摘要：現(xiàn)有的沿空留巷采空區(qū)密閉方法大多集中于構(gòu)筑密閉墻及封堵墻體裂隙，施工周期較長且反復(fù)進行，消耗大量人力成本，自動化程度低，易發(fā)生二次破壞。針對上述問題，設(shè)計了一種沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)。該系統(tǒng)以柔性密閉氣囊為載體，將未充氣的氣囊置于采空區(qū)密閉墻和單體液壓支柱之間，對氣囊充氣使其與沿空留巷頂?shù)装寮安煽諈^(qū)密閉墻外側(cè)貼合接觸；智能感知礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致的巷道圍巖變形，氣囊隨時變化形狀柔性應(yīng)對，即當(dāng)氣囊內(nèi)部壓力上升并超過安全泄壓閥額定壓力時，自動釋放氣囊氣體縮小體積，以重新與頂?shù)装鍑鷰r緊密貼合，達到持續(xù)密閉采空區(qū)的效果，抑制采空區(qū)危險氣體泄漏?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：安全泄壓閥在柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力達到約4 kPa 時正常開啟，壓力達到2.7 kPa 左右停止泄氣；柔性密閉裝備感知壓力變化后收縮體積以重新適應(yīng)圍巖形態(tài)，可長時間并持續(xù)性地密閉采空區(qū)；柔性密閉裝備安裝后與采空區(qū)密閉墻貼合度高，密閉墻墻體前瓦斯體積分數(shù)降低0.13%，有效抑制了瓦斯溢出。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；瓦斯治理；采空區(qū)密閉；密閉墻；柔性密閉氣囊

中圖分類號：TD712 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，無煤柱開采沿空留巷“110”工法在高瓦斯礦井中運用廣泛。沿空留巷是指隨著工作面回采推進，沿回采巷道采空側(cè)邊緣進行巷旁充填，保留原工作面回風(fēng)巷，作為下區(qū)段工作面的運輸巷使用[1]。傳統(tǒng)的沿空留巷采用“兩進一回”Y 型通風(fēng)方式[2]，使得采空區(qū)與回風(fēng)巷接觸距離增加，若采空區(qū)密閉質(zhì)量不佳，可能導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯泄漏等重大災(zāi)害。

采空區(qū)密閉方法主要體現(xiàn)為沿空留巷的巷旁支護。巷旁支護的發(fā)展大致可分為3 個階段：① 傳統(tǒng)支護方式。使用木垛、密集支柱等傳統(tǒng)材料支護，穩(wěn)定性差，支護阻力小，難以抵抗較大來壓，不能密閉采空區(qū)。② 被動支護方式。使用矸石帶、混凝土砌塊等井下可利用材料支護，這種支護方式取材便捷，但可壓縮性差，勞動強度大。③ 主動支護方式。研究各種具有不同性能的充填材料構(gòu)筑密閉墻，機械化程度高，殘余強度大，密閉性好[3-5]。

目前國內(nèi)最常用的支護方式為主動支護方式，針對沿空留巷采空區(qū)密閉方法的研究也大多集中在構(gòu)筑巷旁充填體——密閉墻。李萬捷等[6]研究了聚氨酯泡沫密閉墻體的材料化學(xué)性能和反應(yīng)原理，探討了多種因素對組合聚醚及聚氨酯密閉材料的性能影響。董光林[7]通過試驗研究了使用超高水快速充填密閉材料構(gòu)筑的墻體的抗壓能力、抗剪切能力及填充材料的形變性能。于維雨等[8]研究了一種用于煤礦密閉墻體的新型無機發(fā)泡充填密閉材料，并成功應(yīng)用于機巷冒頂區(qū)治理。易欣等[9]研制了一種無機固化泡沫充填材料，現(xiàn)場密封效果和抗壓強度表現(xiàn)較好。然而，煤礦采煤工作面推進過程中，礦山壓力顯現(xiàn)導(dǎo)致密閉墻承受壓力不均勻，在多種因素的綜合作用下誘發(fā)密閉墻產(chǎn)生裂隙，增加了采空區(qū)瓦斯涌出通道[10]。針對密閉墻裂隙，新的封堵技術(shù)應(yīng)運而生。張農(nóng)等[11]重新定義了噴涂柔膜技術(shù)，為噴膜在煤礦巷道錨桿支護中的應(yīng)用提供了參考。國外研究人員[12-14]對噴涂柔膜技術(shù)的支護機理進行了探討，國內(nèi)學(xué)者[15-16]在不同的礦井工作面實現(xiàn)了柔膜密閉技術(shù)的現(xiàn)場試驗和應(yīng)用。董山等[17]提出的新型噴涂速效支護技術(shù)為解決松散破碎巷道提供了一種新方法。張少波等[18]研究了適用于國內(nèi)煤礦的薄噴技術(shù)，研發(fā)了非反應(yīng)型薄噴產(chǎn)品并成功應(yīng)用于煤礦。李學(xué)彬等[19]研發(fā)出新型聚合物噴層，可有效維持巷道的長期穩(wěn)定。邸馗等[20]針對高河礦區(qū)段工作面沿空留巷的圍巖變形實際情況，提出了柔模支護優(yōu)化方案，能有效控制巷道的變形。劉華鋒等[21]通過新材料注漿加固，增強了密閉墻周邊圍巖體的整體性和強度。

