支承压力影响下防火密闭构筑物构建

杜伟1张宏伟1刘超1,张慧峰1张建忠2

陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 7101002

摘要：工作面开采、采空区顶板弯曲下沉引起的支承压力、巷道掘进引起的煤柱残余应力的共同影响，使得连通巷道不同位置的压力差异明显。目前，我国许多煤矿在确定围护结构的位置和结构时，没有考虑支承压力的分布规律和围护结构是否会受到工作面开采的影响。所有围护结构都是以相同的结构、相同的参数、固定的位置建造的，这也是地下围护结构在使用过程中，在顶板压力的影响下，经常发生变形破坏的主要原因。

关键词：支承压力影响；防火密闭；密闭结构；

一、防火密闭构建位置及时间研究

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=250m×400m×80m。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，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3～7m、7～11m和11～15m，选取防火密闭墙体为宽2m的砖墙进行模拟。

2.模拟结果分析。距胶运顺槽副帮3~7m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7～1lm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11～15m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11～15m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4~5m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11～14m范围内，即距辅运顺槽副帮4~7m的范围内。

3.防火密闭构建位置。根据理论分析和数值模拟，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11～14m范围内，即距辅运顺槽副帮4~7m的范围内，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20～40m，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、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。

二、防火密闭结构

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。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/m3。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/mm2(16.7MPa)，轴心抗拉强度标准值ftk=1.78N/mm2(1.78MPa)，抗剪强度标准值τ=2.5MPa。

2.防火密闭充填材料。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25～30倍，密闭严实，不留死角；泡沫反应迅速，常温下20～30s即可反应完毕，10℃～15℃时3～5min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；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.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。

三、防火密闭管理

根据现有研究成果可知，要经过一段时间工作面的支承压力才会由初期的不稳定状态转变为稳定的残余支承压力。由于工作面支承压力受采高、地质条件、巷道支护方式、开采深度、开采速度等多种因素的影响，这段时间的变化范围较大，一般是2~3个月至1~2年。因此防火密闭构建完成后一段时间内要受到顶板压力重新分布的作用，特别是防火密闭周边有采动并影响到防火密闭的情况下。由于在这段时间内防火密闭存在受力后变形破坏的危险，为了保证防火密闭性能，在这段时间内需要对其进行定期检查。一般情况下在防火密闭构建完成3个月内容易出现变形破坏，在没有相连工作面采动影响下，这3个月内没有出现变形破坏情况，以后一般也不会出现，所以防火密闭构建完成前3个月需加强对其的检查，检查内容主要包括定期检测密闭漏风量，检查密闭及周边煤体状况，对出现损坏的密闭进行维修，规范记录检查和维修情况。

总之，防火密闭构建完成后，要经常对其进行管理和维护，主要包括定期检测密闭漏风量，检查密闭及周边煤体状况，对出现损坏的密闭进行维修，规范记录检查和维修情况。

参考文献；

[1]刘伟．工作面联络巷密闭漏风对采空区自燃影响及预防．2020．

[2]李浩宇．浅谈支承压力影响下防火密闭构筑物构建.2021.