刘忠平，陕西神木人，正高级工程师，国家一级注册建造师（矿业工程和机电工程），注册安全工程师，煤炭建设工程高级造价专业人员（矿建、土建、安装），西安绿色矿业研究院副总经理，陕西开拓新矿业工程有限公司总工程师，兼任陕西省应急厅煤矿应急管理专家、华阳新材料科技集团高层次特聘专家、《矿业安全与环保》青年专家学术委员会委员等职务。

作为西安科技大学王晓利教授科研团队的骨干成员，自2009年起一直专注于煤矿巷道、巷旁、采空区等复杂开采空间支护的科研工作，参与构建了煤炭完全开采技术体系，参与研发的柔模混凝土井巷锚碹支护技术、柔模墙无煤柱开采技术和柔模充填开采技术达到国际领先水平，参与研制的躲锚支架、铺网支架、挡矸支架、单元支架、充填支架等装备填补了国内外空白，并在国家能源、潞安集团、陕煤集团等大型煤企推广应用，研究成果“煤矿柔模复合材料支护安全高回收开采成套技术与装备”获得2018年度国家科技进步二等奖，取得国际领先及国际先进的省部级科技成果10项，授权专利13项，发表论文8篇，荣获省部级科技一等奖1项、二等奖4项、三等奖1项。

主要内容

1  柔模墙沿空留巷技术

1.1  柔模技术

图  1  三维纺织结构柔模

1.2  柔模墙成型和承载机理

图  2  柔模墙工作机理

1.3  柔模墙沿空留巷工艺

图  3  柔模墙沿空留巷施工工艺

2   灾害一体化防治研究

2.1  防治工作面水害

在受常态化高涌水威胁的工作面实施柔模墙沿空留巷以后, 柔模墙不仅是巷旁支护体, 也是隔离采空区水库的坝体, 同时在留巷低洼处的墙体上预埋反水管(见图 4), 利用留巷水沟、水窝及其他排水设施, 随采随排随抽采空区水, 疏干工作面, 消除工作面常态化高涌水威胁。另外，通过反水管抽排的采空区水, 经过采空区垮落岩石的天然过滤后, 水质较清, 不易堵塞排水设施, 也降低了矿井水处理成本。在受突水威胁的工作面, 不仅留设回采巷道, 还可留设开切眼, 将开切眼保留下来作为本工作面和整个采区的边界泄水巷, 为防治工作面突水提供时间和空间。

图  4  柔模墙预设反水管位置

柔模墙沿空留巷充分利用留巷及柔模墙上预埋的分布式反水管, 替代目前工作面两端头集中式排水系统, 回避或消除了煤矿水害治理的诸多技术难题, 是受水害威胁矿井安全高效高产的一个重大技术方向。

2.2  防治采空区自然发火

      在受自然发火威胁的采区, 在回采巷道内实施柔模墙沿空留巷, 回收区段煤柱; 在回撤通道内实施柔模墙沿空留巷, 回收采区准备巷道煤柱, 最终实现采区内煤炭资源完全开采, 可从根源上消除遗留煤柱自然发火隐患, 如图 5所示。同时为了防止采空区遗留的顶煤或底煤自燃, 在柔模墙上预埋观测管、灌浆管、注氮管等措施管, 借助观测管实时监测采空区温度、CO浓度等自然发火指标, 当采空区有自然发火迹象时, 通过灌浆管灌注黄泥和注氮管注氮等措施防止火灾发生, 而且随采随灌随注, 利用留巷工程平台可实现火灾源头治理和精准防灭火。

图  5  柔模墙沿空留巷煤炭完全开采

2.3   防治工作面瓦斯灾害

      在受瓦斯灾害威胁的工作面实施柔模墙沿空留巷以后, 利用柔模墙留巷工程平台, 可实现工作面瓦斯抽采由集中式向分布式的重大转变, 形成“一通三抽”瓦斯防治体系, 如图 6所示。“一通”指工作面形成“两进一回”Y型通风系统, 提高风排瓦斯效果, 消除上隅角瓦斯积聚威胁。“三抽”指留巷内埋管抽、留巷内本煤层预抽和留巷内穿层钻孔抽, 抽采的瓦斯在地面被直接利用, 实现煤与瓦斯共采。

图  6  柔模墙沿空留巷“一通三抽”瓦斯防治体系

留巷内穿层钻孔抽是指利用留巷工程平台, 采用贯穿三带的留巷倾向钻孔法, 代替高抽巷或走向高位钻孔, 解决高抽巷或走向高位钻孔受覆岩结构影响带来的抽采范围小、钻孔或高抽巷工程量大等难题。

