高瓦斯工作面隅角新型组合封堵气囊研究

乔磊， 范富槐， 黄晓昇

(1.山西潞安集团高河能源有限公司， 山西 长治 046100； 2.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054)

0 引言

近年来，随着采煤深度不断增加，巷道破坏变形更加严重，工作面上下隅角位置漏风、瓦斯超限等问题给矿井安全生产造成严重威胁[1-4]。国内外学者针对隅角瓦斯治理开展了大量研究。李树刚等[5]研究了工作面上隅角瓦斯流动活跃区的形成机理，并结合Fluent模拟软件，对上隅角埋管抽采瓦斯的布置参数进行了优化。吴兵等[6]提出了上隅角瓦斯拖管抽采技术，使得抽放点可以跟随工作面推进而移动，实现了采空区瓦斯抽放最佳效果的连续性。张勇[7]在某矿尾部联络巷使用并列双U型通风治理瓦斯技术，在保证尾部联络巷间距合理性的基础上，有效改善了瓦斯抽放与巷道通风能力。除瓦斯抽采和通风技术外，隅角封堵也是一种有效的隅角瓦斯治理技术，对该技术的研究取得了一定成果。张道平[8]研究了垛双抗袋及风筒布封堵技术的特点，通过实践证明了风筒布封堵工作面上隅角技术的可行性。郑军[9]提出在高瓦斯综采工作面回采期间采用气垛充填上隅角。王磊等[10]研发了矿用阻燃内外胆组合结构的轻型柔性隅角封堵气囊，并提出了单体液压支柱配合轻型柔性气囊的隅角封堵方法。上述研究中，垛双抗袋、风筒布封堵技术及气垛充填技术难以真正做到全断面封堵，封堵效果不理想[11]；轻型柔性隅角封堵气囊虽然使用便捷、封堵迅速，但极限承载压力较小，在巷道形变复杂情况下难以应用，且无法回收利用，增加了隅角封堵成本[12]。

针对以上问题，本文设计了隅角新型组合封堵气囊，其具有承载压力大、可回收利用、在复杂断面适用性强等优点，为防治高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限、降低封堵成本提供了保障。

1 隅角新型组合封堵气囊设计

工作面隅角位置封堵截面多变，若将气囊制成1个整体，不仅会造成材料浪费，而且增大人员劳动负荷，同时延长封堵时间，在巷道形变复杂的情况下难以真正做到全断面封堵。因此，本文提出将气囊制作成大小组合式结构，以适应不同巷道封堵断面的需要。组合封堵气囊设计参数见表1，实物如图1所示。

表1 组合封堵气囊设计参数Table 1 Design parameters of combined sealing airbag

(a) 大型气囊

(b) 小型气囊

组合封堵气囊均由承压内胆、阻燃海绵防护层、土工布外壳、进气阀、压力表、泄压阀、阻燃回收网等组成。以小型气囊为例，其结构如图2所示。气囊外壳选用阻燃抗静电硅胶防火布材料。该材料形变范围大、质量小、便于加工及修复、密封性和耐久性优良，可以有效密封隅角空间。承压内胆由伸缩性能良好的橡胶材料加工而成，厚度为3 mm，具备一定的膨胀性，能承载0.08 MPa气压。该材料质软，但抗拉强度大。加工时应严格控制内胆尺寸，使内胆与外壳尺寸相互匹配、装配适当。泄压阀在内胆气压超过0.05 MPa时会自动泄压，因此气囊最大工作压力为0.05 MPa。内胆与外壳之间填充厚0.5 mm的阻燃海绵防护层，以避免井下尖锐物体刺穿外壳而损伤内胆。阻燃海绵密度为25 kg/m3，属于中密度海绵，且孔洞细密。阻燃回收网选用建筑行业常用的安全平网，具有强度高、耐腐蚀、阻燃性能好、耐候性良好的特点，适用于工作面隅角封堵。阻燃回收网包裹在组合封堵气囊外部，便于气囊回收利用。

