深井采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑原理及應(yīng)用

宋紅華，黃玉誠，張　博

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

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深井采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑原理及應(yīng)用

宋紅華1，黃玉誠1，張博2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]通過分析在殘余支承壓力作用下密閉墻墻體與圍巖系統(tǒng)協(xié)調(diào)變形機(jī)制和載荷的傳遞機(jī)理，建立了墻體與圍巖系統(tǒng)的耦合作用模型，提出了“采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)”的概念?；?“柔性”密閉墻原理，探索了深井采空區(qū)密閉墻墻體的一些新的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了采用微膨脹高水材料作為墻體，在墻體靠近頂板處采用中度膨脹材料使墻體的膨脹接頂，再用中度膨脹高水材料對密閉墻上方垮落帶巖層進(jìn)行注漿，阻隔采空區(qū)與外界導(dǎo)氣通道的采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)的構(gòu)筑工藝，并在邢東礦1127工作面成功進(jìn)行了應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)；耦合作用；膨脹高水材料；導(dǎo)氣通道

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.002

[引用格式]宋紅華，黃玉誠，張博.深井采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑原理及應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20(5)：6-10.

深部煤炭開采存在著地應(yīng)力大、瓦斯涌出量高等問題，工作面停采后，在支承壓力由初期的不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的殘余支撐壓力的過程中回采巷道動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、變形量大[1-2]，這對采空區(qū)密閉墻的承載、變形能力和氣密性等方面提出了新的要求[3]。

長期以來，人們對構(gòu)筑密閉墻新材料的應(yīng)用方面取得了長足的進(jìn)展[4-7]，但針對深井巷道采空區(qū)密閉墻的構(gòu)筑方式和構(gòu)筑機(jī)理，目前尚無專門研究，深井密閉墻由于墻體脫皮、開裂以及墻體周邊、圍巖中導(dǎo)氣裂隙的存在等原因而造成密閉墻失效的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。為此，本文從采空區(qū)密閉墻與周圍巖石的相互作用機(jī)理、采空區(qū)密閉的形式以及構(gòu)筑材料的選擇方面對采空區(qū)的密閉進(jìn)行了研究。

1墻體與圍巖相互作用原理

采空區(qū)密閉墻是工作面停采后，在停采線與主要運(yùn)輸巷道之間采用筑砌、充填等方式構(gòu)筑的，與其周圍煤巖共同作用起到隔離采空區(qū)和井下其他作業(yè)區(qū)域作用的密實(shí)墻體，其與周圍煤巖及頂板巖梁組成的系統(tǒng)如圖1所示。

1—頂板巖梁；2—塑性區(qū)；3—頂板破碎區(qū)；4—采空區(qū)密閉墻；5—兩幫破碎區(qū)及塑性區(qū)圖1　采空區(qū)密閉墻與圍巖系統(tǒng)示意

采空區(qū)密閉墻筑砌后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)處于巷道周圍應(yīng)力重新分布的過程中。在這個(gè)過程中，巷道頂板巖梁在殘余支承壓力作用下下沉變形，使過多的壓力向巷道兩幫深部煤體轉(zhuǎn)移。頂板巖梁在下沉過程中，會(huì)受到巷道塑性區(qū)圍巖的約束，從而將其上的一部分力和變形傳遞給塑性區(qū)巖石。處于極限平衡狀態(tài)的塑性區(qū)巖石，會(huì)因受力增大導(dǎo)致其莫爾應(yīng)力圓半徑增大，并最終與其強(qiáng)度包絡(luò)線相交，致使塑性區(qū)巖石被破壞(圖2)，圍巖破碎區(qū)范圍也隨之增大。同時(shí)，巷道破碎區(qū)巖石由于自身的碎脹性和吸收塑性區(qū)傳遞下來的頂板巖梁的變形，會(huì)向巷道方向位移，對采空區(qū)密閉墻產(chǎn)生一定擠壓力。隨破碎區(qū)范圍的增加，破碎區(qū)巖石因自身碎脹性而相互擠壓產(chǎn)生的擠壓力以及因其向巷道位移而使密閉墻產(chǎn)生的支承反力均隨之增加，破碎區(qū)巖石對塑性區(qū)巖石產(chǎn)生的圍壓也隨之增加。當(dāng)破碎區(qū)范圍的增大與頂板巖梁的下沉變形發(fā)展到一定程度后，由破碎區(qū)巖石以及密閉墻對塑性區(qū)產(chǎn)生的圍壓與頂板巖梁傳遞下來的載荷達(dá)到平衡，破碎區(qū)范圍的增大與頂板巖梁的下沉變形停止，在密閉墻周圍再次形成穩(wěn)定的塑性區(qū)和破碎區(qū)。在這個(gè)過程中，頂板巖梁、巷道圍巖、密閉墻組成的系統(tǒng)耦合作用、協(xié)調(diào)變形，這為采空區(qū)密閉墻的構(gòu)筑提供了新的思路。

