厚煤層綜放工作面隅角快速封堵技術

史 默，樊 亮，楊 劍，張 園，李蘇虎，和 遞

(1.陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著礦井開采速度和強度的不斷提升，煤炭資源開采逐漸向深部延伸，開采重心向我國西部轉移。西部煤層6 m以上的厚煤層居于多數[1]，主要采取綜放開采。采空區(qū)空間大、遺煤多、漏風大，加之煤層透氣性差、工作面高溫高壓，極易引發(fā)煤炭自燃，加劇制約了礦井安全回采工作[2]。

隅角封堵技術是防治煤炭自燃災害的有效手段之一，為此，大量學者針對采空區(qū)隅角封堵技術展開深入研究。張進軍等[3]通過數值模擬分析了工作面隅角封堵措施，結合現場優(yōu)化了封堵措施，有效防治煤炭自燃；褚廷湘等[4]研究了煤巖裂隙發(fā)育漏風通道模式、采空區(qū)浮煤碎脹特性、漏風動力源，結合覆巖冒落特點和通風方式，提出了增阻控制漏風技術等措施；余明高等[5]提出在高抽巷、上下隅角、采空區(qū)實施增阻漏風、注氮、注水、注漿等綜合防滅火措施，能夠有效防治采空區(qū)煤炭自燃；孫九良等[6]利用SF6示蹤氣體對采空區(qū)的漏風通道及漏風強度檢測分析，提出了堵漏對策；范鵬宏等[7]系統分析了礦井漏風機理和原因，驗證了均壓技術與堵漏風技術的有效性；鄔劍明等[8]實測了漏風規(guī)律，結合工作面實況提出了風窗和風機聯合均壓技術。

以往研究工作在采空區(qū)隅角封堵技術方面取得了豐碩成果[9 -11]，但厚煤層綜放開采條件下的采空區(qū)隅角封堵技術更為復雜，仍需進一步研究。因此，本文在前人研究的基礎上，進一步分析和優(yōu)化工作面快速封堵技術方式，以期為厚煤層綜放面條件下的采空區(qū)煤炭自燃防治提供一定借鑒[12]。

1 工程背景

試驗工作面選自黃隴煤田彬長礦區(qū)文家坡煤礦4105綜放工作面，工作面走向長度2 873 m，傾向長度200 m，主采4號自燃煤層，條痕為深黑色，弱瀝青至瀝青光澤，結構均一，內生裂隙為參差狀及貝殼狀斷口，視密度為1.38 t/m3。煤層埋深536.4～778.9 m，煤層頂板多為泥巖、砂巖，底板多為鋁質泥巖，厚度較大且整體性好，煤層自然發(fā)火期3～5個月，最短34 d。

2 工作面封堵技術

對上下隅角進行快速封堵，可以有效控制采空區(qū)漏風情況，降低采空區(qū)氧氣含量，達到防治采空區(qū)煤炭自燃的目的。

2.1 封堵方式分析

傳統隅角封堵方式包括垛雙抗袋封堵、風筒布封堵、自移氣垛支架等。

2.1.1 垛雙抗袋封堵

垛雙抗袋封堵是每次回柱放頂前，沿新切頂排從風巷上幫向下垛袋。該封堵方式成本高，易影響工作面正規(guī)循環(huán)作業(yè)，影響抽采系統連續(xù)作業(yè)，不利于上隅角灌漿防火，縮小中底區(qū)開采范圍，極大浪費煤炭資源，已基本停用[13]。

2.1.2 風筒布封堵

風筒布封堵是使用長2.2～3.8 m，φ20 cm的兩開半圓木作為站柱，配寸板，搭成方格框架，其外側蒙上風筒布，封堵上隅角。該封堵方式適用于巷道變形小且為直邊形的巷道，不影響組織生產和抽采系統工作，但對于U型棚支護及變形大的巷道搭設封堵框架及蒙風筒布時稍有難度[14]。

