高瓦斯工作面隅角新型組合封堵氣囊研究

喬磊， 范富槐， 黃曉昇

(1.山西潞安集團(tuán)高河能源有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046100； 2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著采煤深度不斷增加，巷道破壞變形更加嚴(yán)重，工作面上下隅角位置漏風(fēng)、瓦斯超限等問題給礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隅角瓦斯治理開展了大量研究。李樹剛等[5]研究了工作面上隅角瓦斯流動(dòng)活躍區(qū)的形成機(jī)理，并結(jié)合Fluent模擬軟件，對(duì)上隅角埋管抽采瓦斯的布置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。吳兵等[6]提出了上隅角瓦斯拖管抽采技術(shù)，使得抽放點(diǎn)可以跟隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)瓦斯抽放最佳效果的連續(xù)性。張勇[7]在某礦尾部聯(lián)絡(luò)巷使用并列雙U型通風(fēng)治理瓦斯技術(shù)，在保證尾部聯(lián)絡(luò)巷間距合理性的基礎(chǔ)上，有效改善了瓦斯抽放與巷道通風(fēng)能力。除瓦斯抽采和通風(fēng)技術(shù)外，隅角封堵也是一種有效的隅角瓦斯治理技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的研究取得了一定成果。張道平[8]研究了垛雙抗袋及風(fēng)筒布封堵技術(shù)的特點(diǎn)，通過實(shí)踐證明了風(fēng)筒布封堵工作面上隅角技術(shù)的可行性。鄭軍[9]提出在高瓦斯綜采工作面回采期間采用氣垛充填上隅角。王磊等[10]研發(fā)了礦用阻燃內(nèi)外膽組合結(jié)構(gòu)的輕型柔性隅角封堵氣囊，并提出了單體液壓支柱配合輕型柔性氣囊的隅角封堵方法。上述研究中，垛雙抗袋、風(fēng)筒布封堵技術(shù)及氣垛充填技術(shù)難以真正做到全斷面封堵，封堵效果不理想[11]；輕型柔性隅角封堵氣囊雖然使用便捷、封堵迅速，但極限承載壓力較小，在巷道形變復(fù)雜情況下難以應(yīng)用，且無法回收利用，增加了隅角封堵成本[12]。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了隅角新型組合封堵氣囊，其具有承載壓力大、可回收利用、在復(fù)雜斷面適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為防治高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限、降低封堵成本提供了保障。

1 隅角新型組合封堵氣囊設(shè)計(jì)

工作面隅角位置封堵截面多變，若將氣囊制成1個(gè)整體，不僅會(huì)造成材料浪費(fèi)，而且增大人員勞動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)延長(zhǎng)封堵時(shí)間，在巷道形變復(fù)雜的情況下難以真正做到全斷面封堵。因此，本文提出將氣囊制作成大小組合式結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同巷道封堵斷面的需要。組合封堵氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，實(shí)物如圖1所示。

表1 組合封堵氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of combined sealing airbag

(a) 大型氣囊

(b) 小型氣囊

組合封堵氣囊均由承壓內(nèi)膽、阻燃海綿防護(hù)層、土工布外殼、進(jìn)氣閥、壓力表、泄壓閥、阻燃回收網(wǎng)等組成。以小型氣囊為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣囊外殼選用阻燃抗靜電硅膠防火布材料。該材料形變范圍大、質(zhì)量小、便于加工及修復(fù)、密封性和耐久性優(yōu)良，可以有效密封隅角空間。承壓內(nèi)膽由伸縮性能良好的橡膠材料加工而成，厚度為3 mm，具備一定的膨脹性，能承載0.08 MPa氣壓。該材料質(zhì)軟，但抗拉強(qiáng)度大。加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)膽尺寸，使內(nèi)膽與外殼尺寸相互匹配、裝配適當(dāng)。泄壓閥在內(nèi)膽氣壓超過0.05 MPa時(shí)會(huì)自動(dòng)泄壓，因此氣囊最大工作壓力為0.05 MPa。內(nèi)膽與外殼之間填充厚0.5 mm的阻燃海綿防護(hù)層，以避免井下尖銳物體刺穿外殼而損傷內(nèi)膽。阻燃海綿密度為25 kg/m3，屬于中密度海綿，且孔洞細(xì)密。阻燃回收網(wǎng)選用建筑行業(yè)常用的安全平網(wǎng)，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、阻燃性能好、耐候性良好的特點(diǎn)，適用于工作面隅角封堵。阻燃回收網(wǎng)包裹在組合封堵氣囊外部，便于氣囊回收利用。

1-阻燃海綿防護(hù)層；2-承壓內(nèi)膽；3-土工布外殼；4-壓力表； 5-進(jìn)氣閥；6-泄壓閥；7-阻燃回收網(wǎng)。圖2 小型氣囊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of miniature sealing airbag

