快速密闭技术在临汾宏大豁口煤业的应用

吉雷雷

（同煤集团临汾宏大豁口煤业，山西 临汾 041000）

1 概述

同煤集团临汾宏大豁口煤业在处理井下事故时，经常用到快速密闭技术。井下密封墙是密闭技术的主要体现形式，采用的密封墙一般为固定刚性结构。在井下建造刚性结构密封墙，有限的空间会使作业活动非常困难；在构造较多的区域，刚性结构密封墙还会出现断裂情况，密闭性能降低甚至失效。鉴于以上问题，同煤集团临汾宏大豁口煤业结合领域内研究成果，选用了一种新型的水凝胶密封墙逐步代替传统密闭方式。

2 现有快速密封墙优缺点分析

矿用快速密闭方式主要有以下几种：砖混结构密封墙、粉煤灰混合高水凝胶密封墙和气囊式密封墙。

砖混结构密封墙是一种双墙结构，由内墙外墙和中间的填充材料组成。此种密封墙经常使用在岩层压力大的矿区，最明显的特点是抗冲击力强，但建造时需要投入较多人力物力，工程量是三种密封墙中最大的。

粉煤灰混合高水凝胶密封墙属于一种环保型密封墙。将煤矿或发电厂产生的粉煤灰作为主要材料，结合高水凝胶化学材料特点，烧制出一种轻型蜂窝状承重砖，由此类型砖砌成密封墙。与传统砖混结构密封墙相比，这种密封墙的原料简单轻便，工程量较小。

气囊式密封墙是利用井下风压、事故发生时的气压或化学试剂反应时产生的气体，使由石棉布等其他防火材料制成的气囊膨胀，达到密闭事故发生区的目的。此种密封墙使用条件较为苛刻，除了需要满足建造巷道内有足够压差以外，还要求放置气囊式密封墙的巷道不能出现形状太不规则以及有尖锐凸起物的情况，否则极易造成气囊破损。

以上三种传统密封墙相关性能对比，结果见表1。

砖混结构密封墙和粉煤灰混合高水凝胶密封墙在耐高温、密闭时间和密闭程度方面有较大优势，但建造时间较长，作业人员需要较长时间暴露在事故发生区，危险性很大；而气囊式密封墙的耐温耐压以及密闭性方面都不太理想。

表1 三种传统密封墙性能参数表

因此，如何能在无电源以及狭窄的煤矿井下巷道内快速构建起耐温耐压以及快速全封闭的密封墙，是目前井下巷道密闭技术亟需改进的方面。

3 水凝胶抗爆密封墙的应用

临汾宏大豁口煤业近年来在井下密闭技术方面投入大量资源进行相关研究以及应用，目前比较成熟可靠的新型密闭技术是水凝胶抗爆密封墙。

水凝胶抗爆密封墙建造原理如下：水凝胶是一种特殊的化学材料，与水接触后，在适当温度下可以在引发剂和初凝剂的共同作用下快速凝结，形成抗爆密闭材料。

临汾宏大豁口煤业利用水凝胶的化学特点，将水凝胶和辅助材料装填在一种由特殊材料制成的防爆外袋内，作为事故发生时密封墙的建造材料。与传统密闭材料相比，水凝胶密封墙不受建造巷道内壁形式和巷道内风压等因素影响，几乎可以建造在任何巷道内；建造工程量较传统密封墙更小；凝结成型时间可以随水温、引发剂浓度和凝结剂浓度进行调节，工艺灵活性远胜传统密封墙；凝结后的密封墙抗压抗爆能力完全满足井下密闭要求。

3.1 水凝胶密封墙工艺过程

（1）承装水凝胶的基材是一种复合材料，由尼龙502#系列布料与高强度复合橡胶材料共同组成。这种基材具有抗爆抗高温且耐磨等特点。基材尺寸和形状需要根据放置位置的巷道特点而定，最理想外形尺寸是遇水膨胀后，外袋可以与巷道内壁完全贴合。临汾宏大豁口煤业选用基材时，进行了基材加压试验，目的是验证基材膨胀性能和承压能力。试验过程是将基材外袋放置在一段巷道内，通过水泵加压，待基材外袋与巷道内壁贴合后，观察基材外袋内部水压。试验原理图见图1。经测试，基材外袋成型情况良好，内压可达0.4MPa。

（2）水凝胶密封墙填充工艺。为了测试水凝胶密封墙的成型时间和密闭程度，进行了水凝胶密封墙填充工艺试验。试验选取厚度约为2mm的基材作为外袋，将水凝胶、引发剂和促凝剂共同装填的外袋放置在试验模拟巷道内。试验选取钢板和脚手架作为模拟井下巷道的材料，将钢板拼接成一段长2.5m、宽1.0m、高1.0m的模拟巷道，脚手架作为固定结构，安装在钢板之外。填充试验原理图见图2。

图1 基材加压试验原理图

图2 填充工艺试验原理图

基材外袋在无压力情况下为长方形，长2.0m，宽1.2m，高1.2m。在基材一端安装了DN25法兰，用于注水。模拟巷道口处放置一台风机，风速调至1.5m/s，在水凝胶密闭材料的下风向安置测量风速的风速表。试验工艺流程图见图3。

图3 充水试验原理图

加压泵开始注水作为试验开始时间并记录，充水一段时间后，水凝胶密封墙外形见图4。

图4 充水后水凝胶密封墙形态

充水12min后，基材外袋膨胀完成，与模拟巷道内壁完全贴合。在钢板拼接处，外袋可以完全填充。整个过程风速表显示风速持续降低，第14min，背风侧风速降为0。说明在对应试验条件下，水凝胶密封墙可以在约15min时间内形成密封性能和防爆性能符合要求的密封墙。

3.2 工艺可行性

以上试验证明了水凝胶密封墙在建造工艺和成型时间方面的适用性。该密闭技术在实际使用中，有以下两种方式：

（1）基材外袋中包含水凝胶材料、引发剂和促凝剂等辅助材料，直接放置在建造点，使用时注水即可。这种工艺实施方式设备便捷，控制程序简单，但无法精准控制各辅助材料的加入量，无法控制凝胶时间。

（2）基材外袋中只装填水凝胶材料，引发剂和促凝剂等辅助材料在注水系统打开时，随注水管进入外带与水凝胶混合。这种方式可以对水凝胶辅助材料注入量进行控制，在一定范围内控制水凝胶密封墙的凝胶时间，但控制程序较为复杂，所需设备也较第一种方式多。

在实际使用中，无论选用哪种预置方式，溶液注入流量控制在5m3/h，注水压力控制在1.5MPa之内为宜。

4 结论

水凝胶的应用使煤矿密封墙的建造更加灵活便捷。临汾宏大豁口煤业实际应用中，只需将基材外袋装填水凝胶等材料，连接上充水管路直接放置在相应位置，使用时打开注水泵注水即可自动形成密封墙。无论从性能还是工艺可行性方面，该密闭技术都相较于传统密闭技术更加实用。