2.1.3 自移氣垛支架

自移氣垛支架可應用于緩傾斜薄煤層、極傾斜工作面的基本支護，具有勞動強度低，單產高、回采率高等優(yōu)點，但也有氣垛支架質量大、成本高、封堵效率低、工作強度大的問題[15]。

鑒于上述情況，當前隅角封堵多采用氣囊進行，但由于隅角封堵氣囊內部結構相對較為簡單，其性能常受材料、設計等影響，且對于更為復雜的不規(guī)則隅角封堵能力較弱、封堵速率和效率較為低下，不適合井下復雜且多變的狀況[16]。對此本文旨在使用新型材料、設計方案對預交封堵氣囊加以改進，從而設計出一種新型隅角快速封堵氣墻。

2.2 隅角快速封堵氣墻設計依據

2.2.1 隅角形狀特征及尺寸

通過現場觀測，得到4105綜放工作面上下隅角由煤壁、頂板、底板、液壓支架一側4部分構成，如圖1所示。隅角整體呈現長方體狀，頂板為泥巖構成，形狀相對平整；底板主要由遺煤構成，具有較多顆粒大小不等，形狀不規(guī)則的煤體塊粒；液壓支架一側非常平整；煤壁一側形狀特征較為復雜，存在煤塊凸起、凹陷、錨桿頭及錨網等不規(guī)則形狀結構。此外在上隅角煤壁一側，還鋪設有3～4路φ160 mm的隅角插管抽采管路。上下隅角整體形狀特征成長方體形狀，局部組成較為復雜，經現場測量，上下隅角尺寸見表1。

圖1 隅角尺寸示意Fig.1 Corner dimension diagram

表1 上下隅角尺寸

由于隅角兩側一側為煤體，一側為液壓支架，頂板有變形下沉但整體較為完整。經綜合分析，隅角高度3.6～4.5 m，寬度1.5～2.5 m。因此，最終設計氣囊尺寸為4 000 mm×2 000 mm×500 mm。

2.2.2 封堵氣墻設計依靠的性能指標

阻燃、耐熱耐寒性：由于采空區(qū)遺煤氧化有自燃風險，所以隅角封堵氣墻的組成材料要求具有阻燃性。在80 ℃下暴露24 h，無裂紋、不發(fā)黏，在-25 ℃下暴露4 h，無折損、無裂痕。

抗壓、沖擊能力：氣囊在受到沖擊壓時，要求具有一定的抗壓和防沖擊能力。采用單向進氣閥，充氣壓力必須滿足30 kPa以上，壓強超過30 kPa時，氣囊安全閥自動開啟泄壓，氣囊的穩(wěn)壓性應符合表2的要求。

