黄玉诚，宋红华，林天埜，王子升，邓和浪

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

我国煤炭自燃火灾十分严重,在开采煤层中，大约有50%的矿井存在自燃发火危险[1-2]，治理煤层自燃发火成了矿井安全生产的重点工程。中煤集团东坡矿煤层易自燃发火，采空区的密闭防灭火成为该矿安全生产中的一项重要的日常工作。该矿采用过许多传统的方法，因劳动强度大，工序复杂，密闭墙整体性差，周边受压后易产生裂缝漏气，使用效果不佳。为了改进传统的砌筑密闭墙方法，提高效率，促进安全生产，采用膨胀充填防火密闭墙构筑技术对采空区巷道进行充填密闭，获得了良好的效果。

1 膨胀充填材料的组成及性能

1.1 膨胀充填材料的组成

膨胀充填材料主要由中国矿业大学( 北京) 研制的KDB 膨胀固化剂和充填骨料按照适当的比例混合构成。这种膨胀固化剂为无机材料，无毒、无害、不自燃、腐蚀性小。充填骨料采用附近火电厂的粉煤灰。充填材料和一定比例的水经搅拌均匀后，经管路输送到充填地点，充填料浆在较短的时间内就凝固成充填体。根据实际需要，料浆在凝固前发生膨胀，一般在料浆混合均匀后的20～40min内膨胀，膨胀系数能在0～100%的范围内调节，以适应不同条件的充填要求。

1.2 膨胀充填材料的性能

KDB膨胀固化剂的相对密度3.0，松散容重1100kg/m3。选用的粉煤灰相对密度1.9，松散容重700kg/m3。根据试验地点的技术要求，确定采用胶灰比(膨胀固化剂和粉煤灰的质量比)1∶2、浓度56%、膨胀率约20%的充填料浆。抗压强度和膨胀性能是膨胀充填材料两个重要技术指标，因此进行了膨胀充填材料的抗压强度和膨胀性能测试。实验结果见表1。

表1 膨胀充填材料的膨胀性能及抗压强度

2 充填工艺系统

2.1 充填系统布置

东坡矿风井(斜井)侧帮的一条废弃老巷入口处原有一道红砖密闭墙。这道密闭墙周边受压严重而产生裂缝，透漏空气。为避免条件恶化，消除火灾隐患，必须对原密闭墙采取措施进行补救。因此，确定在原密闭墙外采用膨胀充填材料构筑防火密闭墙。充填密闭墙试验位置及充填系统布置见图1。充填试验地点的废弃老巷道断面宽3.2 m、高2.9 m，面积9.3 m2。充填密闭墙厚度设计为1.5m。充填体积共13.95 m3。

图1 充填密闭墙试验位置及充填系统布置示意图

构筑巷道密闭墙技术采用泵送充填工艺，主要的设备包括充填泵1台、搅拌桶2台、输送管路1套。充填料浆经搅拌桶混合搅拌均匀后由充填泵通过管路输送到充填地点。

2.2 设备选型

实际工程中，地面充填泵到井下密闭墙的充填管长度约300m，密闭墙充填体积13.95 m3，计划3小时内完成充填。据此，确定充填系统的主要技术指标：①充填能力Q=5～6m3/h；②料浆的输送距离L=300m。在Q=6m3/h的条件下，采用内径D=50mm的输送管路，料浆流速v=0.85m/s，料浆在管路中不易发生沉底现象，并且管道摩擦阻力系数较小，阻力系数f=7.6KPa/m。因此，确定充填管路的内径D=50mm。

充填系统工作压力计算如下所示[3-4]。

p=hy+hj+h1+h2

=L·f+0.15L·f+ΔH·ρ·g+h2

=1.15×300×7.6×103-150

×1400×9.8+0.1×106

=0.66MPa

通过以上计算，确定充填系统所需的工作压力为0.66MPa。

根据充填系统的主要技术指标，并结合充填地点的实际条件，对充填系统各设备进行具体的选型和配置。由于充填系统所需压力不大，从便于设备的移动方面考虑，在工程中采用扬程为1.5MPa、额定流量为6m3/h的泥浆泵，其电机功率5kW，重量仅为120kg；由于管内压力不大，为便于管道的移动和铺设，采用内径50mm消防用可折叠水管；搅拌桶则选择桶直径0.87m，高1.2m，有效容积0.7m3，功率为1.5kW。