圖2　塑性區(qū)圍巖各階段莫爾圓與強(qiáng)度包絡(luò)線關(guān)系

2采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)的構(gòu)筑技術(shù)

2.1　采空區(qū)密閉方式的選擇

深井巷道圍巖破碎區(qū)范圍較大，在巷道周邊破碎區(qū)圍巖中往往存在導(dǎo)氣通道，普通密閉墻構(gòu)筑后會(huì)因不能有效隔絕采空區(qū)與空氣的接觸而造成密閉墻的“失效”。為此，針對深井巷道采空區(qū)密閉的需要，提出“采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)”的概念，即在構(gòu)筑密閉墻的同時(shí)，對密閉墻周圍巖石中存在的導(dǎo)氣裂隙采用注漿封堵的方式，使密閉墻和其周圍煤巖共同作用來實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)的密閉。

傳統(tǒng)密閉墻一般有“柔性”和“剛性”2種形式[8]。在深井集中應(yīng)力作用下，剛性密閉墻墻體及其周邊煤巖很容易被破壞。

基于“讓壓”原理，“柔性”密閉墻墻體具有一定的變形能力，可以隨著頂板巖梁和周圍煤巖的變形而協(xié)調(diào)變形，充分吸收頂板巖梁以及破碎區(qū)圍巖傳遞到密閉墻墻體上的變形，防止采空區(qū)密閉墻因過載而被破壞。在深井條件下為了避免破碎區(qū)范圍過大，防止破碎區(qū)與塑性區(qū)巖石間出現(xiàn)離層以及導(dǎo)氣裂隙的增多和范圍的擴(kuò)大，新型密閉墻墻體除了具有一定的“柔性”外，還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，能承受密閉墻墻體上方垮落帶巖石重量，抑制破碎區(qū)的發(fā)展。

2.2　構(gòu)筑材料

高水材料是一種具有高固水能力、速凝早強(qiáng)性能的新型凝膠材料。由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研制的膨脹固化劑(以下簡稱“KDB”)有微膨脹劑和中度膨脹劑2種，可以使均勻混合后的高水充填料漿在凝固前20～40min膨脹，膨脹系數(shù)可根據(jù)工程需要在0～100%的范圍內(nèi)調(diào)制。

與巖石相比，高水材料的充填體強(qiáng)度、彈性模量均較低，具有良好的變形能力和一定的承載能力[9]。在高水材料中加入KDB組成的膨脹高水材料，可通過配比調(diào)節(jié)其充填體的強(qiáng)度、彈性模量、體積模量，使充填體適應(yīng)圍巖的變形，持續(xù)保持對頂板的支承能力以及對采空區(qū)的密閉。

在密閉墻墻體的構(gòu)筑中，膨脹高水材料的膨脹作用可使密閉墻與巷道四周緊密結(jié)合，避免了因巷道表面不平或充填死角的存在，使充填物不能完全充滿密閉空間，在密閉墻周邊留下導(dǎo)氣通道的問題；在巷道注漿中，膨脹高水材料料漿凝固時(shí)可將裂隙脹實(shí)，很好地起到封堵破碎帶導(dǎo)氣裂隙的作用。

