1、支承压力影响下防火密闭构筑物构建 裴守仁 汾西矿业集团孝义煤矿管理分公司 摘 要： 为了合理确定在支承压力影响下防火密闭墙的位置及结构, 文中结合工作面支承压力分布规律, 参考 FLAC 3D 数值模拟结果和矿井密闭防灭火技术规范中的相关要求, 最终确定联络巷防火密闭构建在距辅运顺槽副帮 47m;确定了工作面平巷联络巷防火密闭采用“1.0m 混凝土墙+1.0m 罗克休充填层+1.0m 混凝土墙”的结构形式, 提出了密闭构筑物使用过程中的管理要求。关键词： 支承压力影响; 防火密闭; 密闭结构; 作者简介：裴守仁 (1969-) , 男, 山西平遥人, 工程师, 毕业于太原理工大学。收稿日期：2
2、017-9-10Abutment pressure under the influence of fire prevention sealing structure buildingPei Shouren Fen Xi xiaoyi coal mining group management branch; Abstract： in order to reasonably determine the abutment pressure under the influence of fire location and structure of the seal, in this paper, in
3、 combination with working face abutment pressure distribution law, refer to the FLAC 3 d numerical simulation results and the technical specification for the mine closed fire extinguishing the relevant requirements, the final connection fire airtight build from the auxiliary transport gateway deputy
4、 for 4 7 m;Determine the heading face connection fire sealing adopts “1.0 m + 1.0 m rocsil foam concrete wall pack + 1.0 m concrete wall“ the structure of the form, put forward the airtight structure management requirements in the process of use.Keyword： bearing pressure; Fire prevention sealing; Ai
5、rtight structure; Received： 2017-9-10工作面平巷联络巷受工作面采动影响和采空区顶板弯曲下沉引起的支承压力以及掘巷造成的煤柱残余应力三者的共同影响, 使得联络巷不同位置处压力差别明显1-2。现在我国很多煤矿在确定密闭构建位置和结构的时候, 没有考虑支承压力的分布规律以及密闭是否会受到工作面的采动影响, 对于所有的密闭均是采用同样的结构、相同的参数、固定的位置进行构建, 这是井下密闭在使用过程中在顶板压力等影响下时常出现变形破坏的主要原因3-4。1 工程概况1.1 煤层概况31 采区是首采区, 煤层全区分布、大部可采, 是井田主要可采煤层之一, 煤层可采厚度 0
6、.827.45/4.47m, 煤层厚度整体变化较小, 局部有波状起伏, 属于稳定偏较稳定煤层, 煤层倾角 13。31 采区平均埋深 420m, 煤层瓦斯含量低, 瓦斯涌出量也较小, 煤尘具有爆炸性, 自燃倾向性等级为容易自燃, 自然发火期短, 井田属于地温正常区, 地温梯度小于 3/100m, 无地热危害。31 采区煤层上方 24.1530.50m 范围内, 顶板主要由泥岩、砂质泥岩、粗粒砂岩和中粒砂岩组成, 其中中粒砂岩为主体岩层, 底板主要由砂质泥岩和泥岩组成。各岩层抗拉强度均值见表 1。表 1 工作面项底板岩层抗拉强度表 下载原表 1.2 工作面布置3101 工作面为矿井首采工作面, 采
7、用走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法, 设计采高 5.6m, 位于 31 采区西部, 走向长度 2503.74m, 倾向宽度300.58m。工作面采用四巷布置如图 1 所示, 其中回风顺槽留作下一工作面回风顺槽继续使用。图 1 3101 工作面巷道布置图 下载原图3103 工作面为 31 采区第二个工作面, 工作面南西为 3101 工作面采空区, 设计走向长度 4227.92m, 倾向宽度 300.58m, 设计采高 5.53m。3103 及后续工作面均采用三巷布置如图 2 所示, 工作面辅运顺槽留作下一工作面回风顺槽继续使用。图 2 1303 工作面巷道布置图 下载原图1.3 联络巷布置
