矿井老旧密闭墙加固及有害气体防治技术研究

祁 琪

（汾西矿业集团安全管理部，山西 介休 032000）

随着煤炭开采深度以及开采范围增加，在生产过程中需要不断等封堵采空区并调整通风系统[1]。密闭墙是实现采空区密闭、防治采空区内有害气体外溢的主要屏障。由于煤矿井下环境恶劣且复杂，密闭墙在采掘动压、长期使用等因素综合影响下会出现一定程度破碎，当通风调整时采空区内有害气体会随着密闭墙裂隙涌出，严重时甚至会导致安全事故[2-5]。现阶段矿井常用的密闭墙处理措施包括有密闭墙重新砌筑、表面喷浆、墙体内充填等措施[6-7]。文中就在结合以往施工经验以及研究成果，针对山西某矿现场实际条件提出密闭墙体加固以及有害气体防治技术措施，以期能更好的促进矿井生产。

1 现场情况概述

山西某矿井田开采面积为25.62 km2，迄今矿井回采时间已超过60 年，井田浅部的赋存条件较好的侏罗纪煤层已基本回采完毕，现阶段矿井生产逐渐向深度的二叠系煤层。矿井浅部的煤层采空区采用密闭墙密闭。根据矿井开采方案，掘进的材料斜井需与浅部煤层采空区向联通，需要布置的密闭墙共计8 处，其中断面积最大的密闭墙为侏罗纪4 号煤层回风大巷密闭墙，墙体面积达到20 m2。

矿井密闭墙体原采用砖石砌筑，在2 道墙体间填筑黄土并通过浇筑水泥封顶。现场勘查发现，矿井已有密闭墙出现不同程度破碎情况，同时部分位置还监测到CO 涌出情况。现场实测发现，不同厚度密闭墙出现破碎时CO 涌出量有所差异，具体现场测定的CO 涌出量与密闭墙封堵厚度间关系见图1 所示。

图1 CO 涌出量与密闭墙封堵厚度关系曲线

从图1 中看出，随着密闭墙体封堵厚度增加，密闭墙出口处CO 浓度有所降低，但是发现当密闭墙封堵厚度在10 m 以内时，密闭墙破碎导致的CO 涌出量超标，而密闭墙封堵厚度在10 m 以上时即便出现破碎CO 涌出量仍在《煤矿安全规程》允许范围内。

2 密闭墙加固技术方案

2.1 加固技术措施选择

矿井材料斜井密闭墙数量较多且均为永久密闭，若采用拆除重建方式不仅存在较大的安全风险而且重建过程中使用的砂浆、砖石等材料运输困难，同时若将所有的密闭墙重新拆除砌筑需要耗时在5个月以上，会严重影响矿井后续生产。

为降低密闭加固对矿井生产影响，文中结合以往研究成果以及密闭墙加固经验，提出延伸密闭墙体结构长度方式对密闭墙进行加固，具体措施为：将所有的密闭墙封堵厚度均延伸至10 m 以上，并采用注浆法封堵密闭墙以及周边岩体裂隙内的漏风通道，避免密闭墙体内有害气体外溢。

2.2 密闭墙延伸加固

密闭墙延伸加固包括两个部分，分别为在密闭墙一侧布置远端封闭、在远端封闭与密闭墙间布置阻隔带。具体密闭墙延伸加固方案见下页图2 所示。

图2 密闭墙延伸加固示意图

在原有的密闭墙体内侧8 m 位置通过注入高膨胀材料构筑远端封闭，远端封闭类似于挡浆墙，可在阻隔带施工期间降低浆液外溢量。远端封闭设计厚度为1.0 m。具体远端封闭施工方案为：在现有的密闭墙顶部布置注浆钻孔，钻孔与两侧巷道壁间隔均为1.0 m、与密闭墙顶部间隔0.3 m，注浆钻孔施工完毕后分别插入两根长度分别为10 m、12 m 的注浆管。通过注浆孔A、注浆孔B 分别向阻隔带内注入膨胀材料，选用的膨胀材料具有膨胀性能好、反应时间可调以及强度高等优点。

在远端封闭与原密闭墙中间的阻隔带施工采用注浆方式实现。根据阻隔带功能需要，采用的注浆材料以水泥单液浆为主，并采用高分子材料实现阻隔带接顶。选择使用的水泥单液浆水灰比为1∶1；高分子材料为双组分材料，具有强度高优点，材料反应后可与墙面及四周岩体严密贴合，确保阻隔带严密接顶。阻隔带施工按照分层方式进行，具体钻孔布置方式见图3 所示，其中第1—第3 钻孔用以注入水泥单液浆，钻孔间隔均为1.5 m；在距离密闭顶0.2 m处布置第4 钻孔，用以入高分子材料灌注。

图3 阻隔带充填钻孔布置示意图

3 密闭墙体周边漏风裂隙封堵

采用注浆方式对密闭墙体周边漏风裂隙进行封堵，结合现有的密闭墙体结构以及延伸部分长度，确定的密闭墙体漏风通道注浆钻孔长度为5.0 m。由于漏风裂隙多为小缝隙裂隙，采用大颗粒注浆材料难以实现裂隙有效封堵，为此文中选择采用可注性好、黏度低、强度高的高分子固结材料（MK-1 型）。该种注浆材料包含A、B 两种组分材料，按照1∶1 的质量配比混合并通过注浆泵将高分子材料注入到漏风裂隙中，通过材料在漏风裂隙中反应即可实现裂隙封堵。根据以往注浆封堵经验，确定注浆浆液扩散半径为1.0 m，注浆压力选择为1.0 MPa。

注浆钻孔设计时应综合包括注浆半径、注浆范围等，确保注浆后可在密闭墙周边形成严密的防护帷幕。为此，设计的注浆钻孔布置方案见图4 所示，在密闭墙两侧及顶板位置各布置2 排注浆钻孔，钻孔布置呈梅花桩形式，内圈钻孔、外圈钻孔与密闭墙间水平距离分别为1.0 m、2.0 m、分别布置8 个、11个。钻孔均为二开结构，一开长度500 mm、孔径94 mm 并下方75 mm 钢套管，二开长度4 500 mm、孔径50 mm。

图4 漏风裂隙注浆钻孔布置示意图

4 现场应用效果

矿井密闭墙加固以及漏风裂隙封堵等工作共计耗时60 d，再完成加固后对密闭墙体封闭采空区内溢出的有害气体进行巡检。在后续巡检过程中均未发现密闭墙及周边出现缝隙，对CO 浓度进行监测，发现CO 浓度监测浓度均0。

通过对密闭墙进行延伸加固并封堵周边漏风通道，可实现老旧采空区有效密闭，同时采用的加固措施耗时短、安全系数高以及作业人员劳动强度较低。

5 结论

老旧采空区内积聚有大量的有毒有害气体，采空区密闭是实现通风系统正常运行并避免采空区内有害气体外溢的主要措施。受到采动动压以及部分密闭时间过长等因素影响，密闭墙体及周边岩体出现漏风裂隙，如何实现密闭墙加固以及漏风裂隙封堵是矿井生产过程中需重点解决问题。

文中针对矿井老旧密闭墙体厚度小、密闭效果差等问题，提出采用密闭墙体延伸加固、注浆封堵漏风裂隙等方式降低采空区内有害气体外溢，并具体对加固技术方案进行设计。现场应用后，密闭墙体封堵效果得以明显提升，密闭墙体外未再监测到CO，取得较好的密闭加固效果。