混凝土砌砖与落叶松木段双层联合密闭封闭采空区预防采空区自然发火研究

摘 要：主要介绍通过对密闭材料力学分析，创新混凝土砌砖密闭与木段密闭双道密闭施工工艺以及取得的封闭效果。

关键词：密闭 工艺 封闭效果

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0070-02

采空区是煤矿采面采后自然发火的主要地点，对采空区及时有效的封闭是防止采空区自然发火的重要手段。河北唐山开滦集团公司荆各庄矿业分公司属于自然发火严重的矿井，最短发火期60天，采空区及时严密封闭，达到漏风量很小或者不漏风的效果，显得尤为重要。封闭采空区密闭的形式和材料直接影响着采空区的密闭效果。以前，荆各庄矿业分公司封闭采空区多使用单一的封闭形式和单一的砖砌封闭材料。由于单一封闭形式和封闭材料很难达到理想的密闭效果，所以采空区经常因密闭漏风造成采空区残煤出现自然发火隐患。经过多年实践，我们遵循混凝土砌砖密闭与木段密闭的特点，自2010年开始，荆各庄矿业分公司采用混凝土砌砖与落叶松木段双道联合密闭施工封闭采空区，经检验，在矿井防火工作取得了理想的良好效果。

1 采空区密闭主要指标

密闭墙主要是通过切断煤炭自燃的供氧条件来达到防止煤炭自燃的目的的，封闭采空区密闭墙主要有以下特点。

（1）密闭的气密性：密闭的气密性高低直接影响封闭火区的漏风量，密闭的气密性越高，其风阻值越大，漏风越小。

（2）密闭的抗压强度：封闭密闭受矿山压力的影响，由于采后采空区周围巷道支撑压力显现明显，巷道变形严重，所以密闭的抗压强度是一个非常重要的指标。

（3）密闭施工时间：封闭时间具有紧迫性：《煤矿安全规程》第117条规定：采空区必须及时封闭。采空区开采结束后的45天内，必须在所有已采空区相连通的巷道中设置防火墙，全部封闭采空区。采空区供风氧化时间越长自然发火的几率越大。对于容易自燃煤层尽早的封闭采空区无疑具有非常重要的意义。

（4）使用材料便于施工运输；由于井下环境复杂，施工密闭的材料不但要求价格低廉还要求具有运输方便，使用安全的特点。

（5）隔热和防止火灾传播：采空区一旦发生自燃，密闭有隔绝热量传播和阻止火灾传播的作用。

2 不同材料密闭的优缺点

目前煤矿封闭采空区的永久密闭主要有：混凝土砌砖密闭和混凝土料石密闭。另外木段密闭作为一种非永久封闭密闭也被广泛使用。

（1）混凝土砌砖密闭。

混凝土砌砖密闭具有气密性好，施工方便快捷，材料运输方便的特点。但是混凝土砌砖密闭抗压强度低，服务年限短。

（2）混凝土料石密闭。

混凝土料石密闭具有比较高的抗压强度，但是施工工艺复杂，施工速度缓慢，料石井下运输不方便。

（3）落叶松木段密闭，具有较好的抗压性，但气密性不好并且属于燃性材料。

3 采空区密闭材料性质分析

荆各庄矿业公司在井下防治煤炭自然发火工作中发现：单一的密闭材料很难满足对采空区长期有效封闭的要求。由于料石材料密闭施工时间长，运输不方便，不能满足及时封闭采空区的要求，所以在防火密闭工作中一般不采用；砌砖密闭虽然有施工迅速，简便的优点，但是抗压性很差，墙体易劈裂从而造成采空区漏风，形成残煤自然发火隐患。落叶松木段材料密闭虽然抗压强度好，但气密性不好并且属于燃性材料，《煤矿安全规程》严格规定不允许单独使用，如果联合使用其抗压、气密性等优点特性可以互为补充，可以达到理想的封闭采空区效果。

