巷旁高水材料柔模墻隔離采空區瓦斯治理技術研究與應用

張進波

（山西焦煤山煤國際鹿臺山煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

我國瓦斯煤礦的生產工作面經常受到瓦斯超限而影響正常的安全生產，尤其是沿空留巷的工作面。工作面切頂卸壓沿空留巷后，采空區密閉不好，大量采空區瓦斯進入回風流，導致回風流中瓦斯濃度較高，瓦斯含量超標，更加的影響正常的安全生產。為了降低工作面回風流中瓦斯濃度，本文以鹿臺山煤業有限公司2206 工作面為工程案例，開展巷旁高水材料柔模墻隔離采空區瓦斯治理技術研究與應用。

1 概 況

鹿臺山煤業有限公司隸屬于山西煤炭進出口集團有限公司，井田位于山西省沁水縣張村鄉境內。開采深度+600～+960 m。現采2 號煤層，平均煤厚2 m，瓦斯等級為高瓦斯礦井。2206 工作面地表位于礦區北部，馮村以北約2 km 的山區，回采范圍內2 號煤層底板標高+702.82～+805.53 m。地表為山林，無構筑物、鐵路、公路、河流及水庫等。2206 工作面的系統布置采用“三條順槽+兩條切眼”布置，實現“Y”型通風。其中2205 順槽為主進風巷（運輸順槽），2206 順槽為副進風巷（軌道順槽），2207 工作面切眼、2207順槽和2206 順槽沿空留巷段組成2206 工作面通風系統，平面布置示意如圖1 所示。

圖1 2206 工作面布置示意圖

礦井已在2202、2203、2205 三個工作面成功進行了切頂卸壓沿空留巷，主要存在采空區密閉不好，大量采空區瓦斯進入回風流，導致回風流中風排瓦斯量13.5 m3/min，瓦斯濃度高，瓦斯含量超標，影響正常的安全生產。

2 巷旁充填密閉

為了降低切頂卸壓沿空留巷工作面回風流瓦斯量，在切頂卸壓沿空留巷的基礎上通過構造巷旁充填墻實現密閉采空區，同時通過加強高位鉆孔主動抽采和采空區埋管進行采空區抽放瓦斯[1-2]。隔離或密閉采空區，防止漏風導致采空區大量瓦斯進入回風順槽導致風排瓦斯量超限[3-4]；2206 順槽的巷旁充填采用鋁基高固水充填的密閉墻，鋁基高固水巷旁柔模墻是以柔性模板和對拉錨栓作為成型和側向約束體[5-6]。2202、2203、2205 工作面切頂卸壓沿空留巷已經結束，留巷巷道礦壓顯現以底鼓為主、頂板旋轉下沉為輔，兩幫變形較小。隨著采深的增加，2205工作面切頂卸壓留巷礦壓顯現最大，其中底鼓量600～900 mm，頂板旋轉下沉量300～500 mm，兩幫移近量200～300 mm。由于礦壓顯現以底鼓為主，在2206 工作面留巷過程中要注意底鼓和頂板旋轉下沉對巷旁柔模墻穩定性的影響。

2.1 巷旁充填密閉墻寬度確定

為了保證充填體的穩定，綜合考慮充填體的受力以及經濟效益最大化，根據《盤架技術規范JGJ231-2010》中規定長條形的獨立高支模架的總高度與架體的寬度之比H/B 不大于3[7]，因此，在巷旁充填密閉墻體高度2.8 m 時，最小厚度為0.93 m，再考慮取安全系數為1.2，因此巷旁充填墻最小寬度為1.12 m，取整數1.2 m。

2.2 巷旁充填密閉墻斷面設計

根據礦方提供的資料，原巷道寬度5 000 mm，高度2 800 mm。綜合分析沿空巷道后期用途及施工要求，充填后巷道寬度不得低于4 200 mm，采用充填體800 mm 布置于巷道內，400 mm 布置于巷旁采空區區域。 綜上考慮和分析，設計2206 順槽留巷寬4 200 mm，高2 800 mm，巷旁支護寬1 200 mm，如圖2 所示，柔模墻沿2206 順槽內幫邊緣布置，其中巷道內800 mm、巷外400 mm。