2 隅角新型組合封堵氣囊性能試驗(yàn)

2.1 抗壓物理試驗(yàn)

隅角新型組合封堵氣囊抗壓物理試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)步驟：① 充氣。連通氣囊進(jìn)氣閥與氣源，然后打開進(jìn)氣閥。在充氣階段，采用壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣囊內(nèi)氣壓，以保證達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)氣壓時(shí)能迅速關(guān)閉進(jìn)氣閥，停止對(duì)氣囊注氣。② 固定和加載。充氣結(jié)束后，受氣壓作用，氣囊的6個(gè)面均有一定程度的膨脹，因此在加載前應(yīng)對(duì)氣囊加以固定。同時(shí)為防止氣囊受力不均，在氣囊上方加蓋1層剛性墊板，墊板尺寸與氣囊一致。設(shè)定液壓千斤頂加載速率為0.5 MPa/min，對(duì)氣囊緩慢地均勻加載。

圖3 組合封堵氣囊抗壓物理試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Physical test platform of pressure resistance of combined sealing airbag

隅角新型組合封堵氣囊抗壓物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)曲線如圖4所示?？煽闯鲭S著施加泵壓增大，氣囊工作壓力逐漸增大，達(dá)到承壓內(nèi)膽額定壓力(0.05 MPa)時(shí)趨于穩(wěn)定，氣囊高度不斷降低，變形速率逐漸減小。在受壓初期，氣囊主體發(fā)生的形變主要是由阻燃海綿防護(hù)層變形引起的，變形速率較大；隨著工作壓力增大，阻燃海綿防護(hù)層形變達(dá)到極限值，承壓內(nèi)膽開始發(fā)生形變，但變形速率較?。划?dāng)工作壓力接近或達(dá)到0.05 MPa時(shí)，氣囊變形速率極小，整體形狀趨于穩(wěn)定。

2.2 抗沖擊物理試驗(yàn)

隅角新型組合封堵氣囊抗沖擊物理試驗(yàn)步驟：① 取樣。為了更加真實(shí)地還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(特別是釆空區(qū)矸石塊完整度較高、工作面傾角較大時(shí)，不可避免地出現(xiàn)矸石沖擊下隅角處封堵氣囊的情況)，

表2 大型氣囊抗壓物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Physical test data of pressure resistance of large sealing airbag

表3 小型氣囊抗壓物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Physical test data of pressure resistance of miniature sealing airbag

從山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱余吾煤業(yè))N1101工作面氣囊封堵墻內(nèi)部和液壓支架后方采集體積較大的矸石，盡可能保證矸石樣品的完整性。從中挑選5塊幾乎無裂痕、無規(guī)律形狀且體積較大的矸石樣品(質(zhì)量分別為8.2,10.1,14.9,20.6,28.8 kg)作為試樣進(jìn)行組合封堵氣囊抗沖擊物理試驗(yàn)。② 充氣。將氣囊進(jìn)氣閥與氣源連通，然后慢慢打開進(jìn)氣閥進(jìn)行充氣。充氣過程中采用壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣囊氣壓，待達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)氣壓時(shí)迅速關(guān)閉進(jìn)氣閥。③ 固定和沖擊。充氣結(jié)束后氣囊6個(gè)面都有一定程度的膨脹，需對(duì)氣囊進(jìn)行固定，使其在沖擊試驗(yàn)臺(tái)正下方保持靜止?fàn)顟B(tài)，保證氣囊受到靜態(tài)沖擊。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？煽闯觯孩?氣囊受質(zhì)量較小的矸石沖擊時(shí)，氣囊變形量較小，矸石回彈高度較大。這說明氣囊受到質(zhì)量較小的矸石沖擊時(shí)，僅有極少能量傳遞給氣囊，絕大部分能量再次轉(zhuǎn)移給矸石，使其被彈飛。② 氣囊受質(zhì)量較大的矸石沖擊時(shí)，氣囊變形量較大，回彈高度較小。這說明氣囊受到質(zhì)量較大的矸石沖擊時(shí)，絕大部分能量傳遞給氣囊，小部分能量再次轉(zhuǎn)移給矸石，使其又落到氣囊上。③ 矸石質(zhì)量越大，氣囊變形量越大，回彈高度越小，矸石動(dòng)能吸收效果越好。這說明在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)發(fā)生大塊矸石垮落情況時(shí)，隅角新型組合封堵氣囊可有效防止矸石回彈，降低傷人事件發(fā)生的概率。