1-阻燃海绵防护层；2-承压内胆；3-土工布外壳；4-压力表； 5-进气阀；6-泄压阀；7-阻燃回收网。图2 小型气囊结构Fig.2 Structure of miniature sealing airbag

2 隅角新型组合封堵气囊性能试验

2.1 抗压物理试验

隅角新型组合封堵气囊抗压物理试验平台如图3所示。试验步骤：① 充气。连通气囊进气阀与气源，然后打开进气阀。在充气阶段，采用压力表实时监测气囊内气压，以保证达到试验设计气压时能迅速关闭进气阀，停止对气囊注气。② 固定和加载。充气结束后，受气压作用，气囊的6个面均有一定程度的膨胀，因此在加载前应对气囊加以固定。同时为防止气囊受力不均，在气囊上方加盖1层刚性垫板，垫板尺寸与气囊一致。设定液压千斤顶加载速率为0.5 MPa/min，对气囊缓慢地均匀加载。

图3 组合封堵气囊抗压物理试验平台Fig.3 Physical test platform of pressure resistance of combined sealing airbag

隅角新型组合封堵气囊抗压物理试验数据见表2、表3，对应的试验曲线如图4所示。可看出随着施加泵压增大，气囊工作压力逐渐增大，达到承压内胆额定压力(0.05 MPa)时趋于稳定，气囊高度不断降低，变形速率逐渐减小。在受压初期，气囊主体发生的形变主要是由阻燃海绵防护层变形引起的，变形速率较大；随着工作压力增大，阻燃海绵防护层形变达到极限值，承压内胆开始发生形变，但变形速率较小；当工作压力接近或达到0.05 MPa时，气囊变形速率极小，整体形状趋于稳定。

2.2 抗冲击物理试验

隅角新型组合封堵气囊抗冲击物理试验步骤：① 取样。为了更加真实地还原现场实际情况(特别是釆空区矸石块完整度较高、工作面倾角较大时，不可避免地出现矸石冲击下隅角处封堵气囊的情况)，

表2 大型气囊抗压物理试验数据Table 2 Physical test data of pressure resistance of large sealing airbag

表3 小型气囊抗压物理试验数据Table 3 Physical test data of pressure resistance of miniature sealing airbag

从山西潞安集团余吾煤业有限责任公司(简称余吾煤业)N1101工作面气囊封堵墙内部和液压支架后方采集体积较大的矸石，尽可能保证矸石样品的完整性。从中挑选5块几乎无裂痕、无规律形状且体积较大的矸石样品(质量分别为8.2,10.1,14.9,20.6,28.8 kg)作为试样进行组合封堵气囊抗冲击物理试验。② 充气。将气囊进气阀与气源连通，然后慢慢打开进气阀进行充气。充气过程中采用压力表实时监测气囊气压，待达到试验设计气压时迅速关闭进气阀。③ 固定和冲击。充气结束后气囊6个面都有一定程度的膨胀，需对气囊进行固定，使其在冲击试验台正下方保持静止状态，保证气囊受到静态冲击。

试验结果如图5所示。可看出：① 气囊受质量较小的矸石冲击时，气囊变形量较小，矸石回弹高度较大。这说明气囊受到质量较小的矸石冲击时，仅有极少能量传递给气囊，绝大部分能量再次转移给矸石，使其被弹飞。② 气囊受质量较大的矸石冲击时，气囊变形量较大，回弹高度较小。这说明气囊受到质量较大的矸石冲击时，绝大部分能量传递给气囊，小部分能量再次转移给矸石，使其又落到气囊上。③ 矸石质量越大，气囊变形量越大，回弹高度越小，矸石动能吸收效果越好。这说明在实际生产中，当发生大块矸石垮落情况时，隅角新型组合封堵气囊可有效防止矸石回弹，降低伤人事件发生的概率。

