厚煤层综放工作面隅角快速封堵技术

史 默，樊 亮，杨 剑，张 园，李苏虎，和 递

(1.陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 咸阳 713500；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

随着矿井开采速度和强度的不断提升，煤炭资源开采逐渐向深部延伸，开采重心向我国西部转移。西部煤层6 m以上的厚煤层居于多数[1]，主要采取综放开采。采空区空间大、遗煤多、漏风大，加之煤层透气性差、工作面高温高压，极易引发煤炭自燃，加剧制约了矿井安全回采工作[2]。

隅角封堵技术是防治煤炭自燃灾害的有效手段之一，为此，大量学者针对采空区隅角封堵技术展开深入研究。张进军等[3]通过数值模拟分析了工作面隅角封堵措施，结合现场优化了封堵措施，有效防治煤炭自燃；褚廷湘等[4]研究了煤岩裂隙发育漏风通道模式、采空区浮煤碎胀特性、漏风动力源，结合覆岩冒落特点和通风方式，提出了增阻控制漏风技术等措施；余明高等[5]提出在高抽巷、上下隅角、采空区实施增阻漏风、注氮、注水、注浆等综合防灭火措施，能够有效防治采空区煤炭自燃；孙九良等[6]利用SF6示踪气体对采空区的漏风通道及漏风强度检测分析，提出了堵漏对策；范鹏宏等[7]系统分析了矿井漏风机理和原因，验证了均压技术与堵漏风技术的有效性；邬剑明等[8]实测了漏风规律，结合工作面实况提出了风窗和风机联合均压技术。

以往研究工作在采空区隅角封堵技术方面取得了丰硕成果[9 -11]，但厚煤层综放开采条件下的采空区隅角封堵技术更为复杂，仍需进一步研究。因此，本文在前人研究的基础上，进一步分析和优化工作面快速封堵技术方式，以期为厚煤层综放面条件下的采空区煤炭自燃防治提供一定借鉴[12]。

1 工程背景

试验工作面选自黄陇煤田彬长矿区文家坡煤矿4105综放工作面，工作面走向长度2 873 m，倾向长度200 m，主采4号自燃煤层，条痕为深黑色，弱沥青至沥青光泽，结构均一，内生裂隙为参差状及贝壳状断口，视密度为1.38 t/m3。煤层埋深536.4～778.9 m，煤层顶板多为泥岩、砂岩，底板多为铝质泥岩，厚度较大且整体性好，煤层自然发火期3～5个月，最短34 d。

2 工作面封堵技术

对上下隅角进行快速封堵，可以有效控制采空区漏风情况，降低采空区氧气含量，达到防治采空区煤炭自燃的目的。

2.1 封堵方式分析

传统隅角封堵方式包括垛双抗袋封堵、风筒布封堵、自移气垛支架等。

2.1.1 垛双抗袋封堵

垛双抗袋封堵是每次回柱放顶前，沿新切顶排从风巷上帮向下垛袋。该封堵方式成本高，易影响工作面正规循环作业，影响抽采系统连续作业，不利于上隅角灌浆防火，缩小中底区开采范围，极大浪费煤炭资源，已基本停用[13]。

2.1.2 风筒布封堵

风筒布封堵是使用长2.2～3.8 m，φ20 cm的两开半圆木作为站柱，配寸板，搭成方格框架，其外侧蒙上风筒布，封堵上隅角。该封堵方式适用于巷道变形小且为直边形的巷道，不影响组织生产和抽采系统工作，但对于U型棚支护及变形大的巷道搭设封堵框架及蒙风筒布时稍有难度[14]。

2.1.3 自移气垛支架

自移气垛支架可应用于缓倾斜薄煤层、极倾斜工作面的基本支护，具有劳动强度低，单产高、回采率高等优点，但也有气垛支架质量大、成本高、封堵效率低、工作强度大的问题[15]。

鉴于上述情况，当前隅角封堵多采用气囊进行，但由于隅角封堵气囊内部结构相对较为简单，其性能常受材料、设计等影响，且对于更为复杂的不规则隅角封堵能力较弱、封堵速率和效率较为低下，不适合井下复杂且多变的状况[16]。对此本文旨在使用新型材料、设计方案对预交封堵气囊加以改进，从而设计出一种新型隅角快速封堵气墙。

2.2 隅角快速封堵气墙设计依据

2.2.1 隅角形状特征及尺寸

通过现场观测，得到4105综放工作面上下隅角由煤壁、顶板、底板、液压支架一侧4部分构成，如图1所示。隅角整体呈现长方体状，顶板为泥岩构成，形状相对平整；底板主要由遗煤构成，具有较多颗粒大小不等，形状不规则的煤体块粒；液压支架一侧非常平整；煤壁一侧形状特征较为复杂，存在煤块凸起、凹陷、锚杆头及锚网等不规则形状结构。此外在上隅角煤壁一侧，还铺设有3～4路φ160 mm的隅角插管抽采管路。上下隅角整体形状特征成长方体形状，局部组成较为复杂，经现场测量，上下隅角尺寸见表1。