留巷内本煤层预抽是指柔模墙沿空留巷以后, 利用留巷围岩活动提高煤层透气性, 采用高负压抽采系统, 长期稳定抽采相邻工作面的卸压瓦斯, 相邻工作面本煤层预抽时间延长1倍以上。

2.4   防治强矿压动力灾害

图  7  工作面开采后形成高应力“孤岛煤柱”

“孤岛煤柱”是矿井冲击地压、矿震、煤与瓦斯突出、顶板等强矿压灾害的危险源, 在回采期间采取加强支护或卸压措施防治强矿压动力灾害, 不仅对回采影响大、耗费高, 而且效果有限。

在受强矿压动力灾害威胁的工作面实施柔模墙沿空留巷以后, 优化了采掘布局, 避免“跳采”, 实现采区内无煤柱开采和顺序开采, 达到保护层卸压开采效果, 实现强矿压动力灾害源头治理。

2.5   防治顶板事故

在采掘接替关系紧张的工作面采用柔模墙沿空留巷技术以后, 一方面可实现一巷两用或一巷多用, 回采巷道掘进工程量将减少50%以上, 大幅缓解矿井采掘接替矛盾, 同时减少掘进空顶作业, 并可提高巷道一次支护强度, 降低冒顶、片帮概率, 从源头上减少掘巷的顶板事故；另一方面将巷道布置于应力降低区, 避开侧向支承压力峰值区, 可改善邻空巷道维护条件, 从源头上减少修巷的顶板事故。

2.6   防治热害

在受热害威胁的工作面采用柔模墙沿空留巷技术以后, 为工作面增加了1条巷道和1个安全出口, 利用该巷道, 将工作面通风系统由原来的“一进一回”U型通风变革为“两进一回”Y型通风, Y型通风不仅将工作面作业人员全部置于进风流中, 而且改变了空气流场, 将机电设备散热和部分采空区氧化热通过柔模墙沿空留巷排走, 有助于降低工作面温度。

3   灾害防治工程应用

3.1   柔模墙沿空留巷技术适用条件

    煤矿灾害一体化防治建立在柔模墙沿空留巷形成的工程平台基础上, 柔模墙沿空留巷技术主要适用于采高6 m以下、日推采24 m以内、顶板中等稳定及以上、煤层倾角45°以内的采煤工作面。

  3.2   在防治水、火、顶板、强矿压等灾害方面的应用效果

图  8  矿区柔模墙沿空留巷典型变形曲线

图  9  部分柔模沿空留巷应用效果

3.3   在防治瓦斯和顶板灾害方面的应用效果

1) 防治煤与瓦斯突出和顶板灾害

图  10  柔模墙沿空留巷保护层开采

2) 防治瓦斯灾害

3.4   在防治热害方面的应用效果

针对矿井灾害一体化防治需求, 研发了柔模墙沿空留巷技术, 开发了基于柔模墙沿空留巷的矿井灾害一体化防治新技术, 通过应用得到如下结论:

1) 柔模墙沿空留巷实现了机械化快速施工, 日留巷12~24 m, 施工速度满足千万吨级工作面推采要求。柔模墙接顶严实, 留巷密封性好, 墙体稳定性好, 能够及时、主动、高强支护顶板, 正常条件下留巷不需要返修即可复用。留巷成本与掘巷成本基本持平。

2) 每构筑1道柔模墙不仅可为相邻工作面减少1条回采巷道, 为本工作面避灾增加1个安全出口, 在有水患的工作面还可少掘1条泄水巷, 在有瓦斯灾害的工作面还可少掘1条瓦斯治理巷, 能简化矿井生产系统, 减少掘进通风、防治水、防冲、防突、瓦斯抽采、混凝土底板、联络巷密闭等辅助工程, 缓解矿井采掘接替紧张关系, 实现“减面减人”, 促进煤矿工作面“少人化”。

3) 柔模墙沿空留巷实现了采区内无煤柱开采和顺序开采, 提高了资源回采率, 优化了矿井采掘布局, 达到保护层卸压开采效果。

4) 将柔模墙沿空留巷作为煤矿灾害一体化防治工程平台, 在留巷内采取灾害防治措施, 实现矿井水、火、瓦斯、顶板、热害、强矿压等重大灾害超前预防、源头治理和综合管控, 全面提升矿井安全保障能力。