蒋冬生

（霍州煤电集团吕临能化公司庞庞塔煤矿，山西 霍州 031400）

高水材料沿空留巷具有材料用量少、强度增长快、设备简单、施工速度快等技术优势，在我国已经取得较为广泛的应用。此种方式主要是通过单体柱、木板等支设刚性模板，采用抗静电、阻燃的风筒布缝制充填柔模袋，用于浇筑墙体。充填墙体除了支撑顶板，另外一个关键作用是隔离留巷和采空区，防止采空区瓦斯泄露，防止留巷内新鲜风流进入采空区引起煤层自燃。但是高水材料在灌注过程中具有一定的流动性，以及其它因素，导致充填墙体与墙体之间、充填墙体与顶板之间，并不能紧密贴合，尤其是在顶部位置存在漏风通道，威胁留巷安全。本文以成庄矿高水材料柔模袋沿空留巷为工程背景，研究防漏风技术。

1 工程简介

山西省晋煤集团成庄矿4311工作面回采3#煤层，采用走向长壁后退式放顶煤采煤法，机采高度3m，放煤高度3.3m，工作面布置3条顺槽，43111巷为轨道巷，43113巷为运输巷，43112巷为回风巷，均沿煤层底板掘进，如图1所示。

计划进行沿空留巷的是43113巷，采用高水充填材料，远距离管路输送沿空留巷，高水充填材料为河南理工大学研发双液充填材料，使用水灰比1.5：1，8min 左右失去流动性，20min～30min 终凝，2h 强度2.8MPa，1d 强度 4.8MPa，7d 强度 8.2MPa，通过两趟单液管路输送至充填点，接混合管将两种浆液混合进行浇筑充填。模板支设采用木点柱、单体柱、木板、钢筋网形成刚性模板，中部吊挂风筒布制作的充填柔模袋，将柔模袋顶部吊环吊挂在顶板钢筋网上，柔模袋长度3m，宽度2m，高度3.2m，并预埋对穿钢筋，模板支设如图2所示。模板构筑完毕，将混合输浆管插入柔模袋顶部预留的袖口内，开始充填作业，柔模袋充满后，将混合管拔出，封闭顶部袖口，柔模袋充填结束。

图1 4311工作面巷道布置示意图

图2 柔模袋模板支设现场实景

2 主要问题及漏风原因分析

沿空留巷进行一段时间后，在留巷内进行瓦斯含量测试，发现工作面后方200m瓦斯浓度即高达2%～5%，后方有逐步增大趋势。经过现场排查，发现主要的漏风通道是充填体顶部与顶板贴合不严密，以及充填体与充填体之间肩部有大的缝隙，为主要的漏风通道。

进一步的分析表明，漏风原因包括：

1）顶部锚索影响。由于充填柔模袋上方锚索外漏部分没有剪断，柔模袋吊挂时不能贴合顶板，形成较大的锥形孔隙。

2）顶部变形。顶板发生变形下沉后，顶部不平整，柔模袋吊挂时不能贴合顶板，形成缝隙。

3）充填过程中柔模袋下坠。充填过程中，浆液具备8min流动性，由于刚性模板强度不足，中下部发生横向变形，柔模袋产生自然下坠，导致与顶板之间产生缝隙，如图3所示。

图3 柔模袋横向变形下坠示意图

4）充填工艺限制。虽然混合管是自顶部向下灌注充填，但浆液自流后在柔模袋内形成水平面，顶板凹凸不平，很难与浆液形成的水平面完全贴合。

3 接顶防漏风技术及效果考察

3.1 接顶防漏风技术

根据对漏风原因分析，根本是要解决充填体与顶板贴合问题，即提高充填体接顶性能，为此提出针对性的解决方案：

（1）顶板处理。

将柔模袋上方顶板锚索外漏部分剪断，对凸出矸石进行处理，使顶板尽可能平整；

2）减小柔模袋可变形空间。

加固刚性模板，将单体柱间距由0.5m改为0.25m，将木板间距由0.5m改为0，对充填空间全封闭，加大模板强度防止充填过程中产生的横向变形，并适当增大柔模袋尺寸；

3）改进柔模袋吊挂方式。

将顶部吊环改为肩部吊环，吊环上部模袋富余量可以抵消充填模袋的下坠拉伸，将“S”形钩变更为变形量更小的三角形钩，减小挂钩长度，增大挂钩抗拉伸能力；

4）加快充填体硬化时间。

调整高水材料凝固时间，由8min失去流动性，20min～30min终凝提高到5min失去流动性，15min终凝，减少材料在柔模袋内流动时间，加快硬化速度，使其尽早具备自承载能力；

5）顶部采用发泡材料主动膨胀接顶。

在充填临近结束前，在浆液中加入物理发泡剂，使最后接顶阶段充填材料硬化过程中产生一定的膨胀，主动与顶板紧密贴合。现场理论计算如下：

充填材料膨胀量h可按照式1计算：

式中：h为膨胀量，m；m为最后2桶材料浆液质量，kg；ρ为充填体密度，kg/m3；α 为膨胀率；L 为充填体长度，m；W为充填体宽度，m。

充填材料压缩量s可按照式2计算：

式中：s为充填体压缩量，m；A为最后1桶浆液所能充填高度，kg；η为充填体压缩率，kg/m3。

根据现场实测，充填体与顶板之间一般有0～50mm左右空隙，膨胀量按照1.6倍富余系数设计，设计充填体膨胀量为80mm，最后两桶浆液充填高度350mm，在最后两桶浆液中加入发泡剂使其膨胀，计算膨胀率为5.7%，发泡剂掺量约为0.2%即可满足要求。

3.2 效果考察

上述接顶防漏风技术经过实施后，充填体接顶明显改善，顶部呈蘑菇状，初始试验阶段工作面后方200m瓦斯浓度约为1.5%，到正常留巷阶段，工作面后方200m瓦斯浓度降低到约0.8%，如图4所示。随着接顶防漏风技术逐步成熟，工作面后方瓦斯浓度可进一步减小。

图4 工作面后方瓦斯浓度观测

4 结 论

1）高水材料柔模充填体存在较为严重的漏风问题，留巷内瓦斯浓度超高，严重影响留巷安全。

2）从顶板条件、模板支设、柔模袋下坠、充填工艺分析了漏风原因。

3）从顶板平整、加固模板、柔模袋吊环改进、加快材料凝固速度、材料膨胀5个方面提出了防漏风技术，现场效果考察表明，工作面后方200m瓦斯浓度由2%以上降低到0.8%，效果显著。