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

表1 上下隅角尺寸

由于隅角两侧一侧为煤体，一侧为液压支架，顶板有变形下沉但整体较为完整。经综合分析，隅角高度3.6～4.5 m，宽度1.5～2.5 m。因此，最终设计气囊尺寸为4 000 mm×2 000 mm×500 mm。

2.2.2 封堵气墙设计依靠的性能指标

阻燃、耐热耐寒性：由于采空区遗煤氧化有自燃风险，所以隅角封堵气墙的组成材料要求具有阻燃性。在80 ℃下暴露24 h，无裂纹、不发黏，在-25 ℃下暴露4 h，无折损、无裂痕。

抗压、冲击能力：气囊在受到冲击压时，要求具有一定的抗压和防冲击能力。采用单向进气阀，充气压力必须满足30 kPa以上，压强超过30 kPa时，气囊安全阀自动开启泄压，气囊的稳压性应符合表2的要求。

表2 气囊的稳压性能要求

变形可塑性：隅角的形状特征较为复杂，为了更好地实现隅角的封堵，气墙外侧应具有较好的变形可塑能力，以适应各种不规则形状结构。

防穿刺性：气囊应具有一定的防刺能力，保证在正常30 kPa的工作压力下，不会被锚杆刺破。

轻便可操作性：气囊整体重量不能超过50 kg，横、纵向接缝宽不低于50 mm，气囊充放气1 000次后，整体性能不低于以上性能参数的80%。

2.3 隅角快速封堵气墙设计方案

2.3.1 气墙单元组成及材料选用

结合4105工作面的现场地质状况，提出了新型隅角快速封堵气墙，内部气囊结构由气囊内胆、保护海绵、气囊外壳、缓冲胶板、充气阀以及限压阀几部分组成，组成结构如图2所示。气囊外壳选用矿用塑料涤纶风筒布缝合制作，由阻燃抗静电软质PVC材料制成，具有强度高、耐折叠、易加工、使用寿命长等特点；气囊内胆选用橡胶气囊内模，按照设计尺寸要求加工定制，具有抗压拉强度高，膨胀性能好的优点。外壳与内胆间增加一层50 mm厚的发泡硅胶层，对内胆起到冲击力缓冲作用；外壳外部附加一层防穿刺缓冲橡胶板，材质选用TPU热塑型聚氨酯弹性体，具有良好的耐磨性。防穿刺海绵块如图2(b)所示，由高分子量聚乙烯纤维布包裹，具有较好的耐磨性与防穿刺能力。海绵采用中密度海绵，具有一定的强度与较好的变形能力，可以填充不规则的区域增加封堵能力。

图2 气囊单元及封堵海绵组成结构Fig.2 Composition of air bag unit and plugging sponge

2.3.2 气墙整体设计方案

封堵气墙整体由2个气囊单元缝合而成，外部有吊环链接6块封堵海绵块。单个尺寸为2 m×1 m×2 m，海绵块顶底2块尺寸为3 m×1 m×0.5 m，侧边四块尺寸为0.5 m×1 m×2 m。气囊单元外层加装的海绵块，在压力的作用下，可以变形填充煤壁与气墙之间的不规则空隙，此外还可防止煤壁上的尖锐锚杆与岩石刺破囊袋，在使用一段时间发生损伤后，可以单独进行更换而不用更换气囊整体，经济高效。

2.4 气墙组成及操作

2.4.1 隅角快速封堵气墙构成

隅角快速封堵气墙由气囊主体和控制箱2部分组成。其中控制箱内置4道气路，每道气路上方装有一个压力表来监测气墙单元内的气压，下方装有一个安全阀，来保证气压过大时安全泄压；气墙主体表面胶装有把手，方便气墙的搬运、移动，且在四周接缝处留有吊环，为井下气墙的固定提供方便，如图3、4所示。

图3 隅角快速封堵气墙整体图Fig.3 Overall diagram of corner quick plugging air wall

图4 气墙控制箱Fig.4 Air wall control box

2.4.2 隅角快速封堵气墙操作说明

操作步骤如下：①将未充气情况下的气墙展开，吊挂扣悬挂于支架、顶板锚网及煤壁上的适当吊挂点。②将井下风路的公头与气墙控制箱的进气口连接，控制箱与气墙通过软管连接。③开启气墙的各分路进气阀门，开启气墙控制箱的总进气阀门，开始充气。④当压力表读数达到2 kPa时，关闭所有阀门。⑤关闭总管路阀门与气墙分路上的阀门，断开控制箱与气墙的连接软管，封堵作业完毕。放气时，打开气墙分路上的阀门，让气墙自然放气，放气30 min左右，将气墙移动到下次充填的位置，循环第1步至第5步的操作。

