多水平老舊密閉墻加固與有害氣體防治技術(shù)研究

梁 敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

我國是煤炭開采大國，近年來隨著開采深度的不斷增加，礦井通風(fēng)系統(tǒng)普遍面臨改造和升級(jí)，在通風(fēng)系統(tǒng)改造過程中，密閉墻內(nèi)有害氣體的外溢會(huì)威脅礦工生命安全[1-4]。密閉墻是保障煤礦井下通風(fēng)安全的重要設(shè)施，可阻隔井下有害氣體[5-8]。但井下復(fù)雜的礦壓變化特性會(huì)使長期服役的密閉墻產(chǎn)生不同程度的破損，在通風(fēng)方法發(fā)生重大改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致有害氣體溢出發(fā)生事故。因此，在通風(fēng)方法改變前需對(duì)老舊密閉墻進(jìn)行治理。目前對(duì)密閉墻的治理方法主要有重新砌筑、墻體表面噴漿、墻內(nèi)充填等方法[9-14]。重新砌筑耗時(shí)較長且安全隱患巨大，此種方法多用于永久密閉墻的治理。墻體表面噴漿主要針對(duì)密閉表面及周邊進(jìn)行修復(fù)，噴漿材料多為水泥漿類無機(jī)系材料，隨著時(shí)間增長材料的隔絕性能將逐漸降低。密閉內(nèi)充填多采用聚氨酯類材料，通過材料混合反應(yīng)后充填密閉內(nèi)的空隙，可以起到較好的治理效果，但治理方式多集中于密閉墻體內(nèi)部，此種方法由于沒有從結(jié)構(gòu)上改變密閉墻的特征，在礦壓的時(shí)空作用下，墻體內(nèi)及周邊圍巖會(huì)隨著時(shí)間推移出現(xiàn)新的漏風(fēng)通道。

當(dāng)前對(duì)老舊密閉墻的治理方法較為局限，僅從單一修復(fù)角度著手，沒有從技術(shù)、安全、可靠性及耐久性角度考慮密閉墻的防護(hù)性[15]。筆者通過數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)通風(fēng)方法改變后不同結(jié)構(gòu)受損條件下的密閉墻隔絕性進(jìn)行模擬，提出了模擬分析—遠(yuǎn)端封閉—充填治理—圍巖漏風(fēng)通道封堵的老舊密閉墻全方位治理技術(shù)。實(shí)踐證明，在不拆除密閉墻的條件下起到了防止有害氣體外溢的作用，可為今后類似通風(fēng)系統(tǒng)改造時(shí)的密閉墻治理提供參考。

1 密閉墻概況及數(shù)值模擬分析

1.1 密閉墻概況

四老溝礦位于大同市西南區(qū)域，坐落在七峰山腳下，井田面積29.83 km2，經(jīng)過50多年的開采，侏羅紀(jì)煤炭資源儲(chǔ)量已接近枯竭，開采接替迫在眉睫，礦井正在向石炭二疊系煤層開拓。因開拓時(shí)要改變礦井通風(fēng)方法，即將壓入式通風(fēng)改為抽出式通風(fēng)，為保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全改造，需對(duì)材料斜井內(nèi)的多水平老舊密閉墻進(jìn)行治理，確保通風(fēng)系統(tǒng)改造后密閉墻內(nèi)的有害氣體不發(fā)生外溢。

四老溝礦材料斜井分別與已開采的侏羅系2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和11號(hào)煤層共計(jì)4個(gè)水平相聯(lián)通，以上聯(lián)通巷道與斜井銜接處均施工有密閉墻，共計(jì)8處。斷面積最大的為4號(hào)層回風(fēng)大巷及回風(fēng)繞道密閉墻，斷面積達(dá)到20 m2。原有各水平密閉墻厚度為2 m，結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外2道墻體，墻體采用磚石砌筑，中間填筑黃土并用水泥漿封頂。根據(jù)實(shí)地探查，材料斜井內(nèi)大部分密閉墻存在不同程度的破損，部分密閉還曾出現(xiàn)過CO溢出。在目前的壓入式通風(fēng)條件下，材料斜井內(nèi)的風(fēng)壓大于各水平密閉墻內(nèi)巷道的壓力，有害氣體外溢的可能性小，但因密閉墻修筑年代久遠(yuǎn)，完整性及密封性受到不同程度損害。通風(fēng)方法改變后，在壓差作用下密閉墻內(nèi)有害氣體發(fā)生外溢的可能性劇增，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。斜井內(nèi)密閉墻位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 材料斜井內(nèi)密閉墻位置示意Fig.1 Location of the enclosed wall in the material inclined well