然而上述采空區(qū)密閉及裂隙封堵方法往往施工周期較長且反復(fù)進行，消耗大量人力成本，自動化程度低。通過煤礦調(diào)研發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高分子膨脹材料等新型封堵材料反復(fù)修補后，采空區(qū)密閉墻仍存在新生裂隙。為提高封堵效率，保證長時間有效封堵采空區(qū)，本文設(shè)計了一種沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)，能夠智能感知沿空留巷圍巖變形，自動釋放內(nèi)部壓力，以保證設(shè)備長期安全運行，一次施工后可長期封堵采空區(qū)密閉墻破壞產(chǎn)生的裂隙，減少采空區(qū)瓦斯等危險氣體的溢出量，解決沿空留巷瓦斯超限問題，實現(xiàn)危險氣體封堵自動化。

1 沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)

沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)由柔性密閉氣囊、氣壓監(jiān)測系統(tǒng)、安全泄壓閥、智能充放氣系統(tǒng)組成，其中柔性密閉氣囊、氣壓監(jiān)測系統(tǒng)和安全泄壓閥共同組成柔性密閉裝備。系統(tǒng)原理如圖1 所示。物理封堵以柔性密閉氣囊為載體，將未充氣的氣囊放置于采空區(qū)密閉墻和單體液壓支柱之間，利用智能充放氣系統(tǒng)對柔性密閉氣囊充氣，使其與頂?shù)装遒N合接觸。此外，氣壓監(jiān)測系統(tǒng)可同步安裝濕度、溫度等參數(shù)監(jiān)測儀，便于系統(tǒng)感知沿空留巷環(huán)境變化并柔性應(yīng)對，以保證長期運行。

柔性密閉氣囊充氣達到額定工作壓力后，保持恒定壓力以維持原本形狀，氣囊內(nèi)側(cè)與采空區(qū)密閉墻外側(cè)緊密貼合，形成抑制墻體裂隙涌出瓦斯的第1 道屏障；氣囊頂部、底部分別與沿空留巷頂?shù)装褰佑|密封，每個氣囊由于自身壓力膨脹相互緊湊貼合，依次連接形成封堵瓦斯泄漏至尾巷的第2 道屏障。工作面推進過程中，礦山壓力顯現(xiàn)導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生變形，由于自身材料屬性，氣囊隨時變化形狀柔性應(yīng)對。當(dāng)氣囊內(nèi)部壓力上升，智能感知壓力變化來自動釋放氣體縮小體積，以重新與頂?shù)装鍑鷰r緊密貼合，達到持續(xù)密閉采空區(qū)的效果。

沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)連接方式如圖2 所示。將壓力表、減壓管和三通管的一端連接組裝為氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，三通管的另外兩端分別連接安全泄壓閥和柔性密閉氣囊出氣口。將組裝好的柔性密閉裝備接通進氣管路，充氣管路裝配調(diào)節(jié)閥門控制氣源速度并連通井下防爆制氮機。制氮機工作后，對柔性密閉氣囊充氣。

與人工攪拌及噴涂大面積填補材料相比，沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)在連接充氣管路后即可實現(xiàn)無人化密封。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：① 操作簡便、運輸方便、安裝快捷省力、使用速度快、工人勞動強度低。② 制作使用成本低，相比于其他采空區(qū)密閉墻封堵材料，密閉氣囊成本極低，大規(guī)模使用可明顯降低經(jīng)濟投入。③ 充入惰性氣體的密閉氣囊可防治采空區(qū)自燃，不產(chǎn)生有害氣體。④ 堵漏速度快， 密閉效果好， 能快速有效地抑制采空區(qū)瓦斯泄漏。

