多級柔性防沖密閉技術(shù)研究

侯會偉 席敦剛 秦 鵬

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

煤礦進(jìn)入深部開采以后，隨著地質(zhì)環(huán)境惡化，以及煤巖體力學(xué)響應(yīng)的非線性化，突發(fā)性重大災(zāi)害顯著上升。其中，以沖擊地壓為代表的煤巖動力災(zāi)害機理最復(fù)雜，防治難度最大，其次為礦井內(nèi)因火災(zāi)事故，沖擊地壓因其發(fā)生的突然性和劇烈的破壞特征對礦山安全構(gòu)成很大的威脅。內(nèi)因火災(zāi)事故中密閉墻的治理是重中之重。當(dāng)沖擊地壓與煤炭自然發(fā)火兩項重大風(fēng)險疊加共存時，必須研究關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)來有效應(yīng)對防范重大風(fēng)險，創(chuàng)新密閉技術(shù)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?shù)装?，脆性煤層，開采區(qū)域內(nèi)存在褶曲、斷層等構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件，表明礦井已具備了發(fā)生沖擊地壓的典型條件。礦井所采三煤自然發(fā)火期短，回采工作面在回采過程及封閉后有可能誘發(fā)煤巖體內(nèi)儲存的大量彈性能瞬間釋放從而發(fā)生沖擊地壓事故以及自然發(fā)火事故。中煤科工重慶煤科院試驗3 煤自然發(fā)火期為65 d；2011 年5 月，星村煤礦委托中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室對三采區(qū)3 煤巖層進(jìn)行了沖擊傾向性鑒定，結(jié)論為強沖擊傾向性煤層。礦井在以往回采過程中多次發(fā)生自然發(fā)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(xiàn)象。以往綜放工作面回撤結(jié)束時曾經(jīng)發(fā)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(chǎn)和采空區(qū)密閉治理增加了難度。

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

2 多級柔性防沖密閉技術(shù)

根據(jù)沖擊地壓能量的不同，采用不同的防護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計，密閉防沖設(shè)計劃分為單級防護(hù)、二級防護(hù)與多級防護(hù)。其中磚墻防護(hù)為必要防護(hù)，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(wǎng)防護(hù)代號為D。通過單級防護(hù)、二級防護(hù)不同組合與多級防護(hù)不同組合來試驗設(shè)計密閉墻防護(hù)。

2.1 雙墻夾墻密閉施工技術(shù)

通過在兩順槽設(shè)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(fā)泡材料，達(dá)到有效封堵漏風(fēng)的目的。該無機發(fā)泡材料反應(yīng)溫度不超過50 ℃，發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)8～10 倍，強度1 MPa，可以有效地進(jìn)行充填堵漏。

2.2 采空區(qū)空巷充填技術(shù)

通過井上西風(fēng)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(qū)。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(shè)鋼絲繩懸掛全斷面金屬網(wǎng)技術(shù)

安設(shè)全斷面金屬網(wǎng)時，應(yīng)用不小于10#鐵絲將金屬網(wǎng)聯(lián)到鋼絲繩上，聯(lián)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(jìn)行連接。金屬網(wǎng)周邊與巷道接觸部分使用16#鐵絲進(jìn)行連接，兩臨近連接點間距不大于200 mm。掛設(shè)全斷面金屬網(wǎng)時，由上向下進(jìn)行掛網(wǎng)，兩張網(wǎng)不再進(jìn)行搭接，用不小于16#鐵絲進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，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(shù)試驗設(shè)計

3.1 能量計算

結(jié)合井上模擬的沖擊地壓能量設(shè)計，針對不同的能量等級驗證不同密閉的防護(hù)等級及其效果。借鑒中國礦業(yè)大學(xué)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(jù)上述公式，結(jié)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(jù)蓋斯定律、熱力學(xué)定律，借鑒安徽理工大學(xué)《二級煤礦許用乳化炸藥爆轟參數(shù)的理論計算》得知：若爆炸時環(huán)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(jié)果采用炸藥對沖擊地壓能量進(jìn)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(jìn)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(qū)對密閉防護(hù)等級進(jìn)行試驗。選取不同的防護(hù)等級，二級防護(hù)：AB、AC、AD；多級防護(hù)：ABC、ABD、ACD、ABCD 對能量進(jìn)行試驗結(jié)果驗證。試驗結(jié)果見表2。

表2 不同防護(hù)級別及效果檢驗表

實驗結(jié)果說明：“×”代表不能滿足要求；“√”代表滿足要求；“-”代表不需要進(jìn)行驗證。當(dāng)震動能量為0.5 時，單一磚墻防護(hù)即可滿足要求，故二級防護(hù)與多級防護(hù)不需進(jìn)行驗證；當(dāng)震動能量為1時，單一磚墻防護(hù)無法滿足要求，不同的二級防護(hù)均能滿足要求，故多級防護(hù)不需進(jìn)行驗證；當(dāng)震動能量為1.5 與2 時，二級防護(hù)無法滿足要求，三級防護(hù)能夠滿足要求，故多級防護(hù)不需進(jìn)行驗證；當(dāng)震動能量為2.5 時，三級防護(hù)無法滿足要求，多級防護(hù)能夠滿足要求。

3.3 試驗結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果確定，單級防護(hù)只能抵御較低震動能量，二級防護(hù)抵御震動能量加強，當(dāng)多級柔性密閉全部使用后，密閉墻防護(hù)等級達(dá)到最高等級。根據(jù)以上數(shù)據(jù)試驗，通過能量等級劃分，選取5 級能量作為試驗關(guān)鍵參數(shù)，以星村煤礦三采區(qū)采空區(qū)為試驗地點，采用多級柔性防沖密閉后經(jīng)過歷時半年的觀察與數(shù)據(jù)檢測，能夠達(dá)到預(yù)期的效果，密閉墻體防護(hù)等級滿足生產(chǎn)需要。

4 總結(jié)

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