1.2 數(shù)值模擬分析

為保證密閉墻的長期安全使用，以4號(hào)層車場(chǎng)回風(fēng)巷密閉墻為例，采用Fluent軟件研究通風(fēng)方法改變后受損密閉內(nèi)有害氣體外溢規(guī)律。模型如圖2所示，拱形斷面巷道為材料斜井，矩形斷面巷道為4號(hào)層車場(chǎng)回風(fēng)巷，原有舊密閉墻厚2 m，距材料斜井10 m。當(dāng)通風(fēng)方法由壓入式變?yōu)槌槌鍪綍r(shí)，在材料斜井和4號(hào)層回風(fēng)巷位置砌筑密閉。為提高模擬計(jì)算精度，對(duì)模型做出適當(dāng)簡化，將受損密閉墻視為多孔介質(zhì)材料，孔隙率為0.1，黏滯阻力取5×107m-2[16]。湍流模型為k-εRNG湍流模型，開啟組分模型[17]，進(jìn)口1為速度進(jìn)口，8 m/s；進(jìn)口2為壓力進(jìn)口，壓差為1 000 Pa，CO濃度設(shè)置為150×10-6；出口為壓力出口，相對(duì)壓力為0。開展密閉厚度為2、4、6、8、10、12 m的出口CO濃度變化規(guī)律研究。

圖2 4號(hào)層車場(chǎng)回風(fēng)巷模型Fig.2 Model of No.4 return air lane of floor parking lot

模型切面上不同封堵厚度的CO濃度分布云圖如圖3所示。由圖3可知，CO在整個(gè)4號(hào)層回風(fēng)巷濃度最大，當(dāng)CO流進(jìn)材料斜井時(shí)迅速被稀釋。在封堵厚度為2 m時(shí)，材料斜井有明顯的CO流出，且CO分布范圍最大；隨著封堵厚度的增加，CO流出濃度逐漸減小，CO分布逐漸向墻壁收縮；當(dāng)封堵厚度為8 m時(shí)，僅能在墻壁邊緣位置觀察到CO泄漏；在封堵厚度為10 m時(shí)，CO泄漏量顏色最暗，泄漏量最少。模擬結(jié)果證明在抽出式通風(fēng)條件下，隨著封堵厚度的增加，受損密閉內(nèi)CO外溢規(guī)律呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 不同封堵厚度CO運(yùn)移規(guī)律Fig.3 Migration law of CO with different plugging thickness

材料斜井出口截面上不同封堵厚度的CO濃度分布云圖如圖4所示。在封堵厚度為2 m時(shí)，出口截面能看到明顯的CO流出，且分布范圍較廣；隨著封堵厚度的增加，出口截面顏色逐漸變暗，CO濃度逐漸減小，分布逐漸向墻壁收縮；在封堵厚度為10 m時(shí)，CO泄漏量顏色最暗，僅有墻壁邊緣位置有少量CO分布。模擬結(jié)果證明封堵厚度可以有效減少截面CO的濃度和分布范圍。

圖4 不同封堵厚度出口截面CO分布規(guī)律Fig.4 Distribution of CO in outlet section with different plugging thickness

為進(jìn)一步定量分析受損密閉墻厚度與CO外溢量之間的關(guān)系，提取材料斜井出口截面的平均CO濃度和最大CO濃度，見表1，繪制曲線如圖5所示。

表1 封堵厚度對(duì)CO濃度影響結(jié)果Tab.1 Effect of plugging thickness on CO concentration

圖5 不同封堵厚度出口截面CO濃度Fig.5 Concentration of CO in outlet section with different plugging thickness

