沿空留巷高水材料柔模充填體防漏風技術研究

蔣冬生

（霍州煤電集團呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 霍州 031400）

高水材料沿空留巷具有材料用量少、強度增長快、設備簡單、施工速度快等技術優勢，在我國已經取得較為廣泛的應用。此種方式主要是通過單體柱、木板等支設剛性模板，采用抗靜電、阻燃的風筒布縫制充填柔模袋，用于澆筑墻體。充填墻體除了支撐頂板，另外一個關鍵作用是隔離留巷和采空區，防止采空區瓦斯泄露，防止留巷內新鮮風流進入采空區引起煤層自燃。但是高水材料在灌注過程中具有一定的流動性，以及其它因素，導致充填墻體與墻體之間、充填墻體與頂板之間，并不能緊密貼合，尤其是在頂部位置存在漏風通道，威脅留巷安全。本文以成莊礦高水材料柔模袋沿空留巷為工程背景，研究防漏風技術。

1 工程簡介

山西省晉煤集團成莊礦4311工作面回采3#煤層，采用走向長壁后退式放頂煤采煤法，機采高度3m，放煤高度3.3m，工作面布置3條順槽，43111巷為軌道巷，43113巷為運輸巷，43112巷為回風巷，均沿煤層底板掘進，如圖1所示。

計劃進行沿空留巷的是43113巷，采用高水充填材料，遠距離管路輸送沿空留巷，高水充填材料為河南理工大學研發雙液充填材料，使用水灰比1.5：1，8min 左右失去流動性，20min～30min 終凝，2h 強度2.8MPa，1d 強度 4.8MPa，7d 強度 8.2MPa，通過兩趟單液管路輸送至充填點，接混合管將兩種漿液混合進行澆筑充填。模板支設采用木點柱、單體柱、木板、鋼筋網形成剛性模板，中部吊掛風筒布制作的充填柔模袋，將柔模袋頂部吊環吊掛在頂板鋼筋網上，柔模袋長度3m，寬度2m，高度3.2m，并預埋對穿鋼筋，模板支設如圖2所示。模板構筑完畢，將混合輸漿管插入柔模袋頂部預留的袖口內，開始充填作業，柔模袋充滿后，將混合管拔出，封閉頂部袖口，柔模袋充填結束。

圖1 4311工作面巷道布置示意圖

圖2 柔模袋模板支設現場實景

2 主要問題及漏風原因分析

沿空留巷進行一段時間后，在留巷內進行瓦斯含量測試，發現工作面后方200m瓦斯濃度即高達2%～5%，后方有逐步增大趨勢。經過現場排查，發現主要的漏風通道是充填體頂部與頂板貼合不嚴密，以及充填體與充填體之間肩部有大的縫隙，為主要的漏風通道。

進一步的分析表明，漏風原因包括：

1）頂部錨索影響。由于充填柔模袋上方錨索外漏部分沒有剪斷，柔模袋吊掛時不能貼合頂板，形成較大的錐形孔隙。

2）頂部變形。頂板發生變形下沉后，頂部不平整，柔模袋吊掛時不能貼合頂板，形成縫隙。

3）充填過程中柔模袋下墜。充填過程中，漿液具備8min流動性，由于剛性模板強度不足，中下部發生橫向變形，柔模袋產生自然下墜，導致與頂板之間產生縫隙，如圖3所示。

圖3 柔模袋橫向變形下墜示意圖

4）充填工藝限制。雖然混合管是自頂部向下灌注充填，但漿液自流后在柔模袋內形成水平面，頂板凹凸不平，很難與漿液形成的水平面完全貼合。

3 接頂防漏風技術及效果考察

3.1 接頂防漏風技術

根據對漏風原因分析，根本是要解決充填體與頂板貼合問題，即提高充填體接頂性能，為此提出針對性的解決方案：

（1）頂板處理。

將柔模袋上方頂板錨索外漏部分剪斷，對凸出矸石進行處理，使頂板盡可能平整；

2）減小柔模袋可變形空間。

加固剛性模板，將單體柱間距由0.5m改為0.25m，將木板間距由0.5m改為0，對充填空間全封閉，加大模板強度防止充填過程中產生的橫向變形，并適當增大柔模袋尺寸；

3）改進柔模袋吊掛方式。

將頂部吊環改為肩部吊環，吊環上部模袋富余量可以抵消充填模袋的下墜拉伸，將“S”形鉤變更為變形量更小的三角形鉤，減小掛鉤長度，增大掛鉤抗拉伸能力；

4）加快充填體硬化時間。

調整高水材料凝固時間，由8min失去流動性，20min～30min終凝提高到5min失去流動性，15min終凝，減少材料在柔模袋內流動時間，加快硬化速度，使其盡早具備自承載能力；

5）頂部采用發泡材料主動膨脹接頂。

在充填臨近結束前，在漿液中加入物理發泡劑，使最后接頂階段充填材料硬化過程中產生一定的膨脹，主動與頂板緊密貼合。現場理論計算如下：

充填材料膨脹量h可按照式1計算：

式中：h為膨脹量，m；m為最后2桶材料漿液質量，kg；ρ為充填體密度，kg/m3；α 為膨脹率；L 為充填體長度，m；W為充填體寬度，m。

充填材料壓縮量s可按照式2計算：

式中：s為充填體壓縮量，m；A為最后1桶漿液所能充填高度，kg；η為充填體壓縮率，kg/m3。

根據現場實測，充填體與頂板之間一般有0～50mm左右空隙，膨脹量按照1.6倍富余系數設計，設計充填體膨脹量為80mm，最后兩桶漿液充填高度350mm，在最后兩桶漿液中加入發泡劑使其膨脹，計算膨脹率為5.7%，發泡劑摻量約為0.2%即可滿足要求。

3.2 效果考察

上述接頂防漏風技術經過實施后，充填體接頂明顯改善，頂部呈蘑菇狀，初始試驗階段工作面后方200m瓦斯濃度約為1.5%，到正常留巷階段，工作面后方200m瓦斯濃度降低到約0.8%，如圖4所示。隨著接頂防漏風技術逐步成熟，工作面后方瓦斯濃度可進一步減小。

圖4 工作面后方瓦斯濃度觀測

4 結 論

1）高水材料柔模充填體存在較為嚴重的漏風問題，留巷內瓦斯濃度超高，嚴重影響留巷安全。

2）從頂板條件、模板支設、柔模袋下墜、充填工藝分析了漏風原因。

3）從頂板平整、加固模板、柔模袋吊環改進、加快材料凝固速度、材料膨脹5個方面提出了防漏風技術，現場效果考察表明，工作面后方200m瓦斯濃度由2%以上降低到0.8%，效果顯著。