0.   引言

近年来，无煤柱开采沿空留巷“110”工法在高瓦斯矿井中运用广泛。沿空留巷是指随着工作面回采推进，沿回采巷道采空侧边缘进行巷旁充填，保留原工作面回风巷，作为下区段工作面的运输巷使用^[1]。传统的沿空留巷采用“两进一回”Y型通风方式^[2]，使得采空区与回风巷接触距离增加，若采空区密闭质量不佳，可能导致采空区瓦斯泄漏等重大灾害。

采空区密闭方法主要体现为沿空留巷的巷旁支护。巷旁支护的发展大致可分为3个阶段：① 传统支护方式。使用木垛、密集支柱等传统材料支护，稳定性差，支护阻力小，难以抵抗较大来压，不能密闭采空区。② 被动支护方式。使用矸石带、混凝土砌块等井下可利用材料支护，这种支护方式取材便捷，但可压缩性差，劳动强度大。③ 主动支护方式。研究各种具有不同性能的充填材料构筑密闭墙，机械化程度高，残余强度大，密闭性好^[3-5]。

目前国内最常用的支护方式为主动支护方式，针对沿空留巷采空区密闭方法的研究也大多集中在构筑巷旁充填体——密闭墙。李万捷等^[6]研究了聚氨酯泡沫密闭墙体的材料化学性能和反应原理，探讨了多种因素对组合聚醚及聚氨酯密闭材料的性能影响。董光林^[7]通过试验研究了使用超高水快速充填密闭材料构筑的墙体的抗压能力、抗剪切能力及填充材料的形变性能。于维雨等^[8]研究了一种用于煤矿密闭墙体的新型无机发泡充填密闭材料，并成功应用于机巷冒顶区治理。易欣等^[9]研制了一种无机固化泡沫充填材料，现场密封效果和抗压强度表现较好。然而，煤矿采煤工作面推进过程中，矿山压力显现导致密闭墙承受压力不均匀，在多种因素的综合作用下诱发密闭墙产生裂隙，增加了采空区瓦斯涌出通道^[10]。针对密闭墙裂隙，新的封堵技术应运而生。张农等^[11]重新定义了喷涂柔膜技术，为喷膜在煤矿巷道锚杆支护中的应用提供了参考。国外研究人员^[12-14]对喷涂柔膜技术的支护机理进行了探讨，国内学者^[15-16]在不同的矿井工作面实现了柔膜密闭技术的现场试验和应用。董山等^[17]提出的新型喷涂速效支护技术为解决松散破碎巷道提供了一种新方法。张少波等^[18]研究了适用于国内煤矿的薄喷技术，研发了非反应型薄喷产品并成功应用于煤矿。李学彬等^[19]研发出新型聚合物喷层，可有效维持巷道的长期稳定。邸馗等^[20]针对高河矿区段工作面沿空留巷的围岩变形实际情况，提出了柔模支护优化方案，能有效控制巷道的变形。刘华锋等^[21]通过新材料注浆加固，增强了密闭墙周边围岩体的整体性和强度。

然而上述采空区密闭及裂隙封堵方法往往施工周期较长且反复进行，消耗大量人力成本，自动化程度低。通过煤矿调研发现，经过高分子膨胀材料等新型封堵材料反复修补后，采空区密闭墙仍存在新生裂隙。为提高封堵效率，保证长时间有效封堵采空区，本文设计了一种沿空留巷采空区自动化密闭系统，能够智能感知沿空留巷围岩变形，自动释放内部压力，以保证设备长期安全运行，一次施工后可长期封堵采空区密闭墙破坏产生的裂隙，减少采空区瓦斯等危险气体的溢出量，解决沿空留巷瓦斯超限问题，实现危险气体封堵自动化。

1.   沿空留巷采空区自动化密闭系统

沿空留巷采空区自动化密闭系统由柔性密闭气囊、气压监测系统、安全泄压阀、智能充放气系统组成，其中柔性密闭气囊、气压监测系统和安全泄压阀共同组成柔性密闭装备。系统原理如图1所示。物理封堵以柔性密闭气囊为载体，将未充气的气囊放置于采空区密闭墙和单体液压支柱之间，利用智能充放气系统对柔性密闭气囊充气，使其与顶底板贴合接触。此外，气压监测系统可同步安装湿度、温度等参数监测仪，便于系统感知沿空留巷环境变化并柔性应对，以保证长期运行。

图  1  沿空留巷采空区自动化密闭系统原理

Figure  1.  Principle of automatic sealing system for goaf along gob-side entry retaining

