分析穿采空区巷道有害气体涌出的危害,指出了可以应用聚氨酯喷涂堵漏技术防治巷道漏风,控制有害气体涌出。在对聚氨酯喷涂地面试验、测试涂层性能的基础上,应用该技术对板定梁塔煤矿回风斜井穿过煤层采空区的漏风位置进行了表面喷涂,结果表明巷道有害气体涌出得到了有效控制。

随着各地煤炭行业调整整顿工作的进行,部分煤矿通过资源整合提升了生产规模,改变了采煤方法,更新了生产装备。在整合矿井的建设过程中,由于实际条件的限制,一些矿井新开拓的巷道需要穿过上煤层的采空区。但采空区中含有CH4、CO2、CO等有害气体,穿采空区巷道在通风过程中容易导致采空区气体的涌出,给矿井的正常生产带来安全隐患。为消除有害气体涌出危险,有必要对巷道漏风进行治理,确保矿井的生产安全。研究实践表明,在现场监测、探测结果的基础上,结合现有技术,对回风斜井巷道表面应用聚氨酯喷涂堵漏技术,可以有效防止有害气体的涌出。

1 聚氨喷涂材料的特点

聚氨酯喷涂适用于各种基材,具有方便成型效率高的特点,广泛应用于建筑节能保温、冷库及化工设备保温、汽车内饰等领域。两种原材料白料(组合聚醚)、黑料(聚合MDI)混合后迅速反应生成泡沫,并快速膨胀到原体积的15～25倍。膨胀完毕后,泡沫会在几分钟内硬化。聚氨酯喷涂材料快速发泡成型,发泡倍数高,固化后具有较大的韧性,不发脆、不开裂,具有优异的密封性能,是充填、密闭的最佳选择。

聚氨酯喷涂材料在煤矿井下主要应用于一定承压范围内的永久密闭,井下有害气体的快速堵截,瓦斯抽排巷、高位钻场充填及密闭,封堵围岩裂隙,防止空气渗流,在一定范围内构筑密闭墙及防火墙,中空充填及巷道、工作面的冒顶充填,空留巷支架的壁后充填和沿空掘巷的小煤柱裂隙封堵等地方,但较少用于表面喷涂,所以在井下应用之前在地面进行了试验。

2 喷涂试验

2.1 试验过程

试验选取与巷道表面相似的墙体为试验对象。喷涂设备采用以压缩空气做动力的气动注浆泵,压缩空气由高压胶管引入,经过气源附件进入气动增压双液泵;压缩空气驱动双液泵,使两个进料口分别吸入黑、白料,通过工作缸增压后经排浆口输出。排出的浆液用胶管经三通接入喷枪,混合雾化喷出细雾状小液滴,均匀覆盖到煤岩体表面,反应发泡成型。喷涂过程如图1所示。

​2.2 试验结果

(1)堵漏风性能。聚氨酯喷涂泡沫材料用于防治巷道漏风时,密封性是衡量其性能的重要因素。试验过程中材料喷涂之后均匀的覆盖在墙体表面,发生化学反应发泡形成了泡沫层和表皮层。喷涂形成的泡沫层细腻均匀,表皮层致密光滑且具有一定的硬度,涂层整体将墙体完全密封起来,有效地阻止了气体通过墙体表面涂层。涂层透气性的高低主要取决于密闭微孔的数量。经测试,喷涂后的涂层中微孔闭孔率达到了95%以上,聚氨酯喷涂泡沫材料具有良好的堵漏风性能。

(2)强度。聚氨酯泡沫材料的配方、工艺和结构决定了材料的强度。聚氨酯喷涂泡沫材料用于巷道表面喷涂堵漏风时,需要较大的粘结强度,可以保证材料能迅速粘结到墙体表面并保持长时间的稳定。测试表明材料在10%变形时的抗压强度达到了0.6 MPa以上,可以满足井下堵漏风的要求。

(3)尺寸稳定性。聚氨酯泡沫材料长时间受压时体积会发生一定的变化,喷涂后的涂层在长时间放置后变形小于10%,表面光滑,具有一定的弹性变形能力。涂层的韧性和遇压变形性好,能够适应井下巷道随岩层的运动而产生的形变。

3 现场应用

3.1 矿井概况

板定梁塔煤矿是在原矿井资源整合的基础上改造而成的,煤矿(整合区)内可采煤层有1-2#上、1-2#、2-2#、3-1#上煤层,均为全区可采煤层。原板定梁塔煤矿主要开采1-2#上煤层,采用房柱式开采方法,现主要巷道与原开采范围内采空区通过密闭墙和井巷砌碹的方式进行隔离。板定梁塔煤矿周围大面积范围内存在着煤层自燃现象,煤层自燃产生的CO气体在矿井负压通风作用下流入到板定梁塔井巷内,导致矿井中CO浓度超限。其中穿过1-2#上煤层采空区的回风斜井受矿压及矿井负压通风等因素的影响,造成巷道壁穿越煤层存在多处漏风,导致回风流中CO浓度超限。

3.2 漏风位置

回风斜井位于主斜井东南侧,井口标高+1140.0 m,倾角25°,巷道断面净宽3.5 m,净断面积9.7 m2,表土段料石砌碹,支护厚度350 mm;基岩段锚喷厚度100 mm;敷设人行台阶和扶手,担负矿井的总回风及安全出口的任务。回风斜井穿越1-2#上煤层采空区与回风巷交汇长度约30 m,巷道下部为碎石砌成,漏风严重。虽然回风斜井风量较大,但风流中CO浓度仍达到0.06%～0.07%,靠近巷道壁漏风点CO浓度达5%左右。低于报警值(0.0024%)。

结论

1.受矿井负压的影响,采空区的有害气体通过穿采空区巷道的漏风通道涌出,严重威胁矿井的正常生产。治理漏风巷道,避免有害气体涌出能保证矿井的安全生产。

2.在地面选取与巷道表面相似的墙体为试验对象,选取合适的设备及工艺完成喷涂试验,试验结果表明,喷涂聚氨酯喷涂材料的堵漏风性能、强度、尺寸稳定性都能满足治理穿采空区巷道的需求。

3.板定梁塔煤矿的回风斜井穿过1-2#上煤层采空区,受矿井通风的影响,巷道壁存在多处漏风。根据矿井的实际情况,利用喷涂设备对巷道下半部进行喷涂堵漏。经聚氨脂喷涂堵漏后,回风斜井中CO浓度已降至0.0024%以下。