井下可移动水闸墙的快速自建实验研究

高 宇，王经明，丁 涛，孙长礼

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

井下可移动水闸墙的快速自建实验研究

高 宇，王经明，丁 涛，孙长礼

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为了阻止我国煤矿老空水害事故的发生和蔓延，开展了快速自建移动水闸墙的模拟实验研究。实验以1 ∶100的比例，分别用固体、液体材料对巷道中有无皮带架的条件下进行了正交模拟水闸墙快速、自动建筑实验。实验获得了液体充填材料的水闸墙生效时间为36 s～185 s、膨胀压力为1.03～1.2 MPa、堵水率为78%～99%，固体充填材料的水闸墙生效时间为185 s～240 s、膨胀压力为0.52～0.65 MPa、堵水率为70%～83%的重要数据。分析了实验效果和影响因素，探讨了该技术的实用性和适用条件。实验对比研究表明：以液体为充填材料的水闸墙堵水效果好于固体；无皮带架巷道水闸墙的堵水效果明显好于有皮带架的。

移动水闸墙；快速自建；模拟实验；矿井水害

0 引言

据调研，我国每年都有导致数以百计死亡的煤矿老空水害事故发生，多是因为无法及时阻止灾害蔓延而造成的。尽管国内外煤矿都以防水闸墙和防水闸门为蔓延阻止方式，但一直都没有有效地起到遏制死亡灾害的发生作用。原因是防水闸墙是突水发生以后建筑的不可移动的隔离水淹区的手段，尽管效果良好，但由于不能及时建筑；水闸门是在水害前建筑的隔离水淹区域的方法，也是在水害发生后靠人工关闭的，往往因为巷道皮带架难以拆除，或金属设备随水冲入而无法关闭。这两种防水措施都是在水害发生后靠人工而起作用的，没有起到快速自建的作用。因此，迄今为止，国内外尚无任何一种能够在水害发生时就能够即时终止水害蔓延、为人员的逃生争取时间的有效方法。

据调研，我国整合煤矿和规模以下煤矿达10530座之多，一直受到老空水的威胁，急需一种能够快速自动封堵井下突水、遏制水害于萌芽阶段、或为井下工作人员逃生争取时间、确保矿井安全的装备和技术，因此开展快速自建水闸墙的实验研究具有很大的实际意义。

快速自建水闸墙的研究采用了模拟实验的方法，即以无缝钢管模拟巷道，高压水泵模拟突水，以高分子吸水膨胀树脂(固体)和有机-无机杂化材料(液体)为充填材料来模拟快速自建水闸墙过程，观测堵水速度和堵水效果。树脂材料的吸水膨胀率、膨胀速度和膨胀压力已有很多学者进行了研究[1-4]，并获得了许多参数；有机-无机杂化材料的膨胀率、膨胀速度、膨胀压力和放热性能等也有学者进行了研究，并在煤矿堵水中进行了应用[5]，水闸墙的堵水技术近期也得到很大的发展，特别是在松软煤巷特大突水条件下建筑技术[6]，在软弱岩体内快速构筑化学浆和混凝土水闸墙技术[7]，在高温狭小空间特高压水闸墙建筑技术[8]，人工块体快速构筑技术[9-10]，全自动防水闸门技术[11]，高压防水闸墙形态研究[12]，水闸墙在注浆堵水领域的应用研究[13]，煤层巷道特高压非连续浇筑水闸墙的设计研究[14]，水闸墙的抗水压安全性研究[15]，基于FLAC3D建立水闸墙地质模型模拟研究[16]等方面都取得了显著成果。但上述研究的水闸墙仍需要人为构建，无法在突发水害情况下自动快速建筑，也无法跟随工作面移动，因此起不到止灾、救灾作用。为了解决我国水害防治的迫切问题，我们开展了快速自建移动水闸墙的实验研究，目的是为工业性试验提供依据，为减少煤矿水害伤亡提供设备。

1 实验原理

矿井快速自建移动水闸墙实验是根据矿井巷道条件所做的1 ∶100的相似模拟实验。实验分为固体和液体材料两大类，每一类又分为有无皮带架两种条件。无皮带架的巷道以空管道模拟；有皮带架的巷道以管道底板安装槽钢模拟。实验采用标准无缝钢管，以便观测实验中水闸墙的耐压能力。如果巷道没有皮带架，墙袋为单体型(见图2)，固定于顶板的墙袋遇水展开、充填、膨胀，形成水闸墙；如果巷道内有皮带架，则墙袋为组合型(见图3)，皮带架上方的墙袋固定于顶板，展开时呈裤装跨于皮带架上，下方的墙袋固定于底板，突水膨胀，和上方水闸墙联合起作用。