2.3　構(gòu)筑工藝

2.3.1密閉墻墻體的構(gòu)筑

采用膨脹高水材料對采空區(qū)密閉墻墻體進(jìn)行構(gòu)筑，可采用在預(yù)先留設(shè)好的密閉墻模具內(nèi)澆筑的方式進(jìn)行構(gòu)筑[10]， 即先在巷道兩側(cè)掏槽，在掏槽中先筑砌兩道無縫磚墻，巷道外側(cè)的磚墻在砌筑過程中留設(shè)充填管和出氣管入口，當(dāng)磚墻完成并硬化后，用泵送的方式將微膨脹高水材料料漿輸送到兩道磚墻之間，當(dāng)微膨脹材料達(dá)到一定高度時(shí)，再注入中度膨脹高水材料，如圖3所示。

圖3　充填密閉墻墻體構(gòu)筑示意

2.3.2頂板注漿工藝

微膨脹高水材料料漿粒度細(xì)、黏性低，在密閉墻墻體構(gòu)筑的過程中微膨脹高水材料在重力作用下會(huì)自動(dòng)流向密閉墻巷道兩幫裂隙，將巷道兩幫煤巖中存在的導(dǎo)氣裂隙充實(shí)。因此，采空區(qū)密閉系統(tǒng)圍巖注漿只需對密閉墻頂板上方破碎帶中的導(dǎo)氣裂隙采用中度膨脹材料進(jìn)行注漿即可。

實(shí)踐表明，采空區(qū)密閉墻頂板導(dǎo)氣裂隙主要分布在頂板垮落帶巖石中。因此，只需確定頂板垮落帶即可確定頂板巷道圍巖注漿深度和范圍，巷道頂板垮落帶高度和范圍可根據(jù)巷道礦壓的普氏理論進(jìn)行計(jì)算[11]，如圖4所示。

圖4　巷道頂板垮落帶高度計(jì)算示意

計(jì)算公式如下：

h=B/f

(1)

(2)

(3)

L=kh

(4)

式中，h為垮落帶的高度，m；B為自然平衡拱寬度的一半，m；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；b為巷道半寬，m；H為巷道高度，m；φ為巷道兩幫煤巖層的內(nèi)摩擦角，(°)；L為注漿深度，m；b′為垮落拱在巷道兩幫的投影距離，m；k為根據(jù)巷道深度和頂板破碎情況所取的安全系數(shù)。

在確定了注漿范圍后，可通過向密閉墻頂板注漿的方式，來完成對巷道頂板圍巖中導(dǎo)氣裂隙的封堵。

3應(yīng)用

邢東礦1127工作面，位于-760m水平，煤層厚3.5m，有自燃傾向；巷道直接頂為粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度30.4MPa，堅(jiān)固性系數(shù)f=3.04；現(xiàn)有支護(hù)條件下的兩幫煤層內(nèi)摩擦角為40°。為了解決因密閉墻周邊及圍巖中存在導(dǎo)氣裂隙，造成原密閉墻構(gòu)筑后存在巷道周邊向采空區(qū)透漏空氣的問題，邢東礦采用采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑技術(shù)對1127工作面的采空區(qū)進(jìn)行了密閉。

3.1　密閉墻及料漿參數(shù)的確定

(1)密閉墻構(gòu)筑參數(shù)的確定根據(jù)邢東礦地質(zhì)條件，在該礦原有密閉墻參數(shù)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)充填密閉墻構(gòu)筑工藝參數(shù)，確定1127工作面采空區(qū)密閉墻的構(gòu)筑工藝參數(shù)，如圖5所示。

圖5　充填密閉墻平面

(2)料漿參數(shù)的確定根據(jù)密閉墻寬高、巷道傾角、密閉墻頂板裂隙發(fā)育情況，對各種配比進(jìn)行膨脹性、充填體接頂性試驗(yàn)以及強(qiáng)度校核等得到濃度為27.5%，膨脹率為5%的微膨脹高水材料和膨脹率為20%的中度膨脹高水材料2種，其充填體相應(yīng)強(qiáng)度見表1。

