新型密閉墻構(gòu)筑技術(shù)試驗(yàn)研究

牛澤斌

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

密閉墻為礦井通風(fēng)系統(tǒng)中重要構(gòu)筑物之一，起到隔絕風(fēng)流的作用。密閉墻形式繁多，包括磚石結(jié)構(gòu)、有機(jī)材料噴涂、充氣式、傘式、有機(jī)發(fā)泡材料填充、粉煤灰加膠凝材料等，其中以木板、磚石結(jié)構(gòu)和混凝土密閉墻應(yīng)用最為廣泛，但同樣存在許多問題，如材料運(yùn)輸量大、依賴人工、工時(shí)長、接頂差、強(qiáng)度低、易碎漏風(fēng)等問題[1-3]。本文以趙莊煤業(yè)1310工作面橫川永久密閉為工程背景，試驗(yàn)新型密閉墻構(gòu)筑技術(shù)，以期能夠解決傳統(tǒng)密閉墻存在的問題。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)1310 工作面開采3#煤層，平均厚度4.5 m，工作面走向長2800 m，傾向長220 m，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法。工作面布置三條順槽，13101 巷、13102 巷、13103 巷，采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，13103 巷、13101 巷進(jìn)風(fēng)，13102 巷回風(fēng)。其中13103 巷為上一工作面遺留下來的復(fù)用巷道。13101 巷和13102 巷之間保護(hù)煤柱寬度55 m，兩巷之間每隔150 m 布置一條橫川，如圖1 所示。

圖1 工作面巷道及橫川位置示意圖

橫川設(shè)計(jì)寬度5 m，高度4.5 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。頂板為全錨索，排距1.2 m，每排3 根，間距1.1 m，錨索長度7.4 m；兩幫為“錨桿+錨索”支護(hù)方式，錨桿每排5 根，排距1.2 m，間距1 m，長度2.4 m；錨索排距2.4 m，間距2 m，長度5.4 m。巷道支護(hù)斷面如圖2 所示。

2 傳統(tǒng)密閉墻構(gòu)筑方式及存在問題

由于尾巷通風(fēng)方式已經(jīng)被明令禁止，因此需要選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行13102 工作面的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整。在污風(fēng)流通過工作面前方第一個(gè)橫川進(jìn)入13102 回風(fēng)巷，永久密閉時(shí)間節(jié)點(diǎn)為工作面即將通過該橫川時(shí)，留出一定時(shí)間構(gòu)筑永久密閉。

圖2 橫川支護(hù)斷面圖

2.1 構(gòu)筑方式

以往趙莊煤業(yè)普遍采用磚石結(jié)構(gòu)永久密閉墻，總厚度3 m，在兩側(cè)各構(gòu)筑0.8 m 磚墻作為前、后擋墻，中部1.4 m 采用粉煤灰和水泥基材料人工填充，水灰比0.3～0.4:1，灌注結(jié)束后養(yǎng)護(hù)7 d，達(dá)到10 MPa 左右整體強(qiáng)度。如圖3 所示。

按照橫川寬度5 m，厚度3 m，高度4.5 m，每堵密閉墻充填體積約67.5 m3，5 個(gè)人需要9 個(gè)班完成作業(yè)。每堵墻材料費(fèi)、人工費(fèi)成本約18 萬元。

圖3 傳統(tǒng)密閉墻構(gòu)筑示意圖

2.2 傳統(tǒng)密閉墻施工存在的問題

（1）材料運(yùn)輸量大，不具備運(yùn)輸條件區(qū)域進(jìn)料困難；

（2）幾乎全部依靠人工，工時(shí)長，勞動強(qiáng)度大；（3）充填物有泌水、倒縮現(xiàn)象；

（4）頂部依靠人工徒手塞入，接頂困難，頂部容易漏風(fēng)；

（5）墻體強(qiáng)度低，抗壓性能差，整體抗壓強(qiáng)度不足10 MPa；

（6）剛性墻體不可壓縮，受壓后發(fā)生開裂、漏風(fēng)；

（7）強(qiáng)度增長緩慢，粉煤灰、水泥需要7 d 以上才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，影響使用，并且造成施工緊張；

（8）兩側(cè)破碎巷幫存在漏風(fēng)，材料對兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶充填效果較差。

3 新型密閉墻構(gòu)筑技術(shù)

3.1 構(gòu)筑方式

新型密閉墻采用“兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶淺孔注漿+中部柔模袋澆筑墻體”方式，如圖4 所示。

圖4 新型密閉墻構(gòu)筑示意圖

3.1.1 淺孔注漿

兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶淺孔注漿，孔深5～10 m，視破碎深度確定，鉆孔間排距2 m×2 m。通過注漿將裂隙、孔洞等漏風(fēng)通道封閉，并加固圍巖，提高抗變形能力，加強(qiáng)對頂板承載作用。

3.1.2 柔模袋澆筑墻體

在密閉位置兩側(cè)支設(shè)木點(diǎn)柱、木板、鋼筋網(wǎng)，作為兩側(cè)簡易模板。將柔模袋吊掛在頂板上，兩邊固定在巷幫。柔模袋采用抗靜電、阻燃風(fēng)筒布制作成長方體，尺寸長×寬×高=5.2 m×3.2 m×3.7 m，每個(gè)邊長都留20 cm 富余量。柔模袋上部加工有2個(gè)充填袖口，1個(gè)用于灌注，1個(gè)用于排氣。柔模袋前、后兩面預(yù)留有對穿錨桿袖口，共3 排，每排4 根。提前預(yù)埋對穿錨桿、上托盤，扎緊袖口。充填結(jié)束1 d 后，墻體已經(jīng)完全硬化，實(shí)施張拉預(yù)緊?，F(xiàn)場實(shí)景如圖5 所示。