根據(jù)目前市場需求和大部分沿空留巷工程設(shè)計，將長方形沿空留巷作為柔性密閉裝備的應(yīng)用對象。柔性密閉氣囊采用復(fù)合阻燃抗靜電柔性材料，該材料由高品質(zhì)橡膠基材、高強度聚氯乙烯織物、隔爆涂敷布外層多種材料復(fù)合加工而成，具有強度高、延展性能強、隔爆性能好、耐折疊、抗靜電、易加工和修補、氣密性好、使用壽命長等優(yōu)點。進氣閥采用橡膠阻隔墊單向閥，其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。市場現(xiàn)有的成本較低的安全泄壓閥最小排放壓力均為10 kPa，因此通過自行改裝安全泄壓閥達到設(shè)計要求。彈簧直接載荷式安全泄壓閥排放壓力取決于彈簧硬度，彈簧的材質(zhì)和尺寸直接決定安全泄壓閥的開啟壓力和靈敏度。通過購買不同材質(zhì)和尺寸的彈簧，切割成適用于安全泄壓閥的彈簧零件，并經(jīng)過反復(fù)測試，最終確定將4 kPa 作為沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)的排放壓力。改裝后的安全泄壓閥具有靈敏度高、可靠性強的優(yōu)點，兼?zhèn)淞己玫姆辣阅?、耐壓能力、耐腐蝕性和溫度適應(yīng)性。

沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)自適應(yīng)壓力釋放原理如圖3 所示。在采煤工作面安裝沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)后，對柔性密閉氣囊充氣，氣囊內(nèi)部壓力增加，使用氣壓監(jiān)測系統(tǒng)對氣囊內(nèi)部壓力變化進行實時監(jiān)測。當(dāng)柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力達到額定壓力時，停止充氣；若氣囊內(nèi)部壓力超過額定壓力，安全泄壓閥感知后開啟，釋放氣囊內(nèi)部多余氣體，同時關(guān)閉充氣閥門，直到氣囊內(nèi)部壓力達到額定壓力后，安全泄壓閥關(guān)閉并停止泄氣。柔性密閉氣囊緊密貼合沿空留巷頂?shù)装寮安煽諈^(qū)密閉墻外側(cè)，有效封堵危險氣體自墻體裂隙向外泄漏。當(dāng)采動環(huán)境發(fā)生變化，沿空留巷圍壓增加，引起巷道圍巖變形，柔性密閉氣囊感知圍巖變形引發(fā)內(nèi)部壓力升高，當(dāng)壓力超過安全泄壓閥額定壓力時，閥體開啟以防止氣囊因內(nèi)部壓力過高而爆裂損壞，保證沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)長時間有效封堵采空區(qū)瓦斯。

2 試驗驗證

2.1 工作面概況

試驗礦井絕對瓦斯涌出量為20.76 m3/min，相對瓦斯涌出量為18.31 m3/t， 原始瓦斯壓力最大為0.36 MPa， 屬高瓦斯礦井。工作面開切眼長度為180 m，走向長度為868 m，煤層厚度為0.75～1.05 m，平均厚度為0.9 m，屬穩(wěn)定可采的薄煤層，煤層傾角為4～10°，平均傾角為7°，屬近水平煤層。采煤方法為走向長壁后退式開采，采用綜合機械化一次采全高。2103 輔運巷實測斷面面積為11.14 m2，2103 運輸巷實測斷面面積為10.44 m2， 尾巷實測高度為2.7 m，均采用錨網(wǎng)索支護，單體液壓支柱間隔1 m。工作面采用“兩進一回”Y 型通風(fēng)系統(tǒng)、沿空留巷布置。

2.2 施工方案

隨著工作面推進，沿空留巷長度增加，巷道整體受壓強度和服務(wù)時間不同，巷道頂?shù)装遄冃尾痪鶆?，?dǎo)致整條巷道高度不同。因此，針對瓦斯?jié)舛容^高的采空區(qū)密閉墻裂縫，選取不同高度的沿空留巷處分別進行柔性密閉測試，之后使用多個氣囊實施持續(xù)充氣密閉試驗。在指定地點組裝柔性密閉裝備，在單體液壓支柱間隔處放置未充氣的柔性密閉氣囊，安裝氣壓監(jiān)測系統(tǒng)和安全泄壓閥。煤礦空氣壓縮機位于井上，空氣經(jīng)過壓縮輸送到井下，通風(fēng)管路內(nèi)保持0.75 MPa 左右的氣壓，能夠滿足沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)的充氣需求。為簡化試驗流程，將通風(fēng)系統(tǒng)分支管路作為氣源。將柔性密閉裝備與氣源連接，對氣囊充氣。