3 现场工业试验

3.1 工作面隅角气墙封堵布置

3.1.1 隅角气墙封堵布置设计方案

封堵气墙放置在切顶线以后，即紧贴在最后一排单体液压支柱后，通过吊环与单体支柱捆绑，防止倾倒，如图5所示。

图5 上下隅角气墙封堵示意Fig.5 Schematic diagram of air wall plugging at upper and lower corners

3.1.2 施工步骤

首先将海绵充填块与气囊相连，放置在最后一排单体支柱之后。之后由下及上分别对2个气囊进行充气，边充气边整理充填海绵的位置，使之充分与煤壁、顶板贴合，最后将上下2个气囊牢靠固定在单体支柱上。

3.2 综放面隅角封堵效果

该封堵气囊在4105工作面下隅角成功应用，其工业效果主要体现在2个方面。

气囊具有延展性和变形可塑性：有效地封堵了隅角整个断面，防止工作面隅角漏风，杜绝采空区遗煤自燃；在受压初期，气囊主体发生的形变主要是由阻燃海绵防护层变形引起的，变形速率较大；随着工作压力增大，阻燃海绵防护层形变达到极限值，承压内胆开始发生形变，但变形速率较小；当工作压力逐渐增大至最大承压时，气囊变形速率极小，整体形状趋于稳定。工作面下隅角气囊封堵现场试验效果，如图6所示。

图6 工作面下隅角气囊封堵现场试验效果示意Fig.6 Field test results of air bag plugging of working face

气囊充气速度快：实现了隅角快速封堵，大幅降低了工人的劳动强度，缩短了封堵施工时间。利用井下压风为气囊充气膨胀实现对隅角的封闭，防止了采空区的瓦斯涌出，不仅能够降低劳动强度，提高工作效率，而且利于工作面回采过程中上隅角的瓦斯管理。气囊的安装使用相比传统封闭方式，在人员投入、劳动强度和施工时间上都节约一半以上，而且气囊可以重复利用，有效降低了隅角封堵支护成本。气囊使用前的充气过程，如图7所示。

图7 封堵气囊的井下充气过程Fig.7 Underground inflation process of plugging air bag

3.3 经济效益分析

现有的煤矿隅角封堵方法是采用人工发泡砖砌墙，再利用普瑞特Ⅱ型喷涂材料进行缝隙充填。该技术容易产生遗煤，浪费煤炭资源，不利于矿井防火；工人操作过程中，垒墙会产生倒塌，且需要深入采空区作业，存在较大的安全风险；此外工人劳动强度大，工作效率较低。而采用快速封堵气囊封堵工艺可以较好地解决上述问题，2种封堵工艺的成本分析见表3。

表3 2种封堵工艺投入成本比较

由表3可知，采取发泡砖砌墙封堵工艺，每天需综采工区出勤2人工作2 h进行砌墙，还需通防工区出勤2人对缝隙进行发泡材料喷涂，共计耗费会大于4人工时；改为柔性气墙隅角封堵工艺后，只需综采工区2人花费0.5 h完成封堵工作，耗费1人工时，工作效率提高4倍。此工艺不仅大大降低了工人的劳动强度，且无需进行充填工作，有效地缓解了煤矿人员不足的问题。此外采用发泡砖砌墙封堵，每天均需人工砌墙和涂料填缝，每月合计支出58 500元；而快速封堵气囊只需人工充放气更换位置，在井下工人维护到位的情况下可持续使用一年，一块隅角封堵气囊的总成本为65 000元，每月可节省53 000元，采用发泡砖砌墙封堵50 d的费用与隅角封堵气囊的年成本基本持平，从工作面现场条件综合考虑，采用快速封堵气囊治理隅角瓦斯具有良好的社会经济效益。

4 结论

(1)针对厚煤层综放开采条件下的采空区隅角封堵问题，通过优化封堵气囊选用材料、设计性能指标，成功设计出一种集阻燃耐寒、轻便抗冲击、变形可塑性的新型隅角快速封堵气囊。

(2)根据文家坡矿区4105工作面现场情况，对比传统隅角封堵技术，进一步对气囊进行抗压、抗冲击等试验测试，在工作面下隅角顺利投入使用，有效封堵隅角整个断面，防止工作面隅角漏风，杜绝采空区遗煤自燃。

(3)新型隅角封堵气囊的成功应用，大幅降低了工人的劳动强度，显著提升了工作效率，减少了遗煤的浪费，并且气囊可多次重复利用，大大节约了隅角封堵的成本。