侯会伟 席敦刚 秦 鹏

（山东省天安矿业集团有限公司，山东 曲阜 273100）

1 概述

煤矿进入深部开采以后，随着地质环境恶化，以及煤岩体力学响应的非线性化，突发性重大灾害显著上升。其中，以冲击地压为代表的煤岩动力灾害机理最复杂，防治难度最大，其次为矿井内因火灾事故，冲击地压因其发生的突然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成很大的威胁。内因火灾事故中密闭墙的治理是重中之重。当冲击地压与煤炭自然发火两项重大风险叠加共存时，必须研究关键创新技术来有效应对防范重大风险，创新密闭技术就是其中之一。

星村煤矿目前主采3 煤层，其深埋、坚硬厚层顶底板，脆性煤层，开采区域内存在褶曲、断层等构造的复杂地质条件，表明矿井已具备了发生冲击地压的典型条件。矿井所采三煤自然发火期短，回采工作面在回采过程及封闭后有可能诱发煤岩体内储存的大量弹性能瞬间释放从而发生冲击地压事故以及自然发火事故。中煤科工重庆煤科院试验3 煤自然发火期为65 d；2011 年5 月，星村煤矿委托中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室对三采区3 煤岩层进行了冲击倾向性鉴定，结论为强冲击倾向性煤层。矿井在以往回采过程中多次发生自然发火事故以及冲击地压事故，星村煤矿埋藏深，冲击危险性强，综放工作面回采过程中大能量震动时常造成密闭墙破坏现象。以往综放工作面回撤结束时曾经发生冲击波冲毁顺槽密闭墙倒塌伤人事件，给矿井的安全生产和采空区密闭治理增加了难度。

传统综放工作面回撤结束后大部分以砖密闭，对于没有自然发火和冲击地压灾害的矿井来说能够满足正常安全需求，但当存在单一自然发火或者冲击地压风险时，砖闭已经不能满足安全生产的需要。为此，该矿研究试验了双墙夹墙密闭施工技术、采空区空巷充填技术、密闭外加设钢丝绳悬挂全断面金属网技术形成多级柔性防冲密闭技术，能够最大程度地减少密闭区内自然发火与冲击地压风险，完善矿井密闭区风险研判机制，提高矿井密闭治理水平，提升矿井安全生产保障能力。

2 多级柔性防冲密闭技术

根据冲击地压能量的不同，采用不同的防护方式进行设计，密闭防冲设计划分为单级防护、二级防护与多级防护。其中砖墙防护为必要防护，代号为A；空巷充填代号为B；双墙夹墙充填代号为C；钢丝绳全断面金属网防护代号为D。通过单级防护、二级防护不同组合与多级防护不同组合来试验设计密闭墙防护。

2.1 双墙夹墙密闭施工技术

通过在两顺槽设计停采线位置分别施工厚度不小于0.5 m 的砖墙，中间充填无机发泡材料，达到有效封堵漏风的目的。该无机发泡材料反应温度不超过50 ℃，发泡倍数可达8～10 倍，强度1 MPa，可以有效地进行充填堵漏。

2.2 采空区空巷充填技术

通过井上西风井注浆站大流量注超高水材料，或者通过井下气动双液泵注超高水材料。超高水充填材料主要由A、B 两种料组成，分别与水充分混合均匀充填采空区。该材料凝固后的固体材料微膨胀、阻燃、防水、抗压不分解。超高水材料与水混合比例1:8～1:10，水含量占95%～97%。

2.3 密闭外加设钢丝绳悬挂全断面金属网技术

安设全断面金属网时，应用不小于10#铁丝将金属网联到钢丝绳上，联接点为水平钢丝绳和垂直钢丝绳交叉点，交叉点采用“十字花”的方式进行连接。金属网周边与巷道接触部分使用16#铁丝进行连接，两临近连接点间距不大于200 mm。挂设全断面金属网时，由上向下进行挂网，两张网不再进行搭接，用不小于16#铁丝进行联网，扣间距100 mm 左右。

图1 多级柔性密闭示意图

3 多级柔性防冲密闭技术试验设计

3.1 能量计算

结合井上模拟的冲击地压能量设计，针对不同的能量等级验证不同密闭的防护等级及其效果。借鉴中国矿业大学提供的能量等级换算公式，将冲击地压能量划分为5 个阶段，具体如下：

D=（lgx-1.8）/1.9

式中：D为能量等级；x为震动能量，J。

根据上述公式，结合星村煤矿及周边冲击地压矿井实际情况，将冲击地压震动能量等级划分为5个阶段，具体见表1。

表1 能量等级与冲击能量划分

根据盖斯定律、热力学定律，借鉴安徽理工大学《二级煤矿许用乳化炸药爆轰参数的理论计算》得知：若爆炸时环境的温度为25 ℃，二级煤矿许用乳化炸药各组分的生成热之和为Q=5 522.82 kJ/kg。

通过上述结果采用炸药对冲击地压能量进行等量模拟。按照上表所划分的能量等级选择5 份模拟同等能量的炸药进行井上试验。

3.2 能量模拟

分别选取与0.5 级能量、1 级能量、1.5 级能量、2 级能量、2.5 级能量相等同的炸药，通过井上模拟的采空区对密闭防护等级进行试验。选取不同的防护等级，二级防护：AB、AC、AD；多级防护：ABC、ABD、ACD、ABCD 对能量进行试验结果验证。试验结果见表2。

表2 不同防护级别及效果检验表

实验结果说明：“×”代表不能满足要求；“√”代表满足要求；“-”代表不需要进行验证。当震动能量为0.5 时，单一砖墙防护即可满足要求，故二级防护与多级防护不需进行验证；当震动能量为1时，单一砖墙防护无法满足要求，不同的二级防护均能满足要求，故多级防护不需进行验证；当震动能量为1.5 与2 时，二级防护无法满足要求，三级防护能够满足要求，故多级防护不需进行验证；当震动能量为2.5 时，三级防护无法满足要求，多级防护能够满足要求。

3.3 试验结论

根据试验结果确定，单级防护只能抵御较低震动能量，二级防护抵御震动能量加强，当多级柔性密闭全部使用后，密闭墙防护等级达到最高等级。根据以上数据试验，通过能量等级划分，选取5 级能量作为试验关键参数，以星村煤矿三采区采空区为试验地点，采用多级柔性防冲密闭后经过历时半年的观察与数据检测，能够达到预期的效果，密闭墙体防护等级满足生产需要。

4 总结

目前国内外在冲击地压矿井使用的密闭治理技术，多以喷涂堵漏、高分子发热材料充填为主，具有一定的局限性。研究试验并经实际应用表明，多级柔性防冲密闭技术，能够有效保证矿井密闭治理的水平，解决了行业密闭治理关键技术问题，能够有效防范冲击地压和自然发火叠加共存的重大风险。