2.3 監(jiān)測方案

沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)抑制有害氣體溢出的效果主要從密閉前后有害氣體含量變化和采空區(qū)內(nèi)外壓差變化2 個方面檢驗，同時還可監(jiān)測柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力，分析系統(tǒng)運行后氣囊內(nèi)部壓力變化及氣囊與密閉墻貼合程度。具體監(jiān)測方案：① 采用便攜式瓦斯監(jiān)測儀對系統(tǒng)施工前后的密閉墻墻體前瓦斯?jié)舛冗M行周期監(jiān)測，測試位置分別為氣囊密閉區(qū)域、密閉區(qū)前3 m 及密閉區(qū)后3 m，記錄數(shù)據(jù)并繪圖分析。② 安裝膜盒壓力表對氣囊內(nèi)部壓力進行監(jiān)測。對于單個柔性密閉氣囊，每30 min 記錄1 次壓力數(shù)據(jù)；對于多個柔性密閉氣囊，由于壓力變化較快，每隔1 min 記錄1 次壓力數(shù)據(jù)，直至壓力停止變化。

2.4 單個柔性密閉氣囊充氣密閉試驗

單個柔性密閉氣囊充氣密閉試驗系統(tǒng)連接如圖4 所示。鋪設(shè)充氣管路，連接煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)分支管路和柔性密閉氣囊充氣口，打開調(diào)節(jié)閥門，以合適的充氣壓力和速度對氣囊充氣，氣囊膨脹后與密閉墻墻體貼合接觸，達到額定壓力后停止充氣。通過秒表記錄發(fā)現(xiàn)密閉氣囊能夠在2 min 內(nèi)自動完成充氣并與頂?shù)装遒N合，實現(xiàn)快速密閉。

根據(jù)現(xiàn)場觀測效果可知，柔性密閉氣囊填充于2 個單體液壓支柱之間，柔性密閉氣囊與頂板支護錨網(wǎng)等設(shè)施充分接觸后，較好貼合且表面無任何損傷，證明氣囊具有較高的耐壓性和抗穿刺性。氣囊在充氣后與頂?shù)装寰o密貼合，主體部分緊貼采空區(qū)密閉墻，有效封堵采空區(qū)密閉墻裂隙泄漏的危險氣體。

沿空留巷較高處和較低處柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力隨時間的變化如圖5 所示， 其中P 為壓力， t 為時間。

從圖5（a）可看出，柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力達到4 kPa 時停止充氣，安全泄壓閥感知到壓力升高后開始工作，0.5 h 后，氣囊內(nèi)部壓力降到3 kPa，1 h 后氣囊內(nèi)部壓力達到2.75 kPa。柔性密閉氣囊在1 h 內(nèi)壓力下降明顯較快，而后下降速度趨于平穩(wěn)，直至氣囊內(nèi)部壓力變?yōu)榱?。前期較大的壓力差主要是由于安全泄壓閥達到額定工作狀態(tài)后不斷泄氣，降低了氣囊內(nèi)部壓力，而安全泄壓閥的泄壓速度也會隨著內(nèi)外壓差的降低而降低。在0.5～1 h 內(nèi)的某一時間點泄壓閥停止泄壓，之后柔性密閉氣囊因氣壓監(jiān)測系統(tǒng)漏氣導(dǎo)致內(nèi)部壓力繼續(xù)降低。從圖5（b）可看出，和巷道較高處氣囊相似，氣囊內(nèi)部壓力達到3.8 kPa時開始泄壓，在1 h 內(nèi)壓力下降較快，停止充氣0.5 h后， 氣囊內(nèi)部壓力為2.85 kPa， 1 h 后壓力降低至2.65 kPa。在1 h 后，氣囊內(nèi)部壓力降低幅度趨于一致，壓力下降速率幾乎為零。安全泄壓閥停止工作的時間點依然出現(xiàn)在0.5～1 h 內(nèi)，安全泄壓閥工作時期內(nèi)出現(xiàn)較快的壓力下降變化，而后壓力緩慢降低的主要原因為氣壓監(jiān)測系統(tǒng)密封不佳。這說明不同的沿空留巷高度對柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力變化沒有明顯影響。