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柔性密闭气囊充气达到额定工作压力后，保持恒定压力以维持原本形状，气囊内侧与采空区密闭墙外侧紧密贴合，形成抑制墙体裂隙涌出瓦斯的第1道屏障；气囊顶部、底部分别与沿空留巷顶底板接触密封，每个气囊由于自身压力膨胀相互紧凑贴合，依次连接形成封堵瓦斯泄漏至尾巷的第2道屏障。工作面推进过程中，矿山压力显现导致巷道围岩产生变形，由于自身材料属性，气囊随时变化形状柔性应对。当气囊内部压力上升，智能感知压力变化来自动释放气体缩小体积，以重新与顶底板围岩紧密贴合，达到持续密闭采空区的效果。

沿空留巷采空区自动化密闭系统连接方式如图2所示。将压力表、减压管和三通管的一端连接组装为气压监测系统，三通管的另外两端分别连接安全泄压阀和柔性密闭气囊出气口。将组装好的柔性密闭装备接通进气管路，充气管路装配调节阀门控制气源速度并连通井下防爆制氮机。制氮机工作后，对柔性密闭气囊充气。

图  2  沿空留巷采空区自动化密闭系统连接方式

Figure  2.  Connection of automatic sealing system for goaf along gob-side entry retaining

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与人工搅拌及喷涂大面积填补材料相比，沿空留巷采空区自动化密闭系统在连接充气管路后即可实现无人化密封。该系统具有以下优势：① 操作简便、运输方便、安装快捷省力、使用速度快、工人劳动强度低。② 制作使用成本低，相比于其他采空区密闭墙封堵材料，密闭气囊成本极低，大规模使用可明显降低经济投入。③ 充入惰性气体的密闭气囊可防治采空区自燃，不产生有害气体。④ 堵漏速度快，密闭效果好，能快速有效地抑制采空区瓦斯泄漏。

根据目前市场需求和大部分沿空留巷工程设计，将长方形沿空留巷作为柔性密闭装备的应用对象。柔性密闭气囊采用复合阻燃抗静电柔性材料，该材料由高品质橡胶基材、高强度聚氯乙烯织物、隔爆涂敷布外层多种材料复合加工而成，具有强度高、延展性能强、隔爆性能好、耐折叠、抗静电、易加工和修补、气密性好、使用寿命长等优点。进气阀采用橡胶阻隔垫单向阀，其结构简单、成本较低。市场现有的成本较低的安全泄压阀最小排放压力均为10 kPa，因此通过自行改装安全泄压阀达到设计要求。弹簧直接载荷式安全泄压阀排放压力取决于弹簧硬度，弹簧的材质和尺寸直接决定安全泄压阀的开启压力和灵敏度。通过购买不同材质和尺寸的弹簧，切割成适用于安全泄压阀的弹簧零件，并经过反复测试，最终确定将4 kPa作为沿空留巷采空区自动化密闭系统的排放压力。改装后的安全泄压阀具有灵敏度高、可靠性强的优点，兼备良好的防爆性能、耐压能力、耐腐蚀性和温度适应性。

沿空留巷采空区自动化密闭系统自适应压力释放原理如图3所示。在采煤工作面安装沿空留巷采空区自动化密闭系统后，对柔性密闭气囊充气，气囊内部压力增加，使用气压监测系统对气囊内部压力变化进行实时监测。当柔性密闭气囊内部压力达到额定压力时，停止充气；若气囊内部压力超过额定压力，安全泄压阀感知后开启，释放气囊内部多余气体，同时关闭充气阀门，直到气囊内部压力达到额定压力后，安全泄压阀关闭并停止泄气。柔性密闭气囊紧密贴合沿空留巷顶底板及采空区密闭墙外侧，有效封堵危险气体自墙体裂隙向外泄漏。当采动环境发生变化，沿空留巷围压增加，引起巷道围岩变形，柔性密闭气囊感知围岩变形引发内部压力升高，当压力超过安全泄压阀额定压力时，阀体开启以防止气囊因内部压力过高而爆裂损坏，保证沿空留巷采空区自动化密闭系统长时间有效封堵采空区瓦斯。

图  3  沿空留巷采空区自动化密闭系统自适应压力释放原理

Figure  3.  Adaptive pressure release principle of automatic sealing system for goaf along gob-side entry retaining