由圖5可知，隨著封堵厚度的增加，出口截面平均CO濃度逐漸降低，但厚度對(duì)平均CO濃度影響較小，均在24×10-6以下；但截面最大CO濃度隨著封堵厚度的增加變化量較大，僅在封堵厚度為10 m時(shí)，CO為21×10-6，降低到《煤礦安全規(guī)程》要求的24×10-6以下。模擬結(jié)果表明，通風(fēng)方法改變后，當(dāng)墻體厚度大于等于10 m時(shí)即使存在破損，對(duì)有害氣體的隔絕性仍能滿足《煤礦安全規(guī)程》要求。

2 設(shè)計(jì)原則及方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

四老溝礦材料斜井內(nèi)密閉墻數(shù)量眾多且全部為永久密閉墻，因侏羅系各水平廢棄巷道內(nèi)的有害氣體賦存情況復(fù)雜，采用破拆法重新砌筑不但安全隱患極大，而且所需磚石、砂漿等材料用量大，需通過材料斜井向施工地點(diǎn)運(yùn)輸各種材料。由于目前斜井是主要材料的運(yùn)輸通道，每天只有6 h可用于輔助材料運(yùn)輸和密閉墻砌筑施工，以現(xiàn)有傳統(tǒng)密閉墻構(gòu)筑技術(shù)，8個(gè)密閉墻拆除后全部重新砌筑需要至少5個(gè)月工期，嚴(yán)重影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的改造周期。

為保證密閉墻治理的安全施工，并盡量降低其對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定設(shè)計(jì)原則：充分利用原有構(gòu)筑物，在不拆除原有密閉墻的基礎(chǔ)上，通過延伸改變密閉墻結(jié)構(gòu)長度，提高其對(duì)有害氣體的隔絕性和在礦壓變化條件下的結(jié)構(gòu)壽命，同時(shí)用注漿法封堵墻體周邊圍巖中的漏風(fēng)通道，通過綜合治理手段防止有害氣體外溢。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

在數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地探查的基礎(chǔ)上，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)改造要求、密閉墻結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計(jì)原則制定總體方案。

(1)舊密閉墻延伸。通過注漿充填延伸現(xiàn)有密閉墻結(jié)構(gòu)長度，增強(qiáng)其密封性能和抗壓強(qiáng)度，使之適應(yīng)因巖層位移變化所產(chǎn)生動(dòng)壓對(duì)墻體的影響，同時(shí)起到長期防止有害氣體溢出的作用。

(2)密閉墻周邊圍巖漏風(fēng)通道封堵。通過注漿充填密閉墻周邊圍巖內(nèi)的漏風(fēng)通道，起到封閉裂隙和固結(jié)松散巖體的作用，確保在風(fēng)壓變化后有害氣體不會(huì)從周邊巖體中的裂隙通道中溢出。

3 舊密閉墻延伸方案

在現(xiàn)有密閉墻的基礎(chǔ)上，不破拆其主體結(jié)構(gòu)，延伸方案包括2個(gè)部分：①設(shè)置遠(yuǎn)端封閉；②現(xiàn)有密閉墻和遠(yuǎn)端封閉間設(shè)置阻隔帶?，F(xiàn)有密閉墻延伸方案如圖6所示。

圖6 現(xiàn)有密閉墻延伸方案示意Fig.6 Schematic of existing closed wall extension scheme

3.1 遠(yuǎn)端封閉

在密閉內(nèi)側(cè)的侏羅系各水平巷道內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)端封閉，遠(yuǎn)端封閉距離密閉墻內(nèi)側(cè)墻體8 m，通過在巷道內(nèi)注入高膨脹性材料形成類似擋漿墻結(jié)構(gòu)，在注漿加固時(shí)起阻止?jié){液沿原有巷道外流的作用。

