多水平老旧密闭墙加固与有害气体防治技术研究

2021-08-27梁敏

能源与环保 2021年8期

梁敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

我国是煤炭开采大国，近年来随着开采深度的不断增加，矿井通风系统普遍面临改造和升级，在通风系统改造过程中，密闭墙内有害气体的外溢会威胁矿工生命安全[1-4]。密闭墙是保障煤矿井下通风安全的重要设施，可阻隔井下有害气体[5-8]。但井下复杂的矿压变化特性会使长期服役的密闭墙产生不同程度的破损，在通风方法发生重大改变时会导致有害气体溢出发生事故。因此，在通风方法改变前需对老旧密闭墙进行治理。目前对密闭墙的治理方法主要有重新砌筑、墙体表面喷浆、墙内充填等方法[9-14]。重新砌筑耗时较长且安全隐患巨大，此种方法多用于永久密闭墙的治理。墙体表面喷浆主要针对密闭表面及周边进行修复，喷浆材料多为水泥浆类无机系材料，随着时间增长材料的隔绝性能将逐渐降低。密闭内充填多采用聚氨酯类材料，通过材料混合反应后充填密闭内的空隙，可以起到较好的治理效果，但治理方式多集中于密闭墙体内部，此种方法由于没有从结构上改变密闭墙的特征，在矿压的时空作用下，墙体内及周边围岩会随着时间推移出现新的漏风通道。

当前对老旧密闭墙的治理方法较为局限，仅从单一修复角度着手，没有从技术、安全、可靠性及耐久性角度考虑密闭墙的防护性[15]。笔者通过数值模拟技术，对通风方法改变后不同结构受损条件下的密闭墙隔绝性进行模拟，提出了模拟分析—远端封闭—充填治理—围岩漏风通道封堵的老旧密闭墙全方位治理技术。实践证明，在不拆除密闭墙的条件下起到了防止有害气体外溢的作用，可为今后类似通风系统改造时的密闭墙治理提供参考。

1 密闭墙概况及数值模拟分析

1.1 密闭墙概况

四老沟矿位于大同市西南区域，坐落在七峰山脚下，井田面积29.83 km2，经过50多年的开采，侏罗纪煤炭资源储量已接近枯竭，开采接替迫在眉睫，矿井正在向石炭二叠系煤层开拓。因开拓时要改变矿井通风方法，即将压入式通风改为抽出式通风，为保证通风系统的安全改造，需对材料斜井内的多水平老旧密闭墙进行治理，确保通风系统改造后密闭墙内的有害气体不发生外溢。

四老沟矿材料斜井分别与已开采的侏罗系2号、3号、4号和11号煤层共计4个水平相联通，以上联通巷道与斜井衔接处均施工有密闭墙，共计8处。断面积最大的为4号层回风大巷及回风绕道密闭墙，断面积达到20 m2。原有各水平密闭墙厚度为2 m，结构包括内外2道墙体，墙体采用砖石砌筑，中间填筑黄土并用水泥浆封顶。根据实地探查，材料斜井内大部分密闭墙存在不同程度的破损，部分密闭还曾出现过CO溢出。在目前的压入式通风条件下，材料斜井内的风压大于各水平密闭墙内巷道的压力，有害气体外溢的可能性小，但因密闭墙修筑年代久远，完整性及密封性受到不同程度损害。通风方法改变后，在压差作用下密闭墙内有害气体发生外溢的可能性剧增，对矿井的安全生产构成严重威胁。斜井内密闭墙位置关系如图1所示。

图1 材料斜井内密闭墙位置示意Fig.1 Location of the enclosed wall in the material inclined well

1.2 数值模拟分析

为保证密闭墙的长期安全使用，以4号层车场回风巷密闭墙为例，采用Fluent软件研究通风方法改变后受损密闭内有害气体外溢规律。模型如图2所示，拱形断面巷道为材料斜井，矩形断面巷道为4号层车场回风巷，原有旧密闭墙厚2 m，距材料斜井10 m。当通风方法由压入式变为抽出式时，在材料斜井和4号层回风巷位置砌筑密闭。为提高模拟计算精度，对模型做出适当简化，将受损密闭墙视为多孔介质材料，孔隙率为0.1，黏滞阻力取5×107m-2[16]。湍流模型为k-εRNG湍流模型，开启组分模型[17]，进口1为速度进口，8 m/s；进口2为压力进口，压差为1 000 Pa，CO浓度设置为150×10-6；出口为压力出口，相对压力为0。开展密闭厚度为2、4、6、8、10、12 m的出口CO浓度变化规律研究。

图2 4号层车场回风巷模型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浓度分布云图如图3所示。由图3可知，CO在整个4号层回风巷浓度最大，当CO流进材料斜井时迅速被稀释。在封堵厚度为2 m时，材料斜井有明显的CO流出，且CO分布范围最大；随着封堵厚度的增加，CO流出浓度逐渐减小，CO分布逐渐向墙壁收缩；当封堵厚度为8 m时，仅能在墙壁边缘位置观察到CO泄漏；在封堵厚度为10 m时，CO泄漏量颜色最暗，泄漏量最少。模拟结果证明在抽出式通风条件下，随着封堵厚度的增加，受损密闭内CO外溢规律呈现下降趋势。