8、及防火密闭存在问题根据顶底板的实际情况, 31 采区工作面胶运顺槽与辅运顺槽间两联络巷之间的距离为 5080m, 联巷方向垂直于顺槽。联络巷的掘进尺寸宽 5.2m, 高 4.0m, 长 18m。联络巷采用锚杆+锚索+网片联合支护, 其中顶板锚杆间排距为0.9m1m, 两帮锚杆间排距为 1m1m, 锚索间排距为 2.7m3m。根据现场实测, 3101 工作面、3103 工作面实际采高均为 4.6m, 均小于工作面作业规程中的设计采高, 而且在工作面开采过程中为了预防工作面底鼓, 采取了留底煤措施, 因此造成采空区遗煤较多, 而且矿井 31 煤的自燃倾向性等级为容易自燃, 为预防采空区遗煤自燃,
9、同时防止采空区内有毒、有害气体进入巷道内以及防止人员误入采空区, 需要在工作面平巷联络巷内构建防火密闭。防火密闭的施工工序多、劳动强度大, 通过实际观察, 当工作面推过防火密闭位置一定距离后, 大部分防火密闭在顶板压力及巷道底鼓综合作用下, 其完好性遭受破坏, 出现变形、裂缝等情况, 同时由于部分联络巷存在淋水现象, 造成充填层内黄土和生石灰混合物凝结成块, 在项板压力作用下充填层容易形成裂缝, 使防火密闭整体性差、气密性不好、不能有效地把采空区彻底密闭, 既影响了有效风量, 又带来采空区发火隐患。2 防火密闭构建位置及时间研究本文采用 FLAC3D 数值模拟软件, 对构建在联络巷内不同位置处
10、的防火密闭在工作面开采过程中的变形进行模拟, 最终确定联络巷防火密闭的合理构建位置。2.1 模拟方案根据工作面地质条件建立数值模型, 模型尺寸长宽高=250m400m80m。计算时分原岩平衡、巷道开挖和防火密闭构建及工作面回采三步5, 在防火密闭位置选择时, 由于联络巷两边距巷口 3m 范围内属于受掘巷影响形成的塑性变形区, 煤体失去支承能力, 增加了防火密闭的施工难度, 而且容易因为裂隙漏风加剧密闭质量下降, 所以选择联络巷内 3 个范围进行模拟, 分别为距胶运顺槽 37m、711m 和 1115m, 选取防火密闭墙体为宽 2m 的砖墙进行模拟。2.2 模拟结果分析图 3 距胶运顺槽副帮不同
11、范围内最终垂直量统计 下载原图由图 3 可知, 距胶运顺槽副帮 37m 范围内构建的防火密闭最终垂直位移量为380mm 左右, 距胶运顺槽副帮 71lm 范围内构建的防火密闭最终垂直位移量为130mm 左右, 距胶运顺槽副帮 1115m 范围内构建的防火密闭最终垂直位移量为88mm 左右, 因此在距胶运顺槽副帮 1115m 范围内构建防火密闭最合适, 同时结合矿井密闭防灭火技术规范中关于密闭位置选择的要求, 密闭外侧离巷口应留有 45m 的距离, 故最终确定联络巷防火密闭构建位置为距胶运顺槽副帮1114m 范围内, 即距辅运顺槽副帮 47m 的范围内。2.3 防火密闭构建位置根据理论分析和数值
12、模拟, 结合矿井密闭防灭火技术规范中关于密闭位置选择的要求, 最终确定联络巷防火密闭构建位置为距胶运顺槽副帮 1114m 范围内, 即距辅运顺槽副帮 47m 的范围内, 如图 4 所示。图 4 防火密闭位置图 下载原图2.4 防火密闭构建时间根据工作面现场实测数据, 结合煤矿对于防火密闭的构建要求, 联络巷防火密闭必将受到工作面超前支承压力的影响, 理由如下:(1) 工作面侧向支承压力与超前支承压力会在工作面顺槽隔离煤柱会和, 形成支承压力的叠加。(2) 工作面超前支承压力的明显影响距离为 2040m, 直至进入采空区一定距离仍然维持在一个较高的压力数值。(3) 根据煤矿要求, 为了阻断风流、
13、防止井下工作人员误入采空区以及保障密闭施工人员安全, 联络巷防火密闭必须在工作面推进至联络巷位置前施工完毕。为了减轻联络巷防火密闭受工作面超前支承压力的影响, 同时满足煤矿的相关规定, 防火密闭构建完成时联络巷应尽量靠近工作面开采位置。3 防火密闭结构3.1 防火密闭结构传统的防火密闭多为单墙结构, 一般选用混凝土、砖块及一些刚性的材料, 这种构建方式的密闭结构简单、成本低, 但是抗压能力差, 在顶板压力作用下容易变形破坏, 造成漏风, 带来安全隐患, 因此应该改变密闭单纯使用刚性材料进行构建的习惯做法;目前新型密闭材料多采用让压原理, 在支承压力作用下, 密闭随煤柱一起变形, 此时支承压力主
14、要由煤柱来承担, 增加了墙体的抗压能力, 但是也存在抗冲击性和气密性差等缺点;因此 31 采区工作面平巷联络巷防火密闭采用双墙体充填的结构形式, 由于原有设计中充填材料选用黄土和生石灰的混合物, 在顶板淋水的影响下, 容易凝结成块, 受顶板压力作用破裂形成缝隙, 造成漏风, 故充填材料选用新型密闭材料, 墙体选用传统的刚性材料。3.1.1 防火密闭墙体材料传统的刚性密闭墙体构建材料一般选择砖块或者混凝土, 由于砖墙与混凝土墙相比, 抗压强度相对较小, 在工作面采动影响下容易发生变形破坏, 而且采用混凝土喷浆, 节省了时间和人力, 故选用混凝土作为防火密闭的墙体构建材料。根据混凝土结构设计规范中