如图1示：一块普通粘土红砖与一块直径200 mm长500 mm落叶松木段抗压强度分析。

由曲线可知混凝土砌砖墙属于脆性材料，在砂浆强度等级M7.5时，当压力达到3.1 MPa时墙体破坏，所以混凝土砌砖墙作为密闭材料时抗压强度低容易损坏（如图2）。

落叶松木材的应力与应变的关系属于既有弹性又有塑性的材料—— 黏弹性材料。落叶松木材在压应力达到33 Mpa时开始受力变形，随着压应力的增加而增加，并且变形较大。当达到50 Mpa左右，在达到一定的变形后落叶松木材变形趋于稳定，所以落叶松木材作为密闭材料具有很好的抗压强度。

4 综合混凝土砌砖和木段材料的双层密闭施工工艺

由对混凝土砌砖和木段材料性质特点分析得知，混凝土砌砖和木段材料具有互补性。同时使用两种这两种材料施工双道密闭能收到比较满意的封闭效果。

（1）工艺原理。

①在施工混凝土砌砖密闭之前先在其前方500 mm处施工一道木段密闭，待木段密闭被压实后再施工混凝土砌砖密闭，木段密闭可以有效的保护混凝土砌砖密闭不被压坏。

②在混凝土砌砖密闭后方500 mm处施工一道混泥土砖砌永久密闭。起到隔绝空气和隔热防止火灾传播的作用。

③如果采空区在预防性灌浆后还是出现了自然发火隐患，两道密闭之间可以进一步充填化学材料进行加固堵漏。

（2）施工质量要求。

1）永久砖密闭施工质量要求。

①砌密闭要挂线施工，灰浆要饱满，密闭墙体无瞎缝、干缝、重缝，灰口不大于10 mm，灰浆配比：灰∶沙=1∶3。

②墙面平整度，要求1米墙面内凸凹度不大于10 mm，无裂缝。

③密闭要求掏槽不小于200 mm；勾缝，四周抹裙边不少于100 mm，并一致。

④严密不漏风（手触无感觉、耳听无声音）。

⑤观察钢管φ50 mm，注浆钢管安设三趟，安防要平直。施工完毕后将各管孔用专用铁堵封孔。

⑥密闭施完毕工后做到工完物尽场地清，无积水、无淤泥、砖块。

2）木段密闭施工质量要求。

①砌密闭要挂线施工，黄泥要饱满，木段密闭墙体无瞎缝、干缝。密闭墙体与煤（岩）壁接触严密。

②密闭要求掏槽不小于200 mm；墙面平整，要求1 m内墙面凸凹度不大于20 mm。

③木段密闭要求勾缝。

5 混凝土砌砖密闭与木段密闭双层密闭施工工艺封闭采空区效果检验

5.1 优点

（1）封闭采空区效果良好。

采用双层密闭施工工艺使密闭具有良好的气密性。密闭墙的漏风量公式为：

q为漏风量；

h为密闭两侧压差；

Rp为密闭通风阻力。

显然在h不变的情况下

R1为木段密闭风阻；

R2为混凝土砌砖密闭风阻。

由此可见双道密闭能显著的增加通风阻力降低漏风量提高封闭效果。

（2）提高抗压强度，延长使用寿命：由木材的应力应变曲线可知，当应力达到50 MPa以后木材基本不再变形，而500 mm混凝土砌砖墙的破坏应力仅为3.1 MPa。所以，待木段密闭被压实后，混凝土砌砖、木段联合密闭可以有效的保护混凝土砌砖密闭不被压坏。双道密闭的抗压强度比混凝土砌砖密闭可提高16倍，密闭的使用寿命由原来的1年可提高到15年以上。

5.2 缺点

（1）相应地增加了密闭材料费用。

①作者简介：齐兴奎（1975—），男，河北唐山市人，工程师，现任开滦荆各庄矿业分公司安全副总。