图3 不同封堵厚度CO运移规律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浓度分布云图如图4所示。在封堵厚度为2 m时，出口截面能看到明显的CO流出，且分布范围较广；随着封堵厚度的增加，出口截面颜色逐渐变暗，CO浓度逐渐减小，分布逐渐向墙壁收缩；在封堵厚度为10 m时，CO泄漏量颜色最暗，仅有墙壁边缘位置有少量CO分布。模拟结果证明封堵厚度可以有效减少截面CO的浓度和分布范围。

图4 不同封堵厚度出口截面CO分布规律Fig.4 Distribution of CO in outlet section with different plugging thickness

为进一步定量分析受损密闭墙厚度与CO外溢量之间的关系，提取材料斜井出口截面的平均CO浓度和最大CO浓度，见表1，绘制曲线如图5所示。

表1 封堵厚度对CO浓度影响结果Tab.1 Effect of plugging thickness on CO concentration

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

由图5可知，随着封堵厚度的增加，出口截面平均CO浓度逐渐降低，但厚度对平均CO浓度影响较小，均在24×10-6以下；但截面最大CO浓度随着封堵厚度的增加变化量较大，仅在封堵厚度为10 m时，CO为21×10-6，降低到《煤矿安全规程》要求的24×10-6以下。模拟结果表明，通风方法改变后，当墙体厚度大于等于10 m时即使存在破损，对有害气体的隔绝性仍能满足《煤矿安全规程》要求。

2 设计原则及方案

2.1 设计原则

四老沟矿材料斜井内密闭墙数量众多且全部为永久密闭墙，因侏罗系各水平废弃巷道内的有害气体赋存情况复杂，采用破拆法重新砌筑不但安全隐患极大，而且所需砖石、砂浆等材料用量大，需通过材料斜井向施工地点运输各种材料。由于目前斜井是主要材料的运输通道，每天只有6 h可用于辅助材料运输和密闭墙砌筑施工，以现有传统密闭墙构筑技术，8个密闭墙拆除后全部重新砌筑需要至少5个月工期，严重影响矿井通风系统的改造周期。

为保证密闭墙治理的安全施工，并尽量降低其对矿井生产系统的影响，根据数值模拟结果确定设计原则：充分利用原有构筑物，在不拆除原有密闭墙的基础上，通过延伸改变密闭墙结构长度，提高其对有害气体的隔绝性和在矿压变化条件下的结构寿命，同时用注浆法封堵墙体周边围岩中的漏风通道，通过综合治理手段防止有害气体外溢。

2.2 总体设计方案

在数值模拟和现场实地探查的基础上，根据通风系统改造要求、密闭墙结构特征及设计原则制定总体方案。

(1)旧密闭墙延伸。通过注浆充填延伸现有密闭墙结构长度，增强其密封性能和抗压强度，使之适应因岩层位移变化所产生动压对墙体的影响，同时起到长期防止有害气体溢出的作用。

(2)密闭墙周边围岩漏风通道封堵。通过注浆充填密闭墙周边围岩内的漏风通道，起到封闭裂隙和固结松散岩体的作用，确保在风压变化后有害气体不会从周边岩体中的裂隙通道中溢出。

3 旧密闭墙延伸方案

在现有密闭墙的基础上，不破拆其主体结构，延伸方案包括2个部分：①设置远端封闭；②现有密闭墙和远端封闭间设置阻隔带。现有密闭墙延伸方案如图6所示。

图6 现有密闭墙延伸方案示意Fig.6 Schematic of existing closed wall extension scheme

3.1 远端封闭

在密闭内侧的侏罗系各水平巷道内设置远端封闭，远端封闭距离密闭墙内侧墙体8 m，通过在巷道内注入高膨胀性材料形成类似挡浆墙结构，在注浆加固时起阻止浆液沿原有巷道外流的作用。

3.1.1 封闭墙体设计

由于阻隔带中需充填单液水泥浆，为保证远端封闭能够承受浆液充填时的压力作用，远端封闭结构厚度根据《采矿设计手册》中防水闸墙计算公式确定[18]，公式为：

式中，L为封闭墙体的长度；B为巷道净宽；H为巷道净高；α为凸缘基座支撑面与硐室中心线夹角，一般取20°～30°；fcc为素混凝土的轴心抗压强度设计值，取12.5 MPa；γ0为结构的重要性系数，取1.1；γf为作用的分项系数，取1.3；γd为结构系数，取1.5；P为防水闸门硐室设计承受的水压，取1.8 MPa。

