适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副矿长、充填开采科长、通防队长、综采设计主管
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学矿山充填与灾害防治科研团队技术支持
一、行业痛点与技术难点：沿空留巷墙体压溃与采空区漏风起火危机
沿空留巷（无煤柱护巷开采技术）能够将煤炭资源回收率提高 $15\% \sim 25\%$，彻底消除区段隔离煤柱造成的巨大应力集中与冲击地压隐患，是大型绿色智能矿山发展的必由之路。
然而，在特厚煤层或综放开采条件下实施沿空留巷，矿井面临极其严酷的“双重力学与环境灾害考验”：
- 采空区顶板剧烈旋转下沉：综放面采空区垮落空间大，侧向悬臂梁旋转下沉产生的垂直集中应力高达 $25 \sim 40\text{ MPa}$，传统木垛、矸石袋或普通混凝土砌块极易被剪切压碎；
- 充填墙体开裂导致采空区严重漏风：墙体一旦受压产生纵向贯通微裂隙，在全矿通风负压作用下，新鲜风流大量渗入采空区氧化带，促使高挥发分遗煤在沿空留巷侧迅速自燃；
- 采空区瓦斯向留巷内异常涌出：当采空区存在积聚瓦斯时，裂隙透气性增加会导致回风顺槽上隅角及留巷段瓦斯频繁超限报警，造成采煤机被迫频繁断电停产。
综放工作面回采推进 + 留设后方沿空巷道
↓ 采空区侧向厚硬顶板发生“断裂-回转-下沉”大变形
传统充填材料强度增长慢（24h 仅 1~2 MPa） → 顶板剧烈下沉将墙体压垮
↓
墙体开裂破坏 → 巷道风流沿裂隙向采空区持续漏风供氧
↓ 遗煤低温氧化蓄热 → 留巷侧采空区突发自燃隐患与瓦斯涌出超限
采用高水速凝柔性充填墙（2h 强度 ≥ 3.5 MPa） + 表面喷涂高分子密封胶
↓
重构巷旁高承载力支撑结构 + 阻断 100% 漏风通道，实现安全留巷与防火一体化因此，研发并推广高水速凝高水充填材料、精细化设计巷旁充填墙体宽度与配比，并配套防灭火气体连续监控体系，是确保沿空留巷项目成功的核心技术支撑。
二、悬臂梁回转力学与墙体承载方程：充填墙宽度与阻风模型
沿空留巷顶板的下沉运动受上覆主关键层断裂块体的“给定变形”控制。
1. 悬臂梁顶板给定载荷传递方程
在采空区基本顶发生破断后，回转关键块 $B$ 对巷旁充填墙体施加的极限垂直作用力 $P_{wall}$ 为：
式中：$M_{block}$ 为破断关键块岩梁质量；$L_{block}$ 为关键块断裂跨度；$M_{support}$ 为留巷内巷内锚索与单体支柱支护阻力；$T_h$ 为块体两端挤压水平推力；$b_{wall}$ 为巷旁高水充填墙体有效宽度；$w_0$ 为充填墙允许的最大压缩变形量。
2. 充填墙体微裂隙渗流阻力方程
充填墙体的漏风流速 $v_{leak}$ 遵循达西-福希海默（Darcy-Forchheimer）多孔介质非线性流动方程：
式中：$k_{wall}$ 为充填墙体裂隙渗透率（高水充填密闭良好时 $k_{wall} \le 10^{-16}\text{ m}^2$）；$\Delta P$ 为留巷风流与采空区内部的静压差。当在墙体表面喷涂厚度 $\ge 3\text{mm}$ 的高分子聚脲/改性水泥基密封层后，$k_{wall}$ 降至接近于零，彻底阻断空气对流。
三、高水充填材料物理力学性能与配比参数
高水材料是由甲料（硫铝酸盐水泥、悬浮剂等）和乙料（石膏、石灰、复合促凝缓凝剂等）分别加水制成浆体，在管道末端静态混合器按体积比 $1:1$ 混合后迅速反应生成大量钙矾石晶体（$\text{Aft}$）的无机水硬性材料。
| 核心力学性能指标 | 水灰比 1.5:1 (高强型) | 水灰比 2.0:1 (标准型) | 水灰比 2.5:1 (经济型) | 工程控制意义 |
|---|---|---|---|---|
| 初凝结时间 ($t_{set}$) | $5 \sim 12\text{ min}$ | $10 \sim 20\text{ min}$ | $15 \sim 30\text{ min}$ | 保证充填袋内快速固化，不跑浆、不上溢 |
| 2h 早期单轴抗压强度 | $4.2\text{ MPa}$ | $3.5\text{ MPa}$ | $2.2\text{ MPa}$ | 快速接顶承载，抑制综采面后方顶板初次回转下沉 |
