沿空留巷高水材料柔模充填體防漏風(fēng)技術(shù)研究

蔣冬生

（霍州煤電集團(tuán)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(qiáng)度增長(zhǎng)快、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度快等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)已經(jīng)取得較為廣泛的應(yīng)用。此種方式主要是通過(guò)單體柱、木板等支設(shè)剛性模板，采用抗靜電、阻燃的風(fēng)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(gè)關(guān)鍵作用是隔離留巷和采空區(qū)，防止采空區(qū)瓦斯泄露，防止留巷內(nèi)新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)引起煤層自燃。但是高水材料在灌注過(guò)程中具有一定的流動(dòng)性，以及其它因素，導(dǎo)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(fēng)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(fēng)技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

山西省晉煤集團(tuán)成莊礦4311工作面回采3#煤層，采用走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤采煤法，機(jī)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(yùn)輸巷，43112巷為回風(fēng)巷，均沿煤層底板掘進(jìn)，如圖1所示。

計(jì)劃進(jìn)行沿空留巷的是43113巷，采用高水充填材料，遠(yuǎn)距離管路輸送沿空留巷，高水充填材料為河南理工大學(xué)研發(fā)雙液充填材料，使用水灰比1.5：1，8min 左右失去流動(dòng)性，20min～30min 終凝，2h 強(qiáng)度2.8MPa，1d 強(qiáng)度 4.8MPa，7d 強(qiáng)度 8.2MPa，通過(guò)兩趟單液管路輸送至充填點(diǎn)，接混合管將兩種漿液混合進(jìn)行澆筑充填。模板支設(shè)采用木點(diǎn)柱、單體柱、木板、鋼筋網(wǎng)形成剛性模板，中部吊掛風(fēng)筒布制作的充填柔模袋，將柔模袋頂部吊環(huán)吊掛在頂板鋼筋網(wǎng)上，柔模袋長(zhǎng)度3m，寬度2m，高度3.2m，并預(yù)埋對(duì)穿鋼筋，模板支設(shè)如圖2所示。模板構(gòu)筑完畢，將混合輸漿管插入柔模袋頂部預(yù)留的袖口內(nèi)，開(kāi)始充填作業(yè)，柔模袋充滿后，將混合管拔出，封閉頂部袖口，柔模袋充填結(jié)束。

圖1 4311工作面巷道布置示意圖

圖2 柔模袋模板支設(shè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

2 主要問(wèn)題及漏風(fēng)原因分析

沿空留巷進(jìn)行一段時(shí)間后，在留巷內(nèi)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)工作面后方200m瓦斯?jié)舛燃锤哌_(dá)2%～5%，后方有逐步增大趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)主要的漏風(fēng)通道是充填體頂部與頂板貼合不嚴(yán)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(fēng)通道。

進(jìn)一步的分析表明，漏風(fēng)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(méi)有剪斷，柔模袋吊掛時(shí)不能貼合頂板，形成較大的錐形孔隙。

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

3）充填過(guò)程中柔模袋下墜。充填過(guò)程中，漿液具備8min流動(dòng)性，由于剛性模板強(qiáng)度不足，中下部發(fā)生橫向變形，柔模袋產(chǎn)生自然下墜，導(dǎo)致與頂板之間產(chǎn)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(nèi)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(fēng)技術(shù)及效果考察

3.1 接頂防漏風(fēng)技術(shù)

根據(jù)對(duì)漏風(fēng)原因分析，根本是要解決充填體與頂板貼合問(wèn)題，即提高充填體接頂性能，為此提出針對(duì)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(duì)凸出矸石進(jìn)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(duì)充填空間全封閉，加大模板強(qiáng)度防止充填過(guò)程中產(chǎn)生的橫向變形，并適當(dāng)增大柔模袋尺寸；

3）改進(jìn)柔模袋吊掛方式。

將頂部吊環(huán)改為肩部吊環(huán)，吊環(huán)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(zhǎng)度，增大掛鉤抗拉伸能力；

4）加快充填體硬化時(shí)間。

調(diào)整高水材料凝固時(shí)間，由8min失去流動(dòng)性，20min～30min終凝提高到5min失去流動(dòng)性，15min終凝，減少材料在柔模袋內(nèi)流動(dòng)時(shí)間，加快硬化速度，使其盡早具備自承載能力；

5）頂部采用發(fā)泡材料主動(dòng)膨脹接頂。

在充填臨近結(jié)束前，在漿液中加入物理發(fā)泡劑，使最后接頂階段充填材料硬化過(guò)程中產(chǎn)生一定的膨脹，主動(dòng)與頂板緊密貼合。現(xiàn)場(chǎng)理論計(jì)算如下：

充填材料膨脹量h可按照式1計(jì)算：

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

充填材料壓縮量s可按照式2計(jì)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，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(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(fā)泡劑使其膨脹，計(jì)算膨脹率為5.7%，發(fā)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(fēng)技術(shù)經(jīng)過(guò)實(shí)施后，充填體接頂明顯改善，頂部呈蘑菇狀，初始試驗(yàn)階段工作面后方200m瓦斯?jié)舛燃s為1.5%，到正常留巷階段，工作面后方200m瓦斯?jié)舛冉档偷郊s0.8%，如圖4所示。隨著接頂防漏風(fēng)技術(shù)逐步成熟，工作面后方瓦斯?jié)舛瓤蛇M(jìn)一步減小。

圖4 工作面后方瓦斯?jié)舛扔^測(cè)

4 結(jié) 論

1）高水材料柔模充填體存在較為嚴(yán)重的漏風(fēng)問(wèn)題，留巷內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸?，?yán)重影響留巷安全。

2）從頂板條件、模板支設(shè)、柔模袋下墜、充填工藝分析了漏風(fēng)原因。

3）從頂板平整、加固模板、柔模袋吊環(huán)改進(jìn)、加快材料凝固速度、材料膨脹5個(gè)方面提出了防漏風(fēng)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)效果考察表明，工作面后方200m瓦斯?jié)舛扔?%以上降低到0.8%，效果顯著。