以液体为充填材料快速自建的移动水闸墙结构图如图1。

图1 快速自建移动水闸墙结构图

水闸墙袋在正常情况下是束扎在顶板上的，在突水时水压或流速传感器发出信号给自动控制器，束扎系统自动打开，水闸墙展开，利用高分子固体材料的高度吸水快速膨胀性，使得袋内吸水膨胀材料吸水膨胀，实现快速自建。

有机无机杂化原材料分为A,B两种，充分混合以后迅速膨胀、固化形成水闸墙。A,B材料分装于容器内，待灾害发生时，墙体袋展开，气动注浆泵模拟巷道在突水断电的情况下正常注浆充填，使得材料A、B混合后注入墙体袋内快速膨胀，实现快速自建。

图2 单体型水闸墙结构图。 A 液体膨胀材料充填型单体水闸墙。B固体吸水膨胀材料充填型单体水闸墙。

图3 组合型水闸墙结构图。A 液体膨胀材料充填型组合水闸墙。 B固体吸水膨胀材料充填型组合水闸墙。

水闸墙的固定技术采用了阻挡立柱和拉张绳索的方法，即在水闸墙的下游端设立若干高阻立柱，在迎水端用高强度绳索将水闸墙固定于顶板锚杆上，保证水闸墙在水流作用下不摇摆、不纠缠，在水压作用不移动。

水闸墙的移动技术采用折叠式的水闸墙，可以随着掘进头移动。一般位于皮带机端部，使得受水灾的空间最小。

水闸墙的成型技术采用由高强度纺织品芳纶胶粘或缝合墙体袋实现，袋体的大小和形状将根据巷道和皮带架的大小和位置制作。

2 实验系统及材料

2.1 实验系统

本次实验设备主要由空压机系统、注浆泵系统和高压水泵系统组成。空压机系统为注浆泵提供压力，使注浆泵工作。注浆泵系统使液体材料通过旋导管道混合均匀后注入墙袋中。高压水泵系统为水闸墙提供水压，模拟带压突水，实测水闸墙的抗压强度。

2.2 实验材料

2.2.1 固体充填材料—高分子吸水树脂材料DC-1

参数: 无嗅，无毒，无害，无污染，无腐蚀性。密度约为1 g/cm3，膨胀倍率为500倍。在环境温度26～28℃、水温22℃，吸水膨胀280 s后，材料膨胀了50倍。

2.2.2 液体充填材料—有机无机杂化液体充填材料

参数：有少量的刺鼻气味，无毒，无腐蚀性。密度约为1 g/cm3，混合后膨胀倍率为30倍。在环境温度26～28℃，两种液体材料按1:1充分混合后，经45 s～200 s(可控)充分膨胀，形成硬度较大的固体材料。

2.2.3 约束材料

碳纤维和芳纶强度符合制袋材料的要求，但实验发现碳纤维的脆性大，胶粘线处易折断，不适用。芳纶具有强度高、耐腐蚀、耐高温、易折叠、高渗透特点。因此，芳纶材料被选用，其参数是：抗拉强度3400 MPa，弹性模量240 GPa；耐温度180℃；无毒、无嗅，耐腐蚀酸碱和有机溶剂的侵蚀。

3 实验工程

3.1 固体充填材料水闸墙模拟实验

(1) 固体充填材料无皮带架实验，实验过程是：

① 称取固体材料(按固体膨胀率50倍算)，装入一定容积的墙袋内；

② 将装有固体材料的墙袋固定在无缝钢管上(模拟墙体袋固定在巷道顶板上)，墙袋后侧的绳子固定在无缝钢管上(模拟墙体袋端绳与顶板锚杆相连，防止在实验时水流使袋子摇摆或纠缠)；

