超標(biāo)，而密閉墻封堵厚度在10 m 以上時(shí)即便出現(xiàn)破碎CO 涌出量仍在《煤礦安全規(guī)程》允許范圍內(nèi)。

2 密閉墻加固技術(shù)方案

2.1 加固技術(shù)措施選擇

礦井材料斜井密閉墻數(shù)量較多且均為永久密閉，若采用拆除重建方式不僅存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)而且重建過(guò)程中使用的砂漿、磚石等材料運(yùn)輸困難，同時(shí)若將所有的密閉墻重新拆除砌筑需要耗時(shí)在5個(gè)月以上，會(huì)嚴(yán)重影響礦井后續(xù)生產(chǎn)。

為降低密閉加固對(duì)礦井生產(chǎn)影響，文中結(jié)合以往研究成果以及密閉墻加固經(jīng)驗(yàn)，提出延伸密閉墻體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方式對(duì)密閉墻進(jìn)行加固，具體措施為：將所有的密閉墻封堵厚度均延伸至10 m 以上，并采用注漿法封堵密閉墻以及周邊巖體裂隙內(nèi)的漏風(fēng)通道，避免密閉墻體內(nèi)有害氣體外溢。

2.2 密閉墻延伸加固

密閉墻延伸加固包括兩個(gè)部分，分別為在密閉墻一側(cè)布置遠(yuǎn)端封閉、在遠(yuǎn)端封閉與密閉墻間布置阻隔帶。具體密閉墻延伸加固方案見(jiàn)下頁(yè)圖2 所示。

圖2 密閉墻延伸加固示意圖

在原有的密閉墻體內(nèi)側(cè)8 m 位置通過(guò)注入高膨脹材料構(gòu)筑遠(yuǎn)端封閉，遠(yuǎn)端封閉類似于擋漿墻，可在阻隔帶施工期間降低漿液外溢量。遠(yuǎn)端封閉設(shè)計(jì)厚度為1.0 m。具體遠(yuǎn)端封閉施工方案為：在現(xiàn)有的密閉墻頂部布置注漿鉆孔，鉆孔與兩側(cè)巷道壁間隔均為1.0 m、與密閉墻頂部間隔0.3 m，注漿鉆孔施工完畢后分別插入兩根長(zhǎng)度分別為10 m、12 m 的注漿管。通過(guò)注漿孔A、注漿孔B 分別向阻隔帶內(nèi)注入膨脹材料，選用的膨脹材料具有膨脹性能好、反應(yīng)時(shí)間可調(diào)以及強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

在遠(yuǎn)端封閉與原密閉墻中間的阻隔帶施工采用注漿方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)阻隔帶功能需要，采用的注漿材料以水泥單液漿為主，并采用高分子材料實(shí)現(xiàn)阻隔帶接頂。選擇使用的水泥單液漿水灰比為1∶1；高分子材料為雙組分材料，具有強(qiáng)度高優(yōu)點(diǎn)，材料反應(yīng)后可與墻面及四周巖體嚴(yán)密貼合，確保阻隔帶嚴(yán)密接頂。阻隔帶施工按照分層方式進(jìn)行，具體鉆孔布置方式見(jiàn)圖3 所示，其中第1—第3 鉆孔用以注入水泥單液漿，鉆孔間隔均為1.5 m；在距離密閉頂0.2 m處布置第4 鉆孔，用以入高分子材料灌注。

圖3 阻隔帶充填鉆孔布置示意圖

3 密閉墻體周邊漏風(fēng)裂隙封堵

采用注漿方式對(duì)密閉墻體周邊漏風(fēng)裂隙進(jìn)行封堵，結(jié)合現(xiàn)有的密閉墻體結(jié)構(gòu)以及延伸部分長(zhǎng)度，確定的密閉墻體漏風(fēng)通道注漿鉆孔長(zhǎng)度為5.0 m。由于漏風(fēng)裂隙多為小縫隙裂隙，采用大顆粒注漿材料難以實(shí)現(xiàn)裂隙有效封堵，為此文中選擇采用可注性好、黏度低、強(qiáng)度高的高分子固結(jié)材料（MK-1 型）。該種注漿材料包含A、B 兩種組分材料，按照1∶1 的質(zhì)量配比混合并通過(guò)注漿泵將高分子材料注入到漏風(fēng)裂隙中，通過(guò)材料在漏風(fēng)裂隙中反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)裂隙封堵。根據(jù)以往注漿封堵經(jīng)驗(yàn)，確定注漿漿液擴(kuò)散半徑為1.0 m，注漿壓力選擇為1.0 MPa。

注漿鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合包括注漿半徑、注漿范圍等，確保注漿后可在密閉墻周邊形成嚴(yán)密的防護(hù)帷幕。為此，設(shè)計(jì)的注漿鉆孔布置方案見(jiàn)圖4 所示，在密閉墻兩側(cè)及頂板位置各布置2 排注漿鉆孔，鉆孔布置呈梅花樁形式，內(nèi)圈鉆孔、外圈鉆孔與密閉墻間水平距離分別為1.0 m、2.0 m、分別布置8 個(gè)、11個(gè)。鉆孔均為二開(kāi)結(jié)構(gòu)，一開(kāi)長(zhǎng)度500 mm、孔徑94 mm 并下方75 mm 鋼套管，二開(kāi)長(zhǎng)度4 500 mm、孔徑50 mm。

圖4 漏風(fēng)裂隙注漿鉆孔布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

礦井密閉墻加固以及漏風(fēng)裂隙封堵等工作共計(jì)耗時(shí)60 d，再完成加固后對(duì)密閉墻體封閉采空區(qū)內(nèi)溢出的有害氣體進(jìn)行巡檢。在后續(xù)巡檢過(guò)程中均未發(fā)現(xiàn)密閉墻及周邊出現(xiàn)縫隙，對(duì)CO 濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)CO 濃度監(jiān)測(cè)濃度均0。

通過(guò)對(duì)密閉墻進(jìn)行延伸加固并封堵周邊漏風(fēng)通道，可實(shí)現(xiàn)老舊采空區(qū)有效密閉，同時(shí)采用的加固措施耗時(shí)短、安全系數(shù)高以及作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度較低。

5 結(jié)論

老舊采空區(qū)內(nèi)積聚有大量的有毒有害氣體，采空區(qū)密閉是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行并避免采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢的主要措施。受到采動(dòng)動(dòng)壓以及部分密閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素影響，密閉墻體及周邊巖體出現(xiàn)漏風(fēng)裂隙，如何實(shí)現(xiàn)密閉墻加固以及漏風(fēng)裂隙封堵是礦井生產(chǎn)過(guò)程中需重點(diǎn)解決問(wèn)題。

文中針對(duì)礦井老舊密閉墻體厚度小、密閉效果差等問(wèn)題，提出采用密閉墻體延伸加固、注漿封堵漏風(fēng)裂隙等方式降低采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢，并具體對(duì)加固技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，密閉墻體封堵效果得以明顯提升，密閉墻體外未再監(jiān)測(cè)到CO，取得較好的密閉加固效果。