3 充填工艺实施

3.1 充填模板架设方法

在充填地点，原有一道红砖密闭墙。为了构成充填空间，需在巷道外侧构置一道充填模板，如图2所示充填空间及模板结构示意图。充填模板的构置方法：先支起木支柱，支柱间距0.6m。在木支柱上钉上约1cm厚的板条，木板内侧铺上一面塑料编织布，并且在充填空间的顶底面和两帮各折叠10～20cm，并进行固定。为便于操作人员进出充填空间，在靠巷道外侧的充填模板上留设人员进出小门，模板施工完毕后将小门密封。在充填模板上方，沿巷道顶面最高点处留设一个注浆孔。在充填空间完全充满后，拔出充填管并封住进浆孔。

1—塑料编织布；2—木板；3—圆木；4—充填料浆5—原红砖墙；6—充填管；7—巷道顶板；8—巷道底板图2 充填空间及模板结构示意图

3.2 充填作业程序

1)清理充填地点，在巷道四周进行适当的掏槽。

2)架设充填模板，支柱、钉木板，然后将塑料编织布吊挂在木板上。

3)将出浆管口插入充填空间。

4)通知泵站制浆、开泵。

5)充填体接顶后，通知泵站停泵，拨出出浆管口，并堵住充填模板管插口。

6)泵送清水冲洗管路，见清水后，通知泵站停泵。

4 技术经济分析

采用膨胀充填防火密闭墙构筑技术对巷道进行充填密闭施工中，膨胀充填材料混合搅拌后的浆液浓度低于60%。料浆注入充填空间后，将包括巷道周边煤岩裂隙在内的密闭空间充实，加上密闭墙顶部充满后充填材料自身的膨胀挤压，充填体与巷道四周紧密结合，构成一个整体性和气密性都很好的充填墙体，达到了预期的技术效果。

1) 膨胀充填墙具有良好的密闭效果。膨胀充填墙构筑后，对密闭墙前和接顶接帮处进行了瓦斯含量的检测，检测结果瓦斯含量为0。

2) 充填材料的各项指标均达到技术要求。对取样的试块进行实测表明，充填材料初凝时间约为20～ 30min；充填材料的抗压强度为3.3MPa，膨胀率达到22%。

3)泵送充填系统的选用。采用的泵送充填工艺，能实现机械化作业，工艺简单，便于安装和操作，充填效率高，工人的劳动强度低。

4)技术经济效果分析。相比于传统的井下水泥砌筑密闭墙，采用该技术的膨胀充填密闭墙成本约630元/m3，成本降低约65元/m3。

5 结语

1)膨胀充填防火墙构筑技术的应用不但改变了传统的密闭墙砌筑工艺方法，而且在大幅度提高了工作效率的同时也减小了工人的劳动强度。

2)膨胀充填防火墙采用膨胀充填材料整体浇注而成，充填墙体整体性好，加之充填体自身的膨胀性，密闭墙对采空区起到了很好的封闭作用。

3)采用远距离机械化操作的充填作业，不仅减小了充填密闭点的不安全隐患对操作人员的人身威胁，也改善了井下作业人员的工作环境。

4)充填密闭墙工程实践中，粉煤灰约占充填料总重量的70%，大量使用粉煤灰作为充填材料既降低了成本，又实现了工业废弃物的有效利用。

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[2] 肖旸，文虎，马砺，等.矿井综合防灭火技术在煤自燃火灾中的应用[J].煤矿安全，2008(4)：49-52.

[3] 黄玉诚．矿山充填理论与技术[M]．北京：冶金工业出版社，2014:54-58

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