表2 氣囊的穩(wěn)壓性能要求

變形可塑性：隅角的形狀特征較為復雜，為了更好地實現隅角的封堵，氣墻外側應具有較好的變形可塑能力，以適應各種不規(guī)則形狀結構。

防穿刺性：氣囊應具有一定的防刺能力，保證在正常30 kPa的工作壓力下，不會被錨桿刺破。

輕便可操作性：氣囊整體重量不能超過50 kg，橫、縱向接縫寬不低于50 mm，氣囊充放氣1 000次后，整體性能不低于以上性能參數的80%。

2.3 隅角快速封堵氣墻設計方案

2.3.1 氣墻單元組成及材料選用

結合4105工作面的現場地質狀況，提出了新型隅角快速封堵氣墻，內部氣囊結構由氣囊內膽、保護海綿、氣囊外殼、緩沖膠板、充氣閥以及限壓閥幾部分組成，組成結構如圖2所示。氣囊外殼選用礦用塑料滌綸風筒布縫合制作，由阻燃抗靜電軟質PVC材料制成，具有強度高、耐折疊、易加工、使用壽命長等特點；氣囊內膽選用橡膠氣囊內模，按照設計尺寸要求加工定制，具有抗壓拉強度高，膨脹性能好的優(yōu)點。外殼與內膽間增加一層50 mm厚的發(fā)泡硅膠層，對內膽起到沖擊力緩沖作用；外殼外部附加一層防穿刺緩沖橡膠板，材質選用TPU熱塑型聚氨酯彈性體，具有良好的耐磨性。防穿刺海綿塊如圖2(b)所示，由高分子量聚乙烯纖維布包裹，具有較好的耐磨性與防穿刺能力。海綿采用中密度海綿，具有一定的強度與較好的變形能力，可以填充不規(guī)則的區(qū)域增加封堵能力。

圖2 氣囊單元及封堵海綿組成結構Fig.2 Composition of air bag unit and plugging sponge

2.3.2 氣墻整體設計方案

封堵氣墻整體由2個氣囊單元縫合而成，外部有吊環(huán)鏈接6塊封堵海綿塊。單個尺寸為2 m×1 m×2 m，海綿塊頂底2塊尺寸為3 m×1 m×0.5 m，側邊四塊尺寸為0.5 m×1 m×2 m。氣囊單元外層加裝的海綿塊，在壓力的作用下，可以變形填充煤壁與氣墻之間的不規(guī)則空隙，此外還可防止煤壁上的尖銳錨桿與巖石刺破囊袋，在使用一段時間發(fā)生損傷后，可以單獨進行更換而不用更換氣囊整體，經濟高效。

2.4 氣墻組成及操作

2.4.1 隅角快速封堵氣墻構成

隅角快速封堵氣墻由氣囊主體和控制箱2部分組成。其中控制箱內置4道氣路，每道氣路上方裝有一個壓力表來監(jiān)測氣墻單元內的氣壓，下方裝有一個安全閥，來保證氣壓過大時安全泄壓；氣墻主體表面膠裝有把手，方便氣墻的搬運、移動，且在四周接縫處留有吊環(huán)，為井下氣墻的固定提供方便，如圖3、4所示。

圖3 隅角快速封堵氣墻整體圖Fig.3 Overall diagram of corner quick plugging air wall

圖4 氣墻控制箱Fig.4 Air wall control box

2.4.2 隅角快速封堵氣墻操作說明

操作步驟如下：①將未充氣情況下的氣墻展開，吊掛扣懸掛于支架、頂板錨網及煤壁上的適當吊掛點。②將井下風路的公頭與氣墻控制箱的進氣口連接，控制箱與氣墻通過軟管連接。③開啟氣墻的各分路進氣閥門，開啟氣墻控制箱的總進氣閥門，開始充氣。④當壓力表讀數達到2 kPa時，關閉所有閥門。⑤關閉總管路閥門與氣墻分路上的閥門，斷開控制箱與氣墻的連接軟管，封堵作業(yè)完畢。放氣時，打開氣墻分路上的閥門，讓氣墻自然放氣，放氣30 min左右，將氣墻移動到下次充填的位置，循環(huán)第1步至第5步的操作。

3 現場工業(yè)試驗

3.1 工作面隅角氣墻封堵布置

3.1.1 隅角氣墻封堵布置設計方案

封堵氣墻放置在切頂線以后，即緊貼在最后一排單體液壓支柱后，通過吊環(huán)與單體支柱捆綁，防止傾倒，如圖5所示。

圖5 上下隅角氣墻封堵示意Fig.5 Schematic diagram of air wall plugging at upper and lower corners

3.1.2 施工步驟

首先將海綿充填塊與氣囊相連，放置在最后一排單體支柱之后。之后由下及上分別對2個氣囊進行充氣，邊充氣邊整理充填海綿的位置，使之充分與煤壁、頂板貼合，最后將上下2個氣囊牢靠固定在單體支柱上。