表1　充填密閉材料形成的充填體強(qiáng)度

為保證充填體強(qiáng)度，提高密閉墻構(gòu)筑的質(zhì)量和效果，密閉墻墻體可采用以下方式進(jìn)行構(gòu)筑：首先使用微膨脹高水料漿充填，達(dá)到充填高度的80%后，再使用中度膨脹高水料漿充填，待密閉墻墻體穩(wěn)定后，再對巷道頂板用中度膨脹材料進(jìn)行注漿。

3.2　密閉墻頂板注漿

(1)注漿范圍根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料，由式(1)～(3)可以得到垮落帶高度和寬度：b′=1.63m，B=4.13m，h=1.36m。即，巷道頂板垮落帶高度為1.36m，但考慮到巷道埋深較大，頂板較破碎，取安全系數(shù)1.1，可得注漿高度為1.46m，取1.5m。

(2)注漿壓力密閉墻頂板注漿屬于滯后注漿，注漿時(shí)圍巖較為破碎，注漿壓力過大會(huì)破壞圍巖的結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)頂板破碎情況，1127工作面巷道頂板注漿時(shí)將注漿壓力保持在1～2MPa之間，最高為2MPa。

(3)鉆孔間距根據(jù)料漿在該裂隙巖體中流動(dòng)試驗(yàn)可知，注漿壓力為1MPa時(shí)漿液在頂板滲透距離R=1.8m。為使兩鉆孔的滲透距離有一定的重合，確保漿液滲透無盲區(qū)，可根據(jù)實(shí)際情況取一定的安全系數(shù)[12]，考慮到漿液在裂隙中的流動(dòng)情況以及注漿高度，取安全系數(shù)m=0.6，計(jì)算并取整得注漿孔間距為1m。

(4)鉆孔分布巷道注漿一般采用沿注漿范圍外邊界周長等距布孔的方式。由于采空區(qū)密閉墻頂板注漿時(shí)，密閉墻墻體已構(gòu)筑完畢，注漿時(shí)需從密閉墻巷道向密閉墻斜上方鉆孔，施工時(shí)鉆孔角度較難控制，質(zhì)量難以保證。為此，在密閉墻頂板上方采用間隔為1m等距布孔的方式確定鉆孔的數(shù)目及其分布。為防止注漿時(shí)漿液流到密閉墻墻體外側(cè)，保證頂板注漿能有效封堵頂板中導(dǎo)氣裂隙，根據(jù)漿液在裂隙中的流動(dòng)情況，確定鉆孔深入頂板水平長度為1.9m。

為了使現(xiàn)場施工人員能更好地把握鉆孔的角度，為施工提供足夠的空間，提高施工質(zhì)量、保證施工的安全性，鉆孔與密閉墻間留取0.8m安全距離。綜合以上分析，結(jié)合垮落帶形態(tài)確定鉆孔分布，如圖6所示。

圖6　鉆孔布置

4技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析

采用基于密閉墻和圍巖耦合作用機(jī)理的采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑技術(shù)以及膨脹高水材料的使用，使密閉墻和周邊煤巖組成一個(gè)整體，共同作用，起到隔離采空區(qū)的作用。

(1)1127工作面采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑3個(gè)月后，墻體保持完好，無開裂、脫皮現(xiàn)象，驗(yàn)證了采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)的構(gòu)筑原理的正確性。

(2)采用JSG-8型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑前、后采空區(qū)及密閉墻墻體外側(cè)氣體進(jìn)行檢測后得表2、表3。

表2　密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑前后采空區(qū)各氣體指標(biāo)

表3　密閉墻外側(cè)附近各氣體指標(biāo)