2.5 多個柔性密閉氣囊持續(xù)充氣密閉試驗

單個柔性密閉氣囊充氣密閉試驗發(fā)現(xiàn)，在停止充氣后，由于氣壓監(jiān)測系統(tǒng)密封不佳產(chǎn)生漏氣問題，沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)無法長時間持續(xù)對采空區(qū)密閉墻的裂隙進行封堵。因此，設(shè)計實施多個柔性密閉氣囊持續(xù)充氣密閉試驗，為氣囊持續(xù)提供氣源，確保其不會因為內(nèi)部壓力較小而失效，驗證沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)是否能持續(xù)正常工作。針對因密閉不佳產(chǎn)生的漏氣問題，柔性密閉裝備在正常運行工作過程中可通過拆除氣壓監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)全程密閉。

多個柔性密閉氣囊持續(xù)充氣密閉試驗系統(tǒng)連接如圖6 所示。將充氣管路拆解，安裝適配的三通管，其中一端連接充氣主管，另外兩端分別連接2 個充氣支管。在沿空留巷內(nèi)選擇裂縫面積較大的采空區(qū)密閉墻墻體前安裝2 個柔性密閉裝備，將其充氣口分別連接2 個分支管路，打開氣源，對2 個柔性密閉氣囊同步充氣。

在柔性密閉氣囊調(diào)整至合適位置并達到額定壓力后，調(diào)節(jié)充氣閥門，設(shè)置適當(dāng)?shù)某錃馑俣龋３殖掷m(xù)充氣狀態(tài)并穩(wěn)定在壓力較小值。記錄柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)變化，在其數(shù)值穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)充氣閥門，增大充氣壓力，繼續(xù)進行持續(xù)充氣并記錄數(shù)據(jù)，柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力隨時間變化趨勢如圖7 所示?？煽闯?，無論充氣壓力較高還是較低時，柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力均會隨時間增加而從峰值壓力降低至某一恒定值并保持不變，柔性密閉裝備在感知環(huán)境壓力變化時能自動釋放氣體以適應(yīng)圍巖變形。雖然充氣壓力較高時氣囊內(nèi)部壓力穩(wěn)定值會略微增加，但不會對氣囊的安全產(chǎn)生影響。

在24 h 后再次觀察充氣壓力保持在較高值的柔性密閉氣囊，深藍色氣囊和淺藍色氣囊壓力表的示數(shù)仍為3.2，3.8 kPa。這意味著沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)在面對沿空留巷圍巖變形等導(dǎo)致的內(nèi)部壓力升高時，其內(nèi)部安全泄壓閥開啟，保證系統(tǒng)安全，長時間并持續(xù)性地對采空區(qū)密閉墻的裂隙進行封堵。

為驗證沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)封堵裂隙效果，分別在氣囊密閉區(qū)域、密閉區(qū)前3 m 及密閉區(qū)后3 m 這3 個區(qū)域監(jiān)測密閉墻墻體前瓦斯體積分數(shù)變化，如圖8 所示?？煽闯?，實施密閉前3 個區(qū)域瓦斯體積分數(shù)均保持在0.53%，密閉后氣囊密閉區(qū)域瓦斯體積分數(shù)在第1 天就出現(xiàn)明顯下降，之后一直保持在0.4% 左右，而密閉區(qū)前后3 m 的瓦斯體積分數(shù)均有小幅度上升，但變化并不明顯，說明柔性密閉氣囊有效抑制了瓦斯溢出。

3 結(jié)論

1） 沿空留巷采空區(qū)自動化密閉系統(tǒng)能夠智能感知沿空留巷圍巖變形，柔性密閉氣囊隨時改變形狀以柔性應(yīng)對外界變化，受壓后自動釋放內(nèi)部壓力、減小體積，以重新與頂?shù)装鍑鷰r緊密貼合，有效封堵危險氣體自墻體裂隙向外泄漏，達到持續(xù)密閉采空區(qū)的效果。

2） 在沿空留巷安裝該系統(tǒng)進行試驗發(fā)現(xiàn)，氣囊在巷道高低處均與采空區(qū)密閉墻外側(cè)墻體較好貼合，能有效封堵裂隙泄漏的危險氣體；柔性密閉裝備內(nèi)部壓力過高時，可自動釋放內(nèi)部氣體泄壓，保證設(shè)備安全，長時間并持續(xù)性地封堵密閉墻裂隙；安全泄壓閥在柔性密閉氣囊內(nèi)部壓力達到約4 kPa 時正常開啟，在達到2.7 kPa 左右停止泄氣；柔性密閉裝備安裝后密閉墻墻體前瓦斯體積分數(shù)降低了0.13%，有效抑制了瓦斯溢出。

3） 后續(xù)將通過加裝海綿等措施進一步提高氣囊與墻壁的貼合性，更好地阻隔危險氣體通過密閉墻裂縫從采空區(qū)溢出。

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