3.2 綜放面隅角封堵效果

該封堵氣囊在4105工作面下隅角成功應用，其工業(yè)效果主要體現在2個方面。

氣囊具有延展性和變形可塑性：有效地封堵了隅角整個斷面，防止工作面隅角漏風，杜絕采空區(qū)遺煤自燃；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，阻燃海綿防護層形變達到極限值，承壓內膽開始發(fā)生形變，但變形速率較??；當工作壓力逐漸增大至最大承壓時，氣囊變形速率極小，整體形狀趨于穩(wěn)定。工作面下隅角氣囊封堵現場試驗效果，如圖6所示。

圖6 工作面下隅角氣囊封堵現場試驗效果示意Fig.6 Field test results of air bag plugging of working face

氣囊充氣速度快：實現了隅角快速封堵，大幅降低了工人的勞動強度，縮短了封堵施工時間。利用井下壓風為氣囊充氣膨脹實現對隅角的封閉，防止了采空區(qū)的瓦斯涌出，不僅能夠降低勞動強度，提高工作效率，而且利于工作面回采過程中上隅角的瓦斯管理。氣囊的安裝使用相比傳統封閉方式，在人員投入、勞動強度和施工時間上都節(jié)約一半以上，而且氣囊可以重復利用，有效降低了隅角封堵支護成本。氣囊使用前的充氣過程，如圖7所示。

圖7 封堵氣囊的井下充氣過程Fig.7 Underground inflation process of plugging air bag

3.3 經濟效益分析

現有的煤礦隅角封堵方法是采用人工發(fā)泡磚砌墻，再利用普瑞特Ⅱ型噴涂材料進行縫隙充填。該技術容易產生遺煤，浪費煤炭資源，不利于礦井防火；工人操作過程中，壘墻會產生倒塌，且需要深入采空區(qū)作業(yè)，存在較大的安全風險；此外工人勞動強度大，工作效率較低。而采用快速封堵氣囊封堵工藝可以較好地解決上述問題，2種封堵工藝的成本分析見表3。

表3 2種封堵工藝投入成本比較

由表3可知，采取發(fā)泡磚砌墻封堵工藝，每天需綜采工區(qū)出勤2人工作2 h進行砌墻，還需通防工區(qū)出勤2人對縫隙進行發(fā)泡材料噴涂，共計耗費會大于4人工時；改為柔性氣墻隅角封堵工藝后，只需綜采工區(qū)2人花費0.5 h完成封堵工作，耗費1人工時，工作效率提高4倍。此工藝不僅大大降低了工人的勞動強度，且無需進行充填工作，有效地緩解了煤礦人員不足的問題。此外采用發(fā)泡磚砌墻封堵，每天均需人工砌墻和涂料填縫，每月合計支出58 500元；而快速封堵氣囊只需人工充放氣更換位置，在井下工人維護到位的情況下可持續(xù)使用一年，一塊隅角封堵氣囊的總成本為65 000元，每月可節(jié)省53 000元，采用發(fā)泡磚砌墻封堵50 d的費用與隅角封堵氣囊的年成本基本持平，從工作面現場條件綜合考慮，采用快速封堵氣囊治理隅角瓦斯具有良好的社會經濟效益。

4 結論

(1)針對厚煤層綜放開采條件下的采空區(qū)隅角封堵問題，通過優(yōu)化封堵氣囊選用材料、設計性能指標，成功設計出一種集阻燃耐寒、輕便抗沖擊、變形可塑性的新型隅角快速封堵氣囊。

(2)根據文家坡礦區(qū)4105工作面現場情況，對比傳統隅角封堵技術，進一步對氣囊進行抗壓、抗沖擊等試驗測試，在工作面下隅角順利投入使用，有效封堵隅角整個斷面，防止工作面隅角漏風，杜絕采空區(qū)遺煤自燃。

(3)新型隅角封堵氣囊的成功應用，大幅降低了工人的勞動強度，顯著提升了工作效率，減少了遺煤的浪費，并且氣囊可多次重復利用，大大節(jié)約了隅角封堵的成本。