圖2 2206 巷道留巷斷面及柔模墻布置位置圖

2.3 巷旁充填密閉墻體支護材料及參數

采用煤礦沿空留巷柔模袋，見圖3。柔模墻尺寸：長×寬×高=3 600 mm×1 200 mm×2 800 mm，充填袋尺寸：4 050 mm×1 300 mm×3 300 mm。

圖3 煤礦沿空留巷用柔模袋

在柔模墻頂部接頂模板中注入鋁基高固水充填材料，水灰比1.5∶1，柔模墻綜合單軸抗壓強度不低于10 MPa。鋁基高固水漿液的流動性好，可有效解決長距離泵送和頂板不平時的不充分接頂問題。強度和煤接近，可實現圍巖同步協調變形。高動壓環境下，柔模墻可起到高阻讓壓的效果，有利于沿空留巷高動壓礦壓條件下的圍巖控制。

為了加強充填體的穩定性和強度，安裝對拉錨桿和鋼筋梯子梁。每排4 根錨桿，間排距700 mm×600 mm，距頂底350 mm、兩邊300 mm，垂直安裝，如圖4 所示。巷旁充填體成型1 h 后，在充填體內側采用扭矩扳手使螺母扭矩達到200 N·m，第二天再預緊一次。

圖4 對拉錨桿尺寸示意圖

鋼筋梯子梁采用φ14 圓鋼焊接而成，根據柔性模板尺寸加工2 種規格分別是：豎向布置長2 200 m、內寬60 mm、布置4 個對拉錨桿孔、孔中對中700 mm；橫向布置長3 100 m、內寬60 mm、布置6 個對拉錨桿孔、孔中對中600 mm。安裝好的鋼筋梯子梁、對拉錨桿在柔模墻的布置如圖5 所示。

圖5 鋼筋梯子梁、對拉錨桿在柔模墻布置圖

2.4 待充填空間臨時支護

為了防止充填前待充區域的頂部過大下沉或垮落，待支架移動后，沿順槽走向方向采用π 型梁或者鉸接頂梁護頂，并采用DW3.15 型單體液壓支柱單體液壓支柱臨時支護，待充填空間打設2 排單體臨時支護，臨時單體支護間排距600 mm×900 mm；巷內每個斷面3 根，間排距1400 mm×900 mm，距離巷道外幫600 mm，與巷道走向垂直布置。待充填段巷道空間單體臨時支護平面，如圖6 所示。

圖6 三角區域待充填空間單體臨時支護俯視圖

2.5 留巷施工時充填區域臨時支護

柔模墻至端尾支架后掩護梁最大距離不超過4 m。在進行柔模墻施工時，挨著上一個柔模墻再布置一個長3.6 m、寬1.2 m 的長方形空間，準備布置柔模墻，調整待充填區域內的單體柱。在長方形區域的3 個邊上布置單體，長邊上的單體間距600 mm、距邊300 mm，長邊布置6 根。短邊上的單體間距300 mm、距邊300 mm，短邊3 根單體，一共需15 根單體。每根單體必須穿鞋帶帽，如果在充填過程中出現單體側向滑動，則根據實際情況適當增加側向單體或者戧柱補強。