15、关于混凝土结构暴露的环境类别的划分要求, 井下联络巷防火密闭所处环境类别应为二 a 类 (室内潮湿环境;非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境) , 根据相关要求, 防火密闭使用的混凝土应满足以下基本要求:最大水胶比 0.55;最低强度等级 C25;最大氯离子含量 0.20%;最大碱含量 3kg/m。同时根据混凝土结构设计规范中关于混凝土轴心抗压强度标准值的规定, 强度等级为 C25 的混凝土, 轴心抗压强度标准值 fck=16.7N/mm (16.7MPa) , 轴心抗拉强度标准值 ftk=1.78N/mm (1.78MPa) , 抗剪强度标准值 =2.5MPa。3.1.2 防
16、火密闭充填材料防火密闭的充填材料应该满足构建速度快;施工方便;抗压强度高。气密性好;保质期长等要求。根据上述要求, 选用罗克休泡沫充填材料。罗克休泡沫是由树脂和催化剂组成的注射产品, 具有高膨胀性, 膨胀后体积为原体积的 2530 倍, 密闭严实, 不留死角;泡沫反应迅速, 常温下 2030s 即可反应完毕, 1015时 35min 内膨胀结束, 在 20min 内硬化;具有良好的抗压能力, 抗压强度能够达到 0.2MPa 作用, 而且具有良好的可压缩性, 能够适应岩层的运动, 不蔓延火焰;施工方便, 通过 1 台泵和 1 支混合枪, 以 4:1 的比例混合树脂和催化剂, 发生快速反应生成泡沫
17、;其中树脂的保质期一般为 3 个月, 催化剂的保质期一般为 12 个月。目前罗克休泡沫已在我国许多煤矿中应用, 取得了良好的效果。3.2 防火密闭墙体及充填层厚度3.2.1 密闭墙体厚度我国目前对于防火密闭体厚度没有明确的计算公式, 根据防火密闭的作用和使用条件, 在此可以借鉴采矿设计手册中关于硐室密闭的设计规范中厚度的计算公式进行推算。按 C25 混凝土抗剪强度计算:式中:D 为防火密闭体宽度, m; 为 C25 混凝土抗剪强度, 2.5MPa;a 为防火密闭所在联络巷净宽度, 5.2m;b 为防火密闭所在联络巷净高度, 4m;P 为防火密闭所受压力, MPa。根据上文确定的联络巷防火密闭合
18、理构建位置, 以原有防火密闭结构, 在 29L联络巷离胶运顺槽副帮 1114m 范围内构建防火密闭, 并在密闭砼墙距巷道底板2m 处的中间位置安装板状应力计, 监测自联络巷距工作面前方 70m 至进入采空区 100m 范围内的应力变化, 如图 5 所示。根据监测数据可知:自工作面前方 70m 处应力计应力开始逐渐增加, 至进入采空区 100m 过程中线性增大, 密闭所承受的项板压力值不断增大, 最大达到1.8MPa, 即 P=1.8MPa。可以看出, 监测数据小于联络巷上方原岩应力, 造成这种现象的主要原因有两点:一是密闭构建材料之间、密闭体与联络巷项底板之间不是严密接触的, 其中的充填物具有
19、一定的可压缩性, 这使得围岩的能量在一定程度上得到了释放, 减少了作用在密闭上的压力;二是联络巷两侧的煤柱承担了一部分支承压力, 密闭承担的并不是支承压力的全部。图 5 应力变化曲线 下载原图将数据代入上式, 计算得到 D0.81m。综合上述 3 种方法, 最终确定防火密闭的内墙和外墙的墙体厚度均为 1.0m, 即满足煤矿安全生产的要求。3.2.2 防火密闭充填层厚度目前对采用双混凝土墙充填式防火密闭的充填层厚度没有明确的规定, 在矿井密闭防灭火技术规范中要求:双墙充填密闭当巷道断面大于 10m 时, 采用料石墙, 充填 3.5m, 但规范中双墙充填密闭使用的充填材料为河沙、粘土、粉煤灰或凝胶
20、等材料, 对于罗克休泡沫充填厚度没有明确规定, 在此参考其他矿井防火密闭构建资料, 确定罗克休泡沫充填层厚度为 1m。3.3 防火密闭抗压能力分析对于密闭的抗压能力, 最简单的理解就是在顶板压力作用下不出现变形破裂, 也就是密闭的抗压强度大于顶板压力。防火密闭刚性墙体原料选用 C25 混凝土, 其抗压强度为 16.7MPa, 而实测工作面侧向支承压力最大值为 15.55MPa, 而防火密闭构建位置处支承压力近似等于原岩应力, 即 9.66MPa, 同时由于密闭两侧煤柱的支撑作用, 防火密闭受力远小于原岩应力, 根据实测结果, 仅为 1.8MPa, 因此正常情况下防火密闭仅靠刚性墙体就可以满足需求。假设由于某些原因, 造成混凝土墙体破裂, 此时罗克休泡沫充填层会被缓慢压缩, 防火密闭由墙体的刚性抗压变成充填层的柔性让压。随着顶板压力的增大, 罗克休爆破充填层不断被压缩, 抗压强度逐渐增大, 但充填层不会损坏, 不会形成漏风, 确保了井下安全。3.4 防火密闭结构图工作面平巷联络巷防火密闭结构如图 6 所示。