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2.   试验验证

2.1   工作面概况

试验矿井绝对瓦斯涌出量为20.76 m³/min，相对瓦斯涌出量为18.31 m³/t，原始瓦斯压力最大为0.36 MPa，属高瓦斯矿井。工作面开切眼长度为180 m，走向长度为868 m，煤层厚度为0.75～1.05 m，平均厚度为0.9 m，属稳定可采的薄煤层，煤层倾角为4～10°，平均倾角为7°，属近水平煤层。采煤方法为走向长壁后退式开采，采用综合机械化一次采全高。2103辅运巷实测断面面积为11.14 m²，2103运输巷实测断面面积为10.44 m²，尾巷实测高度为2.7 m，均采用锚网索支护，单体液压支柱间隔1 m。工作面采用“两进一回”Y型通风系统、沿空留巷布置。

2.2   施工方案

随着工作面推进，沿空留巷长度增加，巷道整体受压强度和服务时间不同，巷道顶底板变形不均匀，导致整条巷道高度不同。因此，针对瓦斯浓度较高的采空区密闭墙裂缝，选取不同高度的沿空留巷处分别进行柔性密闭测试，之后使用多个气囊实施持续充气密闭试验。在指定地点组装柔性密闭装备，在单体液压支柱间隔处放置未充气的柔性密闭气囊，安装气压监测系统和安全泄压阀。煤矿空气压缩机位于井上，空气经过压缩输送到井下，通风管路内保持0.75 MPa左右的气压，能够满足沿空留巷采空区自动化密闭系统的充气需求。为简化试验流程，将通风系统分支管路作为气源。将柔性密闭装备与气源连接，对气囊充气。

2.3   监测方案

沿空留巷采空区自动化密闭系统抑制有害气体溢出的效果主要从密闭前后有害气体含量变化和采空区内外压差变化2个方面检验，同时还可监测柔性密闭气囊内部压力，分析系统运行后气囊内部压力变化及气囊与密闭墙贴合程度。具体监测方案：① 采用便携式瓦斯监测仪对系统施工前后的密闭墙墙体前瓦斯浓度进行周期监测，测试位置分别为气囊密闭区域、密闭区前3 m及密闭区后3 m，记录数据并绘图分析。② 安装膜盒压力表对气囊内部压力进行监测。对于单个柔性密闭气囊，每30 min记录1次压力数据；对于多个柔性密闭气囊，由于压力变化较快，每隔1 min记录1次压力数据，直至压力停止变化。

2.4   单个柔性密闭气囊充气密闭试验

单个柔性密闭气囊充气密闭试验系统连接如图4所示。铺设充气管路，连接煤矿井下通风系统分支管路和柔性密闭气囊充气口，打开调节阀门，以合适的充气压力和速度对气囊充气，气囊膨胀后与密闭墙墙体贴合接触，达到额定压力后停止充气。通过秒表记录发现密闭气囊能够在2 min内自动完成充气并与顶底板贴合，实现快速密闭。

图  4  单个柔性密闭气囊充气密闭试验系统连接

Figure  4.  Connection of single flexible airbag inflatable airtight test system

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根据现场观测效果可知，柔性密闭气囊填充于2个单体液压支柱之间，柔性密闭气囊与顶板支护锚网等设施充分接触后，较好贴合且表面无任何损伤，证明气囊具有较高的耐压性和抗穿刺性。气囊在充气后与顶底板紧密贴合，主体部分紧贴采空区密闭墙，有效封堵采空区密闭墙裂隙泄漏的危险气体。

沿空留巷较高处和较低处柔性密闭气囊内部压力随时间的变化如图5所示，其中P为压力，t为时间。

图  5  沿空留巷不同高度处柔性密闭气囊压力随时间的变化

Figure  5.  The change of flexible airbag pressure with time at different heights of gob-side entry retaining

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从图5（a）可看出，柔性密闭气囊内部压力达到4 kPa时停止充气，安全泄压阀感知到压力升高后开始工作，0.5 h后，气囊内部压力降到3 kPa，1 h后气囊内部压力达到2.75 kPa。柔性密闭气囊在1 h内压力下降明显较快，而后下降速度趋于平稳，直至气囊内部压力变为零。前期较大的压力差主要是由于安全泄压阀达到额定工作状态后不断泄气，降低了气囊内部压力，而安全泄压阀的泄压速度也会随着内外压差的降低而降低。在0.5～1 h内的某一时间点泄压阀停止泄压，之后柔性密闭气囊因气压监测系统漏气导致内部压力继续降低。从图5（b）可看出，和巷道较高处气囊相似，气囊内部压力达到3.8 kPa时开始泄压，在1 h内压力下降较快，停止充气0.5 h后，气囊内部压力为2.85 kPa，1 h后压力降低至2.65 kPa。在1 h后，气囊内部压力降低幅度趋于一致，压力下降速率几乎为零。安全泄压阀停止工作的时间点依然出现在0.5～1 h内，安全泄压阀工作时期内出现较快的压力下降变化，而后压力缓慢降低的主要原因为气压监测系统密封不佳。这说明不同的沿空留巷高度对柔性密闭气囊内部压力变化没有明显影响。