(a) 大型氣囊

(b) 小型氣囊

(a) 大型氣囊

(b) 小型氣囊

3 隅角新型組合封堵氣囊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證隅角新型組合封堵氣囊的實(shí)際應(yīng)用效果，在余吾煤業(yè)N1101工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。N1101工作面標(biāo)高+402～+445 m，北側(cè)、西側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為N1102工作面(已采)。煤層平均厚度為6.4 m，煤層傾角為+5°。工作面上隅角處巷道最大高度為3.2 m，最大寬度為4.5 m；下隅角處巷道最大高度為3.1 m，最大寬度為3.8 m。采用單U型通風(fēng)方式，工作面供風(fēng)量為3 426 m3/min。針對(duì)巷道形變復(fù)雜的斷面，目前采用鐵絲網(wǎng)+風(fēng)筒布封堵配合采空區(qū)埋管抽采方式進(jìn)行瓦斯超限治理，但在回采期間上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛热暂^高，因此考慮采用隅角新型組合封堵氣囊進(jìn)行封堵，如圖6所示。

圖6 復(fù)雜斷面封堵示意Fig.6 Complex section sealing

采用新型組合氣囊封堵隅角步驟：① 簡(jiǎn)單清理單體液壓支柱處的封堵位置。② 將氣囊水平擺放，避免歪斜，以免窩住氣體打爆氣囊。③ 取進(jìn)氣管，一端連接總供風(fēng)管道，另一端連接壓力表，壓力表連接進(jìn)氣閥。④ 對(duì)氣囊充氣，同時(shí)觀察壓力表，在滿足壓力數(shù)值后及時(shí)停止供風(fēng)，以免壓力過大。⑤ 取另一個(gè)氣囊重復(fù)上述步驟，直至將整個(gè)隅角斷面完全封堵。在氣囊與氣囊、頂板、煤壁接觸不嚴(yán)密的位置，噴涂聚氨酯封堵裂隙，保證密閉封堵。⑥ 在氣囊外部包裹的阻燃回收網(wǎng)上連接回收鋼絲繩。⑦ 完成1個(gè)周期生產(chǎn)后，在工作面端頭安全區(qū)域內(nèi)拖動(dòng)回收鋼絲繩，完成氣囊回收工作，留待下次封堵作業(yè)使用。

3.2 效果分析

為了考察新型組合氣囊封堵效果，對(duì)采空區(qū)、上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與采用風(fēng)筒布封堵方法時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2018-10-22—29瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

(a) 采空區(qū)

(b) 上隅角

(c) 回風(fēng)巷

從圖7可看出：① 采用風(fēng)筒布封堵時(shí)，采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)巷平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為1.30%，0.792%，0.610%左右。② 采用新型組合氣囊封堵時(shí)，采空區(qū)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)較采用風(fēng)筒布封堵時(shí)明顯上升，維持在1.48%左右；上隅角平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降，穩(wěn)定在0.665%左右；回風(fēng)巷平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)小幅下降，穩(wěn)定在0.557%左右。③ 與風(fēng)筒布封堵方法相比，新型組合氣囊封堵更嚴(yán)密，很大程度上降低了采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯風(fēng)流流到上隅角和工作面。④ 采用風(fēng)筒布封堵時(shí)，采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化劇烈，而采用新型組合氣囊封堵時(shí)瓦斯?jié)舛容^穩(wěn)定。這是因?yàn)轱L(fēng)筒布為單層結(jié)構(gòu)，其封堵區(qū)間小于1 cm，且在斷面變形時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生縫隙，影響封堵效果；組合封堵氣囊為3層復(fù)合結(jié)構(gòu)，封堵區(qū)間達(dá)70 cm，有6層封堵層，且斷面變形越大，與斷面貼合越緊，封堵效果較好。

4 結(jié)論

(1) 新型組合封堵氣囊受壓變形時(shí)，初始階段變形速率較大，達(dá)到額定工作壓力時(shí)變形速率減小并趨于平緩；氣囊受矸石沖擊時(shí)，矸石質(zhì)量越大，則氣囊變形越大，回彈高度越小，矸石動(dòng)能吸收效果越好。

(2) 采用新型組合封堵氣囊對(duì)于解決采空區(qū)局部漏風(fēng)有較好效果，減少了采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯風(fēng)流進(jìn)入工作面和上隅角。

(3) 采用新型組合封堵氣囊封堵可有效降低上隅角瓦斯?jié)舛?，與采用傳統(tǒng)的風(fēng)筒布封堵方式相比，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低了16.04%，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)小。

(4) 新型組合封堵氣囊具有較好的封堵效果，且可回收利用，降低了隅角封堵成本?？刹捎眯滦徒M合封堵氣囊封堵與隅角抽采相結(jié)合的方式，對(duì)高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限問題進(jìn)行防治。

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