| 24h 抗压强度 | $8.5\text{ MPa}$ | $6.8\text{ MPa}$ | $4.5\text{ MPa}$ | 承受大范围采动剧烈影响，防止墙体鼓出变形 |
| 28d 极限抗压强度 | $15.2\text{ MPa}$ | $12.0\text{ MPa}$ | $8.5\text{ MPa}$ | 稳定期长期高应力承载，支撑相邻工作面复用开采 |
| 极限体积膨胀率 | $+1.5\% \sim +2.5\%$ | $+1.2\% \sim +2.0\%$ | $+0.8\% \sim +1.5\%$ | 结石体微膨胀实现 $100\%$ 密实接顶，杜绝顶部漏风缝隙 |
| 推荐适用巷道工况 | 综放开采/大采高（采高 $>4.0\text{m}$） | 中厚煤层（采高 $2.5 \sim 4.0\text{m}$） | 薄煤层或采空区局部充填密闭 | 兼顾结构安全与材料吨煤充填成本 |
四、标准化施工SOP：井下高水充填沿空留巷全流程作业规范
中矿天智与中国矿业大学科研团队建立了标准化的双液充填作业 SOP：
SOP 1：巷内高强恒阻锚索加强支护（靠近采空区侧打设 2 列 $\Phi 21.8\text{mm} \times 8300\text{mm}$ 预应力锚索，预紧力 ≥ 250kN）
↓
SOP 2：定向预裂切顶卸压（在充填墙采空区侧施工深度 18m 的双向聚能爆破或水力切缝孔，切断顶板悬臂）
↓
SOP 3：悬挂专用抗静电阻燃高强充填袋（袋体采用高密度聚乙烯编织物，抗拉强度 ≥ 35kN/m，充填宽度 1.8~2.2m）
↓
SOP 4：地面/井下双液制浆与长距离变频输送（甲、乙两路浆体分别经独立管路输送至工作面，避免管内凝固）
↓
SOP 5：管道末端静态混合与充填袋高压灌注（充填压力 0.3~0.8 MPa，逐层分段充填至密实接顶）
↓
SOP 6：充填墙体表面柔性密封胶喷涂与束管测温安装（固化后喷涂 3mm 高分子密闭层，并埋设束管巡检氧气/温度）
核心充填与注浆施工装备配置
| 装备名称 | 规格型号 | 核心技术功能 | 性能指标 |
|---|---|---|---|
| 井下双液高水充填泵组 | 2ZB-120/10 矿用防爆型 | 甲乙双路独立恒比输出，输送流量 $15 \sim 25\text{ m}^3/\text{h}$ | 最大工作压力 $10.0\text{ MPa}$，防爆电机功率 $55\text{ kW}$ |
| 管道末端静态多级混合器 | $\Phi 89\text{mm} \times 1500\text{mm}$ 不锈钢 | 双流体在 0.5s 内微观紊流高剪切均匀混合 | 混合均匀度 $\ge 98\%$，配备防倒流安全切断阀 |
| 高分子柔性密封喷涂机 | 矿用气动双组份喷涂机 | 在充填墙及帮部表面高压无气喷涂抗裂气密膜 | 喷涂效率 $150\text{ m}^2/\text{h}$，抗拉断裂伸长率 $\ge 250\%$ |
| 充填墙体原位压力计 | 振弦式液压土压力盒 | 实时在线监测墙体内部承受的垂直支承压力演化 | 测量量程 $0 \sim 30\text{ MPa}$，分辨率 $0.01\text{ MPa}$ |
五、工程案例复盘与经济效益对账：山西晋城某大型矿井沿空留巷项目
以下结合晋城某矿 3 号煤层综放工作面（采高 5.5m）沿空留巷技术服务项目进行深度对账。
1. 工程概况与技术挑战
- 采掘条件：工作面走向长度 1800m，工作面长度 220m，平均采高 5.2m，埋深 620m；煤层自燃倾向性为容易自燃（Ⅰ类），最短发火期 42 天；
- 核心难点：若留设 25m 区段煤柱，将损失原煤 28 万吨（货值超 1.8 亿元），且煤柱受压破碎后易引发采空区自燃；
- 解决方案：采用“定向切顶卸压 + 2.0m 宽高水充填墙体（水灰比 1.8:1） + 柔性喷涂密闭 + 采空区均压注氮”综合成套技术。
2. 经济效益与安全指标对比
山西某矿沿空留巷综合效益对账表：
├── 多回收煤炭资源：单工作面多采原煤 28.5 万吨，增加直接销售收入 18,525 万元
├── 节省巷道掘进成本：少掘进一条区段顺槽 1800m，节约掘进与支护资金 1,440 万元
├── 高水充填工程总投入：材料采购、制浆站建设与施工服务费共计 2,860 万元
