巷旁高水材料柔模墙隔离采空区瓦斯治理技术研究与应用

张进波

（山西焦煤山煤国际鹿台山煤业有限公司，山西 晋城 048000）

0 引 言

我国瓦斯煤矿的生产工作面经常受到瓦斯超限而影响正常的安全生产，尤其是沿空留巷的工作面。工作面切顶卸压沿空留巷后，采空区密闭不好，大量采空区瓦斯进入回风流，导致回风流中瓦斯浓度较高，瓦斯含量超标，更加的影响正常的安全生产。为了降低工作面回风流中瓦斯浓度，本文以鹿台山煤业有限公司2206 工作面为工程案例，开展巷旁高水材料柔模墙隔离采空区瓦斯治理技术研究与应用。

1 概 况

鹿台山煤业有限公司隶属于山西煤炭进出口集团有限公司，井田位于山西省沁水县张村乡境内。开采深度+600～+960 m。现采2 号煤层，平均煤厚2 m，瓦斯等级为高瓦斯矿井。2206 工作面地表位于矿区北部，冯村以北约2 km 的山区，回采范围内2 号煤层底板标高+702.82～+805.53 m。地表为山林，无构筑物、铁路、公路、河流及水库等。2206 工作面的系统布置采用“三条顺槽+两条切眼”布置，实现“Y”型通风。其中2205 顺槽为主进风巷（运输顺槽），2206 顺槽为副进风巷（轨道顺槽），2207 工作面切眼、2207顺槽和2206 顺槽沿空留巷段组成2206 工作面通风系统，平面布置示意如图1 所示。

图1 2206 工作面布置示意图

矿井已在2202、2203、2205 三个工作面成功进行了切顶卸压沿空留巷，主要存在采空区密闭不好，大量采空区瓦斯进入回风流，导致回风流中风排瓦斯量13.5 m3/min，瓦斯浓度高，瓦斯含量超标，影响正常的安全生产。

2 巷旁充填密闭

为了降低切顶卸压沿空留巷工作面回风流瓦斯量，在切顶卸压沿空留巷的基础上通过构造巷旁充填墙实现密闭采空区，同时通过加强高位钻孔主动抽采和采空区埋管进行采空区抽放瓦斯[1-2]。隔离或密闭采空区，防止漏风导致采空区大量瓦斯进入回风顺槽导致风排瓦斯量超限[3-4]；2206 顺槽的巷旁充填采用铝基高固水充填的密闭墙，铝基高固水巷旁柔模墙是以柔性模板和对拉锚栓作为成型和侧向约束体[5-6]。2202、2203、2205 工作面切顶卸压沿空留巷已经结束，留巷巷道矿压显现以底鼓为主、顶板旋转下沉为辅，两帮变形较小。随着采深的增加，2205工作面切顶卸压留巷矿压显现最大，其中底鼓量600～900 mm，顶板旋转下沉量300～500 mm，两帮移近量200～300 mm。由于矿压显现以底鼓为主，在2206 工作面留巷过程中要注意底鼓和顶板旋转下沉对巷旁柔模墙稳定性的影响。

2.1 巷旁充填密闭墙宽度确定

为了保证充填体的稳定，综合考虑充填体的受力以及经济效益最大化，根据《盘架技术规范JGJ231-2010》中规定长条形的独立高支模架的总高度与架体的宽度之比H/B 不大于3[7]，因此，在巷旁充填密闭墙体高度2.8 m 时，最小厚度为0.93 m，再考虑取安全系数为1.2，因此巷旁充填墙最小宽度为1.12 m，取整数1.2 m。

2.2 巷旁充填密闭墙断面设计

根据矿方提供的资料，原巷道宽度5 000 mm，高度2 800 mm。综合分析沿空巷道后期用途及施工要求，充填后巷道宽度不得低于4 200 mm，采用充填体800 mm 布置于巷道内，400 mm 布置于巷旁采空区区域。 综上考虑和分析，设计2206 顺槽留巷宽4 200 mm，高2 800 mm，巷旁支护宽1 200 mm，如图2 所示，柔模墙沿2206 顺槽内帮边缘布置，其中巷道内800 mm、巷外400 mm。

图2 2206 巷道留巷断面及柔模墙布置位置图

2.3 巷旁充填密闭墙体支护材料及参数

采用煤矿沿空留巷柔模袋，见图3。柔模墙尺寸：长×宽×高=3 600 mm×1 200 mm×2 800 mm，充填袋尺寸：4 050 mm×1 300 mm×3 300 mm。

图3 煤矿沿空留巷用柔模袋

在柔模墙顶部接顶模板中注入铝基高固水充填材料，水灰比1.5∶1，柔模墙综合单轴抗压强度不低于10 MPa。铝基高固水浆液的流动性好，可有效解决长距离泵送和顶板不平时的不充分接顶问题。强度和煤接近，可实现围岩同步协调变形。高动压环境下，柔模墙可起到高阻让压的效果，有利于沿空留巷高动压矿压条件下的围岩控制。

为了加强充填体的稳定性和强度，安装对拉锚杆和钢筋梯子梁。每排4 根锚杆，间排距700 mm×600 mm，距顶底350 mm、两边300 mm，垂直安装，如图4 所示。巷旁充填体成型1 h 后，在充填体内侧采用扭矩扳手使螺母扭矩达到200 N·m，第二天再预紧一次。

图4 对拉锚杆尺寸示意图

钢筋梯子梁采用φ14 圆钢焊接而成，根据柔性模板尺寸加工2 种规格分别是：竖向布置长2 200 m、内宽60 mm、布置4 个对拉锚杆孔、孔中对中700 mm；横向布置长3 100 m、内宽60 mm、布置6 个对拉锚杆孔、孔中对中600 mm。安装好的钢筋梯子梁、对拉锚杆在柔模墙的布置如图5 所示。