圖5 “柔模袋+對穿鋼筋”現(xiàn)場實(shí)景

3.2 新型密閉墻材料性能

新型密閉墻材料為兩種無機(jī)粉料，分A、B 型，同時(shí)可用于兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶注漿和柔膜袋灌注。

兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶注漿采用水灰比為0.8:1，1～3 min 失去流動性，8～15 min 完全固化，2 h強(qiáng)度可達(dá)10 MPa 以上。

柔模袋灌注采用1:1～1.5:1 水灰比，根據(jù)強(qiáng)度要求選擇，水灰比越小強(qiáng)度越大，單立方材料消耗越多。加入1.5%的聚丙烯纖維，提高墻體韌性。最后接頂階段加入1%發(fā)泡劑，使充填體主動膨脹接頂。以1:1 水灰比為例，約10 min 失去流動性，20～30 min 完全固化，2 h 強(qiáng)度為6 MPa，1 d 強(qiáng)度10 MPa，7 d 強(qiáng)度12 MPa。

新型密閉墻材料成本約2000 元/t。

3.3 充填系統(tǒng)

用兩臺螺桿泵和管路。螺桿泵集攪拌、輸送功能于一體，長×寬×高=1.6 m×0.75 m×0.92 m，質(zhì)量40 kg。兩臺螺桿泵分別泵送A、B 兩種漿液，在充填點(diǎn)進(jìn)行混合。

螺桿泵充填系統(tǒng)如圖6 所示。

3.4 技術(shù)優(yōu)勢

（1）采用攪拌泵送灌注方式，減小了勞動強(qiáng)度。

（2）施工速度快，2 個(gè)班即可完成。一個(gè)班完成兩側(cè)注漿、吊掛柔模袋工作，下一個(gè)班完成灌注充填。

（3）材料消耗少。單立方用料0.55～0.72 t。

（4）強(qiáng)度增長快。隨灌隨硬，2 h 即具備較高強(qiáng)度，1 d 達(dá)到最終強(qiáng)度的70%以上。

（5）主動膨脹接頂。頂部最后階段充填加入了發(fā)泡劑，有5%～20%的膨脹率，能夠壓實(shí)貼合頂板，避免漏風(fēng)。

（6）墻體強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度高。墻體可以達(dá)到8～18 MPa 強(qiáng)度，墻體中含有纖維，并施加有對穿鋼筋，即使頂板壓力較大壓壞，能夠“碎而不裂”，不剝落，不漏風(fēng)，殘余強(qiáng)度能夠達(dá)到最高強(qiáng)度的70%以上，持續(xù)承載。

（7）有一定的可壓縮性。頂部膨脹部分，壓縮量可達(dá)20%～30%，頂板來壓時(shí)，起到緩沖作用，適應(yīng)頂板下沉，避免過早壓碎。

綜合測算，構(gòu)筑一堵新型密閉墻，材料費(fèi)、人工費(fèi)成本約14 萬元。

圖6 螺桿泵充填系統(tǒng)示意圖

4 效果考察

4.1 墻體變形

從構(gòu)筑完畢開始，在密閉墻附近布置十字表面位移測點(diǎn)開始觀測，一直觀測到工作面后方500 m頂板垮落穩(wěn)定為止。頂板累計(jì)下沉量100 mm，兩幫移近量210 mm，底鼓量300 mm。墻體邊緣受擠壓呈“蘑菇”狀，在頂板劇烈變形階段很好地起到了讓壓作用，墻體結(jié)構(gòu)較為完整，未發(fā)生嚴(yán)重變形、碎裂情況。

4.2 墻體內(nèi)外壓差

密閉墻構(gòu)筑結(jié)束后，安裝上、中、下3 組內(nèi)外壓差計(jì)，與墻體變形同時(shí)觀測。發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壓差始終保持在15 Pa 左右，沒有出現(xiàn)突然變化情況，表明密閉效果良好。

5 結(jié) 論

（1）趙莊煤業(yè)傳統(tǒng)密閉墻采用磚石結(jié)構(gòu)，存在效率低、人工勞動強(qiáng)度大、強(qiáng)度增長緩慢、容易開裂漏風(fēng)等問題。

（2）新型密閉墻采用“兩側(cè)破碎漏風(fēng)帶淺孔注漿+中部柔模袋澆筑墻體”方式，采用新型密閉墻材料，大幅提高了施工效率。墻體具備強(qiáng)度增長快、主動膨脹接頂、讓壓可縮、殘余強(qiáng)度高等技術(shù)優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)密閉墻的缺點(diǎn)。

（3）效果考察表明，墻體能夠適應(yīng)頂板變形規(guī)律，在頂板劇烈下沉期間可縮讓壓，避免墻體壓裂，在頂板穩(wěn)定后有較高的殘余強(qiáng)度持續(xù)承載，限制圍巖進(jìn)一步變形，緊貼巷幫，防止漏風(fēng)。