├── 综合净经济效益：净增利润 +17,105 万元（投入产出比高达 1 : 6.0）
└── 防火安全指标：留巷侧采空区氧气浓度常年稳定在 3.2%~4.8% 窒息区内，未发生任何火警六、总工程师沿空留巷迎检决策自查清单
总工程师在组织沿空留巷项目验收与迎检时，必须核验以下 6 项核心指标：
- 沿空留巷专项安全技术措施：经集团公司总工程师批准签字的顶板控制、充填施工与防灭火专项技术措施文件。
- 高水材料力学检测报告：具备 CMA 资质实验室出具的充填材料 2h、24h、28d 抗压强度与膨胀率化验单。
- 巷道变形与围岩位移监测记录：顶底板移近量（$\le 350\text{ mm}$）与墙体向巷内鼓出量（$\le 150\text{ mm}$）连续观测台账。
- 充填墙体气密性与漏风检测单：采用 $\text{SF}_6$ 示踪气体或压差法测定的墙体漏风量报表（漏风率 $\le 0.05\text{ m}^3/(\text{min} \cdot 100\text{m})$）。
- 采空区束管气体连续监测数据：留巷段采空区深部测点 $\text{O}_2, \text{CO}, \text{CH}_4$ 连续日监测曲线。
- 应急防灭火备用注氮系统：工作面配备的注氮管路及便携式高分子防灭火注浆泵完好率 $100\%$。
- GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
- 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
- MT/T 1023-2006《煤层注水可注性鉴定方法》
- AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
- 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
- GB/T 20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》
七、常见问题深度解答 (FAQ)
答： 不会。高水材料水化反应生成的钙矾石（$\text{Aft}$）晶体属于致密针状交织网状结构，具有优异的耐水性与水硬性。在井下潮湿、浸水环境中，钙矾石结晶水不会脱出，其力学强度在饱水状态下仍能长期保持稳定，不会发生软化泥化现象。
答： 若不进行切顶，采空区侧向厚硬顶板会形成长达数十米的超长悬臂梁。随着工作面推进，长悬臂梁发生强力弯曲旋转，会将数十倍于自重的巨大集中应力全部施加在充填墙上，极易造成墙体爆裂剪切破坏。通过定向爆破或水力割缝预先切断岩梁，可使采空区顶板沿切缝线自然垮落压实，彻底阻断应力向充填墙传递。
答： 墙体宽度主要取决于煤层开采采高、埋深与顶板岩性：① 采高 $<2.5\text{m}$ 时，墙体宽度通常取 $1.2 \sim 1.5\text{m}$；② 采高 $2.5 \sim 4.0\text{m}$ 时，墙体宽度取 $1.8 \sim 2.2\text{m}$；③ 大采高与综放开采（采高 $>4.0\text{m}$），墙体宽度必须设计为 $2.5 \sim 3.0\text{m}$，并配套全断面高强预应力对拉锚杆加固。
答： 需立即实施“三步闭环处置”：① 排查并封堵漏风裂隙：使用高分子喷涂材料对充填墙表面及顶底板交接缝进行全断面补喷复封；② 启动靶向注氮：通过充填墙预埋的注氮管向采空区自热点注入高纯氮气（纯度 $\ge 98\%$）；③ 注注入阻化剂胶体：对发热区域注入凝胶或高水防灭火浆体，隔绝煤氧接触并强力降温。
参考依据与标准规范
关于作者与中矿天智服务承接
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，山西及内蒙古各大煤矿企业。
工程技术与检验检测深度依托 中国矿业大学矿山充填与灾害防治科研团队，具备国家级 CMA/CNAS 资质。
承接业务范围：
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声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井沿空留巷工程需结合顶板地质赋存专项论证。