由表2知，采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑后，采空區(qū)O2濃度在5%以下，CO濃度在0.001%以下，C2H2濃度為0，根據(jù)采空區(qū)煤炭自燃所產(chǎn)生的各種有害氣體的種類、指標(biāo)特征，可判斷采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑后采空區(qū)未發(fā)生煤炭自燃現(xiàn)象[13]。

由表3可知，采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑后，密閉墻外側(cè)O2濃度、CH4濃度與正常生產(chǎn)巷道相當(dāng)，而CO濃度為0，這說明采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)有效地阻隔了采空區(qū)與O2的接觸，實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)的有效密閉，阻止了有害氣體的溢出。

(3)相比于水泥、水玻璃等注漿材料以及傳統(tǒng)的密閉墻構(gòu)筑工藝，高水膨脹材料料漿凝固時(shí)膨脹，避免了水泥、水泥-水玻璃等在注漿后凝固的過程中存在“固縮”現(xiàn)象，能更好地起到封堵破碎帶導(dǎo)氣裂隙的作用。新型密閉墻系統(tǒng)采用的泵送充填工藝實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、機(jī)械化作業(yè)，避免了人工搬運(yùn)構(gòu)筑材料、充填墻體的工序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也使密閉墻系統(tǒng)的構(gòu)筑過程中需要工人數(shù)由4~5人降低到3人，提高了煤礦生產(chǎn)的效率。

(4)相比于有機(jī)材料，高水材料、KDB膨脹劑均為無機(jī)材料，由二者組成的膨脹高水材料具有無毒、無害、不自燃、反應(yīng)溫度低、成本低、阻燃等特點(diǎn)，克服了在同樣密閉效果的情況下，有機(jī)材料阻燃性能差、反應(yīng)溫度高、發(fā)熱量大、成本高的問題，提高了煤炭生產(chǎn)的安全水平以及經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)論

(1)通過對采空區(qū)密閉墻構(gòu)筑后，在采空區(qū)密閉墻上方支承壓力重新分布過程中，采空區(qū)密閉墻和周圍煤巖應(yīng)力、變形的相互作用關(guān)系的分析，闡述了采空區(qū)密閉墻和其周圍煤巖的耦合作用的機(jī)理，提出了“采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)”的概念。

(2)在充分分析采空區(qū)密閉墻所受應(yīng)力和變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用以高水材料和KDB膨脹劑組成的膨脹高水材料，提出了以微膨脹高水材料為密閉墻主體，以中度膨脹高水材料對密閉墻頂板進(jìn)行注漿的采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑工藝，并在邢東礦1127工作面進(jìn)行了應(yīng)用。

(3)采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑技術(shù)在邢東礦1127工作面的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了采空區(qū)密閉墻系統(tǒng)構(gòu)筑技術(shù)的可行性，也證明了采空區(qū)密閉墻墻體和其周圍煤巖的耦合作用的原理模型的正確性。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Construction Theory and Application of Sealing Wall System against Gob in Deep Mine

SONG Hong-hua1，HUANG Yu-cheng1，ZHANG Bo2

(1.Resources & Safety Engineering School，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China； 2.Mechanics & Architecture School，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：By analyzing coordination deformation mechanism and load transformation mechanism between sealing wall and surrounding rock system under residual abutment pressure，the coupling action model of sealing wall and surrounding rock was set up and the concept of “sealing wall system against gob” was put forward.Based on flexible sealing wall theory，new characteristics of sealing wall against gob in deep mine was explored.It was put forward that applying expansion high-water material to be wall body，applying moderate expansion material near roof to connecting roof and to grouting into caving zone over sealing wall.Thus，air channels between gob and outer space were cut off.The construction technique of sealing wall system against gob was successfully in 1127 mining face in Xingdong Colliery.

Keywords：sealing wall system against gob；coupling action；expansion high-water material；air channel

[作者簡介]宋紅華(1988-)，男，河南商水人，在讀博士研究生，主要從事礦山壓力與圍巖控制方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2010YZ03)

[收稿日期]2015-03-09

[中圖分類號]TD7

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0006-05