③ 将高压水泵的水管连接到无缝钢管的上游端注水孔，以备注水(模拟巷道突水)；

④ 在墙袋的下游端装阻挡立柱，防止在实验时由于水压太大墙袋被冲走；

⑤ 高压水泵注水(模拟巷道突水)；

⑥ 拉下绳子使袋子掉落并展开(模拟突水自动控制阀开启，固定在顶板上的墙体袋展开)，袋内物质与水接触开始吸水膨胀，开始计时；

⑦ 观察水闸墙形成过程及堵水效果；

⑧ 结束实验。

实验结果：见图4(a)和图5。

(2) 固体充填材料有皮带架实验，实验过程是：

① 同上，量好的固体材料装入一定容积的墙袋和条形袋子中；

② 同上，还需要在无缝钢管下面加入槽形钢，并在槽形钢里面加入装有固体材料的条形袋子(模拟巷道的真实情况)；

③④⑤⑥⑦⑧ 同上。

实验结果：见图4(b)和图5。

3.2 液体充填材料水闸墙模拟实验

(1) 液体充填材料无皮带架实验，实验过程是：

① 量取A,B材料各相同的量(按膨胀倍率为15倍算)，分别放在两个烧杯中；

② 将墙袋固定在无缝钢管上，墙袋后侧的绳子固定在无缝钢管上；

③④⑤同实验一；

⑥ 拉下绳子使袋子掉落(模拟突水自动控制阀开启，固定在顶板上的墙体袋展开)，开始计时，用漏斗通过混合器从注料孔向墙袋中以1：1的比例注入A,B材料；

⑦⑧同实验一。

实验结果：见图4(c)和图5。

(2) 液体充填材料有皮带架实验，实验过程是：

① 量取A,B材料各相同的量(按膨胀倍率为15倍算)，分别放在两个烧杯中；称取固体材料(按膨胀率50倍算)，装入条形袋内；

② 同上，还需要在无缝钢管下面加入槽形钢来模拟煤矿巷道内的皮带运输架，并在槽形钢里面加入装有固体材料的条形袋子，以封堵皮带架下的水流；

③④⑤⑥⑦⑧同上。

实验结果：见图4(d)和图5。

4 实验结果及综合分析

实验结果如图4所示。

图4 水闸墙带压模拟实验结果图

图5 水闸墙带压模拟实验残余水量曲线图

由图4(a)，(b)可知，在水压加到0.5 MPa以后，已有少量固体颗粒由墙体袋的接缝中微量“渗出”到少量的“流出”(自制的墙体袋质量有缺陷)，说明固体充填建筑的水闸墙在压力作用下将会泄露，造成稳定性差。其堵水效果见图5、实验数据见表1。

表1 不同充填材料在有无槽钢条件下水闸墙堵水效果对比表

由图4(c)、(d)可知，因液体快速膨胀，使得袋体的接缝发生少量液体渗出和流出，实验发现，液体膨胀期间的少量渗出对堵水有益无害，因为渗出的液体可以在流动过程中固结，封堵了小型的缝隙，使水无法流出，起到了二次注浆封堵的效果。其堵水效果见图5、实验数据见表1。

图5所示，在有皮带架条件下，固体充填的模拟实验残余水量稳定在0.45 L/s，水量不在增加；液体充填的模拟实验残余水量稳定在0.32 L/s，水量不在变化。在无皮带架条件下，无论是固体还是液体充填材料，其实验残余水量基本为零。实验表明：在无槽钢模拟水砸墙带压实验时，无论采用固体充填材料还是液体充填材料，其堵水效果都比有槽钢时的堵水效果好。主要原因是水闸墙袋与槽钢的脚处地接触不严，有较显著的漏水所致。

图5和表1所示，在采用液体充填材料模拟实验时，无论在有皮带架还是无皮带架条件下，其堵水生效快、达最大压力时间短、膨胀压力大、残余流量少，堵水效果都比采用固体充填材料的堵水效果好。无皮带架液体充填实验的堵水生效时间最短，仅为36 s，50 s后，膨胀压力过大，使得袋体爆破约5 cm，液体停止从袋体的破裂处涌出，水压加大至1.2 MPa，水量减小至0.008 L/s。当温度冷却后，墙体的体积有收缩甚微，水量没有增加。

5 实用性和适用条件讨论

本实验较矿井的实际情况做了一定的简化，例如皮带架。实际使用的皮带架有双层滚轮，都是固定的。模拟时，仅以倒扣的槽钢袋体。槽钢内放置了条形付墙袋，在真实的矿井突水突水时，按照在煤层底板上的付墙袋难以将双层滚轮之间的空间充满，留下过水间隙。这个问题的解决方法是：在两层滚轮之间增加一个条形墙袋，固定在皮带架上。内部的充填材料和底板条形袋的充填材料相同。可以采用液体充填材料，也可以采用固体充填材料。根据实验，液体充填材料明显较固体充填材料堵水效果好。