将数据代入公式计算得，墙体长度按计算最大长度取L=1 m。

3.1.2 注浆孔布置

在现有密闭墙顶部位置设计2个钻孔，钻孔水平位置距左右两侧墙壁各1 m，垂直位置距墙顶部0.3 m，设计钻孔开孔角度为5°。钻孔完成后分别在孔内下入1根长度10 m(A)和1根长度12 m(B)的注浆管，注浆时先通过A注浆管注入双组分膨胀材料，待其发泡成型后再通过B注浆管注入相同组分材料，材料膨胀后通过挤密作用形成远端封闭，封闭体有效长度为1 m。注浆孔布置如图7所示，远端封闭充填注浆孔布置剖面如图8所示。

图7 注浆孔位布置示意Fig.7 Layout of grouting holes

3.1.3 注浆材料

远端封闭选用膨胀性能好的双组分高分子材料，具有反应时间可调、膨胀性能好、强度高的特点，混合液反应后一层一层地膨胀并固化，迅速充满巷道断面空间，形成具有一定强度的墙体结构。

性能参数：2种组分按体积比混合，混合比例为1∶3，反应时间3～6 min，硬化时间15 min，膨胀率为20～30倍，施工时采用化学注浆泵。

3.2 阻隔带设置

根据数值模拟结果，在现有密闭墙和远端封闭之间区域设置阻隔带，通过注入结实体抗压强度更高的单液水泥浆增强其结构稳定度和耐久性，阻隔带设置长度为8 m。

3.2.1 注浆材料

注浆材料的选择要与注浆目的和要求相匹配[19]。目前充填类的注浆材料以水泥基注浆材料和化学注浆材料为主[20]。根据设计要求，阻隔带充填主要采用单液水泥浆，由于单液浆具有收缩作用，浆液无法有效接顶，因此接顶施工选用高分子固结材料。

(1)单液水泥浆。选用强度等级为P.O42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1，施工时在配置好的浆液中添加少量三乙醇胺和氯化钠，可有效缩短浆液的初凝时间，单液水泥浆28 d的结实体抗压强度为14.3 MPa。

(2)高分子接顶材料。高分子接顶材料由双组分材料组成，具有良好的变形能力及强度，材料反应后可与四周岩体和墙面紧密结合，保证接顶的密合性。

3.2.2 钻孔布置

按分层填筑要求，在密闭墙上不同高度位置设计4个注浆孔，自下而上第1—第3孔间距为1.5 m，第4注浆孔距密闭顶0.2 m，钻孔施工完成后孔内放入注浆管。钻孔布置如图9所示。

3.2.3 注浆工艺

根据远端封闭设计参数，注浆时采用分层填筑方法，从下至上设计4个分层，第1—第3层选用单液水泥浆，单层灌注高度控制在1.5 m，注浆过程中压力表起压时停止灌注，待浆液凝固后再开始第2分层注浆施工。第1—第3层整体灌注完成72 h后，再通过第4层注浆孔注入接顶材料。

4 密闭墙周边围岩漏风通道封堵

4.1 注浆孔长度

在对密闭墙周边围岩的漏风通道进行封堵时，原则上注浆孔长度应能覆盖现有密闭墙及其与延伸部分的搭接处，使现有密闭墙周边的漏风通道得到完全封堵。综合考虑原有密闭墙结构尺寸及延伸部分长度等因素，确定注浆孔长度为5 m。

4.2 注浆材料及浆液扩散半径

密闭墙周边漏风通道多为微小裂隙，大颗粒无机系材料很难注入，选用黏度低、可注性好、强度高的MK-1型高分子固结材料。MK-1型高分子固结材料由液体高分子材料A和功能助剂B组成，按体积比1∶1的比例混合，通过注浆泵压注到围岩周边的漏风通道中，浆液反应后发生凝固并与岩体产生胶结。

浆液扩散半径是重要的注浆参数，根据以往相同注浆材料现场施工经验，确定浆液扩散半径为1 m。

4.3 注浆孔布置

注浆孔布置形式应考虑浆液扩散半径并保证浆液交圈后形成防护帷幕，从而保证漏风通道可以被有效封堵。在密闭墙两侧围岩和顶板处设置2排注浆孔，采用梅花桩形布孔方式，内圈设计注浆孔8个，钻孔距密闭墙水平距离1 m，外圈设计注浆孔11个，钻孔距密闭墙水平距离2 m。注浆孔采用二开钻孔结构，一开为套管段，长度为0.5 m，孔径94 mm，成孔后下入φ75 mm钢套管并固管；二开为注浆段，长度为4.5 m，孔径50 mm。密闭墙周边漏风通道封堵钻孔布置如图10所示。

4.4 注浆压力

注浆压力既要保证可以将浆液推送至裂隙发育位置，又要避免浆液浪费，设计注浆压力为1 MPa。

5 治理效果

四老沟矿斜井密闭墙治理施工历时65 d，在通风系统改造结束后开始进行跟踪检测，检测包括日常巡检及有害气体专项检测。截至2021年3月，巡检中未发现密闭周边围岩有明显裂缝，有害气体专项检测中连续4年CO等有害气体检出量为0。相较于传统治理方法，新型老旧密闭墙全方位治理关键技术在工期、治理效果及施工安全性上有明显提升，同时，实现了老旧密闭的再利用，共节省工程费用150万元左右，经济效益显著。