(a) 大型气囊

(b) 小型气囊

(a) 大型气囊

(b) 小型气囊

3 隅角新型组合封堵气囊现场试验

3.1 试验方案

为验证隅角新型组合封堵气囊的实际应用效果，在余吾煤业N1101工作面进行了现场试验。N1101工作面标高+402～+445 m，北侧、西侧为实体煤，东侧为N1102工作面(已采)。煤层平均厚度为6.4 m，煤层倾角为+5°。工作面上隅角处巷道最大高度为3.2 m，最大宽度为4.5 m；下隅角处巷道最大高度为3.1 m，最大宽度为3.8 m。采用单U型通风方式，工作面供风量为3 426 m3/min。针对巷道形变复杂的断面，目前采用铁丝网+风筒布封堵配合采空区埋管抽采方式进行瓦斯超限治理，但在回采期间上隅角、回风流瓦斯浓度仍较高，因此考虑采用隅角新型组合封堵气囊进行封堵，如图6所示。

图6 复杂断面封堵示意Fig.6 Complex section sealing

采用新型组合气囊封堵隅角步骤：① 简单清理单体液压支柱处的封堵位置。② 将气囊水平摆放，避免歪斜，以免窝住气体打爆气囊。③ 取进气管，一端连接总供风管道，另一端连接压力表，压力表连接进气阀。④ 对气囊充气，同时观察压力表，在满足压力数值后及时停止供风，以免压力过大。⑤ 取另一个气囊重复上述步骤，直至将整个隅角断面完全封堵。在气囊与气囊、顶板、煤壁接触不严密的位置，喷涂聚氨酯封堵裂隙，保证密闭封堵。⑥ 在气囊外部包裹的阻燃回收网上连接回收钢丝绳。⑦ 完成1个周期生产后，在工作面端头安全区域内拖动回收钢丝绳，完成气囊回收工作，留待下次封堵作业使用。

3.2 效果分析

为了考察新型组合气囊封堵效果，对采空区、上隅角及回风巷瓦斯浓度进行监测，并与采用风筒布封堵方法时监测结果进行对比。2018-10-22—29瓦斯浓度监测结果如图7所示。

(a) 采空区

(b) 上隅角

(c) 回风巷

从图7可看出：① 采用风筒布封堵时，采空区、上隅角、回风巷平均瓦斯体积分数分别为1.30%，0.792%，0.610%左右。② 采用新型组合气囊封堵时，采空区平均瓦斯体积分数较采用风筒布封堵时明显上升，维持在1.48%左右；上隅角平均瓦斯体积分数下降，稳定在0.665%左右；回风巷平均瓦斯体积分数小幅下降，稳定在0.557%左右。③ 与风筒布封堵方法相比，新型组合气囊封堵更严密，很大程度上降低了采空区内高浓度瓦斯风流流到上隅角和工作面。④ 采用风筒布封堵时，采空区、上隅角、回风巷瓦斯浓度随时间变化剧烈，而采用新型组合气囊封堵时瓦斯浓度较稳定。这是因为风筒布为单层结构，其封堵区间小于1 cm，且在断面变形时可能会产生缝隙，影响封堵效果；组合封堵气囊为3层复合结构，封堵区间达70 cm，有6层封堵层，且断面变形越大，与断面贴合越紧，封堵效果较好。

4 结论

(1) 新型组合封堵气囊受压变形时，初始阶段变形速率较大，达到额定工作压力时变形速率减小并趋于平缓；气囊受矸石冲击时，矸石质量越大，则气囊变形越大，回弹高度越小，矸石动能吸收效果越好。

(2) 采用新型组合封堵气囊对于解决采空区局部漏风有较好效果，减少了采空区内高浓度瓦斯风流进入工作面和上隅角。

(3) 采用新型组合封堵气囊封堵可有效降低上隅角瓦斯浓度，与采用传统的风筒布封堵方式相比，平均瓦斯体积分数降低了16.04%，且瓦斯体积分数波动小。

(4) 新型组合封堵气囊具有较好的封堵效果，且可回收利用，降低了隅角封堵成本。可采用新型组合封堵气囊封堵与隅角抽采相结合的方式，对高瓦斯工作面上隅角瓦斯超限问题进行防治。

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