图5 钢筋梯子梁、对拉锚杆在柔模墙布置图

2.4 待充填空间临时支护

为了防止充填前待充区域的顶部过大下沉或垮落，待支架移动后，沿顺槽走向方向采用π 型梁或者铰接顶梁护顶，并采用DW3.15 型单体液压支柱单体液压支柱临时支护，待充填空间打设2 排单体临时支护，临时单体支护间排距600 mm×900 mm；巷内每个断面3 根，间排距1400 mm×900 mm，距离巷道外帮600 mm，与巷道走向垂直布置。待充填段巷道空间单体临时支护平面，如图6 所示。

图6 三角区域待充填空间单体临时支护俯视图

2.5 留巷施工时充填区域临时支护

柔模墙至端尾支架后掩护梁最大距离不超过4 m。在进行柔模墙施工时，挨着上一个柔模墙再布置一个长3.6 m、宽1.2 m 的长方形空间，准备布置柔模墙，调整待充填区域内的单体柱。在长方形区域的3 个边上布置单体，长边上的单体间距600 mm、距边300 mm，长边布置6 根。短边上的单体间距300 mm、距边300 mm，短边3 根单体，一共需15 根单体。每根单体必须穿鞋带帽，如果在充填过程中出现单体侧向滑动，则根据实际情况适当增加侧向单体或者戗柱补强。

2.6 沿空留巷临时加强支护

超前工作面煤壁的支护不低于20 m，煤壁20 m范围内采用“π 型梁+单体液压支柱”进行支护。沿巷道方向布置，总共布置3 排，排距由西向东依次为0.6、2.0 、（距巷道外帮）、0.5 m（距巷道内帮），单体间距900 mm，距离均以单体柱内侧距离为准。单体柱π 梁棚“一梁五柱”，梁头各余0.1 m。支柱必须打在实底上，初撑力不小于90 kN，支柱使用防倒链防倒，防倒链一头固定在支柱上端头，另一头固定在顶板钢梁或网片上。三用阀注液口一律指向风流方向，发现失效的支柱及时更换，单体支柱必须穿鞋。2206工作面沿空留巷段临时加强支护为“一梁五柱”沿巷道倾向布置，间距900 mm、排距1 400 mm，第一根距离巷道外帮600 mm，π 型梁长度4 m，柔模充填完成2 h 后摘除立模液压单体。

3 工作面采空区瓦斯治理设计

3.1 本煤层瓦斯预抽采

工作面主要采用运输顺槽、轨道顺槽和切眼式设一排平行钻孔预抽本煤层瓦斯，钻孔长110 m，间距2.5 m，直径113 mm，开孔距巷底1.4 m，密封采用两堵一注，钻孔布置如图7 所示。

图7 本煤层抽采钻孔布置平面图

3.2 密闭墙埋管上隅角瓦斯抽采

采空区瓦斯浓度随距工作面越远而越高。靠回采面一侧较低，随着距离的越来越大，瓦斯浓度不断升高。因此，利用留墙上的预留孔安装瓦斯抽采管路进行采空区内高浓度瓦斯抽采，能有效提高抽采效果。如果留设的风排瓦斯量抽采管口离瓦斯积聚点较远，埋管抽采对采空区内风流影响有限，抽采管不能及时的抽采积聚的瓦斯，则涌出瓦斯治理效果不高。根据条件类似矿井的埋管抽采经验，埋管抽采瓦斯口位于工作面后方20～40 m 时抽采瓦斯效果最佳，本方案设计埋管口留设间距30 m。如图8 所示，在工作面瓦斯排气管上每隔30 m 安装一组三通控制阀。当工作面推进到三通控制阀时，将埋管口总成安装在三通控制阀上。在工作面回采进程中，抽采管口滞后保留在采空区，基本保持在上隅角的瓦斯积聚影响区。待工作面推进到原埋管出口后30 m，打开下一循环的埋管口阀门，以此达到埋管口始终位于工作面后方5～30 m 的目的。

图8 采空区埋管布置示意图

每间隔30 m（8 垛柔模墙）预留长度1.6 m、直径325 mm 的抽采硬管（PE 或PVC 材质），距顶板0.3 m；抽采硬管（留巷侧外漏长度统一在0.3 m）穿过柔模墙，伸入采空区0.3 m，通过截止阀、三通和连接管接入留巷内的主抽采管。

4 工作面采空区瓦斯抽采效果

2205 工作面未采用柔模墙密闭采空区，存在采空区密闭差，大量采空区瓦斯进入回风流，导致回风流中风排瓦斯量13.5 m3/min，回风流瓦斯浓度偶尔接近极限值，不得不停止回采；2206 工作面采用柔模墙密闭采空区后，根据2206 工作面实测，本煤层瓦斯抽采量为4.55 m3/min。采用采空区边缘埋管抽采，抽采纯瓦斯量实测为0.83 m3/min。回风流瓦斯浓度为0.28%，瓦斯浓度不超限。从回风流中的瓦斯浓度可以看出，密闭后抽采效果好，浓度大幅降低。

5 结 论

通过采用柔模墙充填密闭采空区，辅以加强高位钻孔主动抽采和采空区埋管进行抽放瓦斯。2206工作面本煤层瓦斯抽采量达到4.55 m3/min，采空区的纯瓦斯量瓦斯抽采量达到0.83 m3/min，回风流中的瓦斯浓度降至0.28%。有效密闭采空区、明显改善采空区漏风，提高高位钻孔和采空区埋管瓦斯抽放量。采用巷旁充填密闭后工作面回风巷瓦斯含量明显降低，满足矿井的安全生产。