2.6 沿空留巷臨時加強支護

超前工作面煤壁的支護不低于20 m，煤壁20 m范圍內采用“π 型梁+單體液壓支柱”進行支護。沿巷道方向布置，總共布置3 排，排距由西向東依次為0.6、2.0 、（距巷道外幫）、0.5 m（距巷道內幫），單體間距900 mm，距離均以單體柱內側距離為準。單體柱π 梁棚“一梁五柱”，梁頭各余0.1 m。支柱必須打在實底上，初撐力不小于90 kN，支柱使用防倒鏈防倒，防倒鏈一頭固定在支柱上端頭，另一頭固定在頂板鋼梁或網片上。三用閥注液口一律指向風流方向，發現失效的支柱及時更換，單體支柱必須穿鞋。2206工作面沿空留巷段臨時加強支護為“一梁五柱”沿巷道傾向布置，間距900 mm、排距1 400 mm，第一根距離巷道外幫600 mm，π 型梁長度4 m，柔模充填完成2 h 后摘除立模液壓單體。

3 工作面采空區瓦斯治理設計

3.1 本煤層瓦斯預抽采

工作面主要采用運輸順槽、軌道順槽和切眼式設一排平行鉆孔預抽本煤層瓦斯，鉆孔長110 m，間距2.5 m，直徑113 mm，開孔距巷底1.4 m，密封采用兩堵一注，鉆孔布置如圖7 所示。

圖7 本煤層抽采鉆孔布置平面圖

3.2 密閉墻埋管上隅角瓦斯抽采

采空區瓦斯濃度隨距工作面越遠而越高。靠回采面一側較低，隨著距離的越來越大，瓦斯濃度不斷升高。因此，利用留墻上的預留孔安裝瓦斯抽采管路進行采空區內高濃度瓦斯抽采，能有效提高抽采效果。如果留設的風排瓦斯量抽采管口離瓦斯積聚點較遠，埋管抽采對采空區內風流影響有限，抽采管不能及時的抽采積聚的瓦斯，則涌出瓦斯治理效果不高。根據條件類似礦井的埋管抽采經驗，埋管抽采瓦斯口位于工作面后方20～40 m 時抽采瓦斯效果最佳，本方案設計埋管口留設間距30 m。如圖8 所示，在工作面瓦斯排氣管上每隔30 m 安裝一組三通控制閥。當工作面推進到三通控制閥時，將埋管口總成安裝在三通控制閥上。在工作面回采進程中，抽采管口滯后保留在采空區，基本保持在上隅角的瓦斯積聚影響區。待工作面推進到原埋管出口后30 m，打開下一循環的埋管口閥門，以此達到埋管口始終位于工作面后方5～30 m 的目的。

圖8 采空區埋管布置示意圖

每間隔30 m（8 垛柔模墻）預留長度1.6 m、直徑325 mm 的抽采硬管（PE 或PVC 材質），距頂板0.3 m；抽采硬管（留巷側外漏長度統一在0.3 m）穿過柔模墻，伸入采空區0.3 m，通過截止閥、三通和連接管接入留巷內的主抽采管。

4 工作面采空區瓦斯抽采效果

2205 工作面未采用柔模墻密閉采空區，存在采空區密閉差，大量采空區瓦斯進入回風流，導致回風流中風排瓦斯量13.5 m3/min，回風流瓦斯濃度偶爾接近極限值，不得不停止回采；2206 工作面采用柔模墻密閉采空區后，根據2206 工作面實測，本煤層瓦斯抽采量為4.55 m3/min。采用采空區邊緣埋管抽采，抽采純瓦斯量實測為0.83 m3/min。回風流瓦斯濃度為0.28%，瓦斯濃度不超限。從回風流中的瓦斯濃度可以看出，密閉后抽采效果好，濃度大幅降低。

5 結 論

通過采用柔模墻充填密閉采空區，輔以加強高位鉆孔主動抽采和采空區埋管進行抽放瓦斯。2206工作面本煤層瓦斯抽采量達到4.55 m3/min，采空區的純瓦斯量瓦斯抽采量達到0.83 m3/min，回風流中的瓦斯濃度降至0.28%。有效密閉采空區、明顯改善采空區漏風，提高高位鉆孔和采空區埋管瓦斯抽放量。采用巷旁充填密閉后工作面回風巷瓦斯含量明顯降低，滿足礦井的安全生產。