3.1.1 封閉墻體設(shè)計(jì)

由于阻隔帶中需充填單液水泥漿，為保證遠(yuǎn)端封閉能夠承受漿液充填時(shí)的壓力作用，遠(yuǎn)端封閉結(jié)構(gòu)厚度根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》中防水閘墻計(jì)算公式確定[18]，公式為：

式中，L為封閉墻體的長度；B為巷道凈寬；H為巷道凈高；α為凸緣基座支撐面與硐室中心線夾角，一般取20°～30°；fcc為素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取12.5 MPa；γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；γf為作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.5；P為防水閘門硐室設(shè)計(jì)承受的水壓，取1.8 MPa。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，墻體長度按計(jì)算最大長度取L=1 m。

3.1.2 注漿孔布置

在現(xiàn)有密閉墻頂部位置設(shè)計(jì)2個(gè)鉆孔，鉆孔水平位置距左右兩側(cè)墻壁各1 m，垂直位置距墻頂部0.3 m，設(shè)計(jì)鉆孔開孔角度為5°。鉆孔完成后分別在孔內(nèi)下入1根長度10 m(A)和1根長度12 m(B)的注漿管，注漿時(shí)先通過A注漿管注入雙組分膨脹材料，待其發(fā)泡成型后再通過B注漿管注入相同組分材料，材料膨脹后通過擠密作用形成遠(yuǎn)端封閉，封閉體有效長度為1 m。注漿孔布置如圖7所示，遠(yuǎn)端封閉充填注漿孔布置剖面如圖8所示。

圖7 注漿孔位布置示意Fig.7 Layout of grouting holes

3.1.3 注漿材料

遠(yuǎn)端封閉選用膨脹性能好的雙組分高分子材料，具有反應(yīng)時(shí)間可調(diào)、膨脹性能好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，混合液反應(yīng)后一層一層地膨脹并固化，迅速充滿巷道斷面空間，形成具有一定強(qiáng)度的墻體結(jié)構(gòu)。

性能參數(shù)：2種組分按體積比混合，混合比例為1∶3，反應(yīng)時(shí)間3～6 min，硬化時(shí)間15 min，膨脹率為20～30倍，施工時(shí)采用化學(xué)注漿泵。

3.2 阻隔帶設(shè)置

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在現(xiàn)有密閉墻和遠(yuǎn)端封閉之間區(qū)域設(shè)置阻隔帶，通過注入結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度更高的單液水泥漿增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度和耐久性，阻隔帶設(shè)置長度為8 m。

3.2.1 注漿材料

注漿材料的選擇要與注漿目的和要求相匹配[19]。目前充填類的注漿材料以水泥基注漿材料和化學(xué)注漿材料為主[20]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，阻隔帶充填主要采用單液水泥漿，由于單液漿具有收縮作用，漿液無法有效接頂，因此接頂施工選用高分子固結(jié)材料。

(1)單液水泥漿。選用強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，施工時(shí)在配置好的漿液中添加少量三乙醇胺和氯化鈉，可有效縮短漿液的初凝時(shí)間，單液水泥漿28 d的結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度為14.3 MPa。

(2)高分子接頂材料。高分子接頂材料由雙組分材料組成，具有良好的變形能力及強(qiáng)度，材料反應(yīng)后可與四周巖體和墻面緊密結(jié)合，保證接頂?shù)拿芎闲浴?/p>

3.2.2 鉆孔布置

按分層填筑要求，在密閉墻上不同高度位置設(shè)計(jì)4個(gè)注漿孔，自下而上第1—第3孔間距為1.5 m，第4注漿孔距密閉頂0.2 m，鉆孔施工完成后孔內(nèi)放入注漿管。鉆孔布置如圖9所示。

3.2.3 注漿工藝

根據(jù)遠(yuǎn)端封閉設(shè)計(jì)參數(shù)，注漿時(shí)采用分層填筑方法，從下至上設(shè)計(jì)4個(gè)分層，第1—第3層選用單液水泥漿，單層灌注高度控制在1.5 m，注漿過程中壓力表起壓時(shí)停止灌注，待漿液凝固后再開始第2分層注漿施工。第1—第3層整體灌注完成72 h后，再通過第4層注漿孔注入接頂材料。