实验中，管壁都是光滑的。实际上，矿井的巷道壁都参差不齐，存在着突出锚杆头，如果是煤巷，网墙内还可能为虚煤，这可能使得墙体袋被刺破，或煤壁内的虚煤被冲走而漏水，可能使水闸墙失效。固体充填材料也可能从刺破的洞口中泄露。本实验推定的解决方法是：①加厚袋体的厚度；②用液体充填材料代替固体充填材料；③煤壁锚杆加密或喷浆或注浆。

液体充填材料在充填膨胀完毕后将发生轻微冷缩，将使膨胀压力降低，造成煤壁漏水，本次实验推定的解决方法是：对水闸墙进行二次注浆。

本实验由于经费和时间关系，仅研究了自动建筑系统的基本构思。

自动控制的基本构思如下：采用传感器与微型计算机自动控制电机实现水闸墙的自动展开，自动充填。

(1) 设备

l水压传感器，压力传感器，温度传感器，PLC控制器，风管开关电机，水闸墙展开电机。

(2) 控制系统的功能

① 控制功能

该装置由人工和自动两种控制方式。手动控制可以有控制箱实现，操作方式与井下其他人工操作无异，即采掘工作面与透水事故人员快速后撤之后，在远离采掘工作面或无危险的位置进行操作，以实现固定材料袋开关打开，然后开启注浆泵，使液体膨胀材料均匀混合并注入材料袋中迅速形成水闸墙，该方法适用于设备的检修、设备的调试、系统故障等情况。自动的控制方式传感器收到透水事故的发生，将信息反馈到PLC控制器，然后PLC控制器按照设计好的程序进行水闸墙形成的一系列工作。

PLC控制器可外接线缆与计算机相连实时显示传感器采集的数据如：水闸墙生成后的压力，水闸墙的温度。信息的实时反馈有利透水事故后对其造成的影响的评估，以及事故处理的顺利进行。

② 保护功能

系统配有独立电源供电，防止水害发生时电力中断。

6 结论

(1) 固体充填材料的水闸墙生效时间为185 s～240 s，到达峰值压力时间为300 s～540 s，膨胀压力为0.52～0.65 MPa，堵水率为70%～83%。

(2) 液体充填材料的水闸墙生效时间为36 s～185 s，到达峰值压力时间为75 s～470 s，膨胀压力为1.03～1.2 MPa，堵水率为78%～99%。

(3) 无论在有皮带架还是无皮带架条件下，以液体为充填材料的水闸墙堵水效果好于固体充填材料。

(4) 固袋绳和阻挡立柱在水闸墙建筑过程中在防止墙体袋摆动、纠缠和移动方面起到很大的作用，是必不可少的。

(5) 无皮带架巷道水闸墙的堵水效果明显好于有皮带机的巷道所追求的堵水效果。用液体充填材料快速自建水闸墙在水压不大于1.0 MPa、无皮带架的条件下，堵水率大于90%；同样压力、有皮带架条件下，堵水率大于78%。堵水的效果足以为井下工作人员逃生争取足够的时间，能够达到降低煤矿灾害程度的目的。

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Experiments on instant and automatic construction of mobile floodgate wall in mines

GAO Yu, WANG Jing-ming，DING Tao，SUN Chang-li

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601，China)

To prevent the occurrence and spread of goaf water accidents in coal mine, the analogue experiments were conducted on instant and automatic construction of mobile floodgate wall(MFW). Under the conditions with or without Belt Rack, the orthogonal simulation experiments with 1:100 ratio of real conditions in the roadway on instant and automatic construction were done by filling in solid or liquid materials. Two groups of the important data were obtained from the experiment: the effective time of MFW filled in the liquid material is 36～185s, the expansion pressure is 1.03～1.2MPa, the water plugging rate is 78%～99%; the effective time of MFW filled in the solid material is 185～240s, the expansion pressure is 0.52～0.65MPa,the water plugging rate is 70%～83%. The influencing factors on the experimental results were analyzed and the practical and applicable conditions of the technology were discussed. Comparison of the two groups of the data shows that MFW filled in liquid material is better in water plugging effect than that filled in solid material; water plugging effect of MFW under the condition without the belt rack is better than that with belt rack.

mobile floodgate wall; instant and automatic construction; analogue experiment; mine water disaster

2015-12-10

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015116)

高宇(1991-)，男，山西朔州人，华北科技学院在读工程硕士研究生，主要研究方向为矿井水害防治。E-mail：448559280@qq.com。

TD745

A

1672-7169(2016)01-0050-06