2.5   多个柔性密闭气囊持续充气密闭试验

单个柔性密闭气囊充气密闭试验发现，在停止充气后，由于气压监测系统密封不佳产生漏气问题，沿空留巷采空区自动化密闭系统无法长时间持续对采空区密闭墙的裂隙进行封堵。因此，设计实施多个柔性密闭气囊持续充气密闭试验，为气囊持续提供气源，确保其不会因为内部压力较小而失效，验证沿空留巷采空区自动化密闭系统是否能持续正常工作。针对因密闭不佳产生的漏气问题，柔性密闭装备在正常运行工作过程中可通过拆除气压监测系统实现全程密闭。

多个柔性密闭气囊持续充气密闭试验系统连接如图6所示。将充气管路拆解，安装适配的三通管，其中一端连接充气主管，另外两端分别连接2个充气支管。在沿空留巷内选择裂缝面积较大的采空区密闭墙墙体前安装2个柔性密闭装备，将其充气口分别连接2个分支管路，打开气源，对2个柔性密闭气囊同步充气。

图  6  多个柔性密闭气囊持续充气密闭试验系统连接

Figure  6.  Connection of multiple flexible airbags inflatable airtight test system

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在柔性密闭气囊调整至合适位置并达到额定压力后，调节充气阀门，设置适当的充气速度，保持持续充气状态并稳定在压力较小值。记录柔性密闭气囊内部压力数据变化，在其数值稳定后，调节充气阀门，增大充气压力，继续进行持续充气并记录数据，柔性密闭气囊内部压力随时间变化趋势如图7所示。可看出，无论充气压力较高还是较低时，柔性密闭气囊内部压力均会随时间增加而从峰值压力降低至某一恒定值并保持不变，柔性密闭装备在感知环境压力变化时能自动释放气体以适应围岩变形。虽然充气压力较高时气囊内部压力稳定值会略微增加，但不会对气囊的安全产生影响。

图  7  柔性密闭气囊持续充气时压力变化曲线

Figure  7.  Pressure change curve of flexible airbag with continuous inflation

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在24 h后再次观察充气压力保持在较高值的柔性密闭气囊，深蓝色气囊和浅蓝色气囊压力表的示数仍为3.2，3.8 kPa。这意味着沿空留巷采空区自动化密闭系统在面对沿空留巷围岩变形等导致的内部压力升高时，其内部安全泄压阀开启，保证系统安全，长时间并持续性地对采空区密闭墙的裂隙进行封堵。

为验证沿空留巷采空区自动化密闭系统封堵裂隙效果，分别在气囊密闭区域、密闭区前3 m及密闭区后3 m这3个区域监测密闭墙墙体前瓦斯体积分数变化，如图8所示。可看出，实施密闭前3个区域瓦斯体积分数均保持在0.53%，密闭后气囊密闭区域瓦斯体积分数在第1天就出现明显下降，之后一直保持在0.4%左右，而密闭区前后3 m的瓦斯体积分数均有小幅度上升，但变化并不明显，说明柔性密闭气囊有效抑制了瓦斯溢出。

图  8  柔性密闭后密闭墙墙体前瓦斯体积分数变化

Figure  8.  Gas volume fraction change in front of sealing wall after flexible sealing

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3.   结论

1） 沿空留巷采空区自动化密闭系统能够智能感知沿空留巷围岩变形，柔性密闭气囊随时改变形状以柔性应对外界变化，受压后自动释放内部压力、减小体积，以重新与顶底板围岩紧密贴合，有效封堵危险气体自墙体裂隙向外泄漏，达到持续密闭采空区的效果。

2） 在沿空留巷安装该系统进行试验发现，气囊在巷道高低处均与采空区密闭墙外侧墙体较好贴合，能有效封堵裂隙泄漏的危险气体；柔性密闭装备内部压力过高时，可自动释放内部气体泄压，保证设备安全，长时间并持续性地封堵密闭墙裂隙；安全泄压阀在柔性密闭气囊内部压力达到约4 kPa时正常开启，在达到2.7 kPa左右停止泄气；柔性密闭装备安装后密闭墙墙体前瓦斯体积分数降低了0.13%，有效抑制了瓦斯溢出。

3） 后续将通过加装海绵等措施进一步提高气囊与墙壁的贴合性，更好地阻隔危险气体通过密闭墙裂缝从采空区溢出。