4 密閉墻周邊圍巖漏風(fēng)通道封堵

4.1 注漿孔長度

在對(duì)密閉墻周邊圍巖的漏風(fēng)通道進(jìn)行封堵時(shí)，原則上注漿孔長度應(yīng)能覆蓋現(xiàn)有密閉墻及其與延伸部分的搭接處，使現(xiàn)有密閉墻周邊的漏風(fēng)通道得到完全封堵。綜合考慮原有密閉墻結(jié)構(gòu)尺寸及延伸部分長度等因素，確定注漿孔長度為5 m。

4.2 注漿材料及漿液擴(kuò)散半徑

密閉墻周邊漏風(fēng)通道多為微小裂隙，大顆粒無機(jī)系材料很難注入，選用黏度低、可注性好、強(qiáng)度高的MK-1型高分子固結(jié)材料。MK-1型高分子固結(jié)材料由液體高分子材料A和功能助劑B組成，按體積比1∶1的比例混合，通過注漿泵壓注到圍巖周邊的漏風(fēng)通道中，漿液反應(yīng)后發(fā)生凝固并與巖體產(chǎn)生膠結(jié)。

漿液擴(kuò)散半徑是重要的注漿參數(shù)，根據(jù)以往相同注漿材料現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，確定漿液擴(kuò)散半徑為1 m。

4.3 注漿孔布置

注漿孔布置形式應(yīng)考慮漿液擴(kuò)散半徑并保證漿液交圈后形成防護(hù)帷幕，從而保證漏風(fēng)通道可以被有效封堵。在密閉墻兩側(cè)圍巖和頂板處設(shè)置2排注漿孔，采用梅花樁形布孔方式，內(nèi)圈設(shè)計(jì)注漿孔8個(gè)，鉆孔距密閉墻水平距離1 m，外圈設(shè)計(jì)注漿孔11個(gè)，鉆孔距密閉墻水平距離2 m。注漿孔采用二開鉆孔結(jié)構(gòu)，一開為套管段，長度為0.5 m，孔徑94 mm，成孔后下入φ75 mm鋼套管并固管；二開為注漿段，長度為4.5 m，孔徑50 mm。密閉墻周邊漏風(fēng)通道封堵鉆孔布置如圖10所示。

4.4 注漿壓力

注漿壓力既要保證可以將漿液推送至裂隙發(fā)育位置，又要避免漿液浪費(fèi)，設(shè)計(jì)注漿壓力為1 MPa。

5 治理效果

四老溝礦斜井密閉墻治理施工歷時(shí)65 d，在通風(fēng)系統(tǒng)改造結(jié)束后開始進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)包括日常巡檢及有害氣體專項(xiàng)檢測(cè)。截至2021年3月，巡檢中未發(fā)現(xiàn)密閉周邊圍巖有明顯裂縫，有害氣體專項(xiàng)檢測(cè)中連續(xù)4年CO等有害氣體檢出量為0。相較于傳統(tǒng)治理方法，新型老舊密閉墻全方位治理關(guān)鍵技術(shù)在工期、治理效果及施工安全性上有明顯提升，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了老舊密閉的再利用，共節(jié)省工程費(fèi)用150萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié)論

(1)井下應(yīng)用實(shí)例表明，通過延伸密閉墻結(jié)構(gòu)長度，可有效降低礦壓變化引起的密閉結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)結(jié)合對(duì)密閉周邊圍巖漏風(fēng)通道的封堵，可有效防止有害氣體發(fā)生外溢。

(2)相較于傳統(tǒng)密閉墻治理技術(shù)，新型治理技術(shù)安全性高，不需破壞原有密閉結(jié)構(gòu)，提高了作業(yè)效率的同時(shí)，保證了施工人員的安全，滿足通風(fēng)系統(tǒng)改造要求。