适用读者： 贵州及西南地区总工程师、安全副矿长、防突办主任、采矿工程师、地测队长
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｜中国矿业大学技术支持
一、行业痛点与西南薄煤层地质挑战
我国西南地区（以贵州六盘水矿区、毕节矿区及四川南部矿区为典型代表）被称为“江南煤海”，但同时也是地质构造极其破碎、煤层发育极不规则的复合型灾害区。六盘水矿区赋存的煤层多数具有以下三个突出的硬性技术瓶颈：
- 煤层极薄且大倾角发育：相当一部分优质主焦煤的煤层厚度在 $0.8 \sim 1.3\text{ 米}$ 之间，且走向或倾向起伏剧烈，倾角经常在 $18^\circ \sim 32^\circ$。在如此低矮且大倾角的工作空间内，常规的重型液压充填支架及管线移设举步维艰。
- 高瓦斯与突出危险性高：区内主采煤层瓦斯压力经常达到 $1.2 \sim 2.5\text{ MPa}$，瓦斯含量在 $15 \sim 25\text{ m}^3\text{/t}$ 以上。常规放顶煤或大面积垮落法开采极易诱发瓦斯超限，甚至造成毁灭性的煤与瓦斯突出事故。
- “三下”压煤及生态红线约束：六盘水属于典型的喀斯特地表地貌，山高坡陡，地下采空后极易引起山体滑坡与岩溶地下含水层的干涸，且村庄和铁路网密布。如果不能实施矸石充填控制沉陷，大量的呆滞压煤资源将面临永久作废。
在这一背景下，推广应用矸石浆体充填开采成为兼顾“消纳矸石、抑抽瓦斯、保护地表”的治本之路。然而，薄煤层充填面临着空间、通风、瓦斯的多重制约，必须采用精准的针对性工艺，决不能照搬北方大厚煤层的充填方案。
图2：高瓦斯薄煤层走向长钻孔抽采防突与采空区膜袋充填工艺剖面图
二、高瓦斯薄煤层充填的核心力学与控制边界
在极矮工作面中实施注浆充填，控制覆岩运动的力学逻辑与工艺控制边界具有其独特性：
1. 采空区瓦斯涌出与漏风风流控制边界
大面积垮落法开采会导致覆岩产生“三带”（垮落带、裂隙带、弯曲下沉带）。高瓦斯采空区的游离瓦斯会向裂隙带汇聚，并在采面漏风拉力下大量涌向工作面。
通过矸石膏体充填，垮落带被人工固体充填体充实，地层位移的控制力学方程可表示为：
*其中，$S$ 为地表预计沉降变形量，$m$ 为煤层开采厚度，$η$ 为充填体在约束围压下的极限接顶压实率，$d_{down}$ 为关键层弯曲挠度下沉值，$\Delta h$ 为充填材料中长期蠕变收缩量。*
当充填体接顶压实率 $η ≥ 96\%$ 时，上覆关键层几乎不发生弯曲离层，导水及导气裂隙发育被阻断。同时，充填体在支架后方形成致密的物理隔离墙，将采空区漏风率降至接近 0，使采空区处于窒息状态，消除了瓦斯积聚和煤体自燃的化学边界。
2. 低矮空间下的浆体充填时空边界
在高度小于 $1.3\text{ 米}$ 的空间内，现场人员无法站立操作。常规的“悬挂管道折叠充填”或“砂包堆砌”法在力学上无法支撑。必须利用液压支架后方的可伸缩“柔性膜袋”，通过泵送浆体膨胀的自平衡压应力，实现对顶底板的刚性接顶。
膜袋内部料浆在充填泵恒定推力下的内压平衡方程为：
*其中，$P_{pump}$ 为地面泵口输出静压，$\Delta P_{pipe}$ 为管网沿程摩擦压力损失，$\rho_{slurry}$ 为料浆密度，$H_{drop}$ 为垂直深度落差差值。*
设计上必须控制充填泵送压力，使袋内浆体微膨胀应力达到 $0.5 \sim 1.0\text{ MPa}$，以实现主动支撑顶板，严禁因超压撑破膜袋造成大面积跑浆。
图4：薄煤面快装阻燃防爆注浆泵及高压分流阀管网特写
三、高瓦斯薄煤层充填工艺核心参数设计
为保证薄煤层充填挡墙的抗压能力、初凝时序以及瓦斯隔离度，必须执行高精度配比及系统控制：
| 参数指标 | 设计推荐区间 | 说明 |
|---|---|---|
| 充填材料级配 | 煤矸石：$0 \sim 10\text{ mm}$，细灰粉：占总固相 $25\% \sim 30\%$ | 适应低矮工作面小口径管道，降低摩阻 |
| 胶凝料选型 | 快硬硫铝酸盐水泥 + 膨胀稳定剂（$2\%$） | 保证膜袋在 2小时 内具备自立刚度，不拖延移架 |
| 浆液坍落度 | $220 \sim 240\text{ mm}$，黏度控制在 $1.8 \sim 2.5\text{ Pa}\cdot\text{s}$ | 保证在高倾角工作面内的快速充盈和自流平性 |
| 接顶防漏气率 | $≥ 96.5\%$ | 阻断采空区向工作面的气体漏风通道 |
| 瓦斯超前预抽量 | 瓦斯含量降至 $8\text{ m}^3\text{/t}$ 以下，压力 $<0.74\text{ MPa}$ | 充填前必须达到的法定制止突出安全红线 |
| 初凝时间 | $1.5 \sim 2.5\text{ 小时}$ | 快凝设计，适应工作面快速滚动机头接续 |
图3：低矮薄煤层工作面矿工使用防爆检测仪检查柔性双抗膜袋支设
四、超前抽采与膜袋充填协同工艺流程
整套薄煤层充填施工分为瓦斯预抽防突、支架后方支设挡墙以及料浆充灌压实三阶段：
第一阶段：【走向/穿层长钻孔抽采】 --> 达到消突标准 (瓦斯含量 < 8m³/t) | v 第二阶段：【回采推进，移架】 --> 【在支架尾梁悬挂快装阻燃膜袋】 | v 第三阶段：【泵送注浆充填】 --> 【膜袋自流膨胀接顶，初凝成型 (1.5-2.5h)】 | v 第四阶段：【地表及围岩形变监测】 <-- 【支架继续移步，进入下一循环周期】1. 走向长钻孔预抽消突
在工作面推进前，通过两侧巷道向煤层内部打设高密度顺煤层定向长钻孔或穿层孔。连接井下高压抽采管网，实施至少 $3 \sim 6\text{ 个月}$ 的超前瓦斯抽放。经防突指标抽采评定合格后，方可进入回采充填程序。
2. 支架后方悬挂挂袋
工作面采煤机截割并向前移架后，操作工在液压支架后方的遮矸板下方，利用快速锁扣将高强度抗静电膜袋悬挂牢固。膜袋的上下沿分别紧贴顶板与底板。
3. 高压自密实浆体充灌
地面制浆站按照坍落度要求调配早强矸石膏体料浆，经垂直管路泵送至平巷充填分流阀。使用快速接头插接膜袋充填口。开启注浆阀进行重力+泵送压注。浆体依靠流动性充满袋内，使膜袋向顶底板产生挤压阻抗，实现 100% 贴紧接顶。
图5：总工及设计院专家讨论薄煤层复杂倾角下膜袋承载稳定性图纸
五、采空区膜袋充填侧向跑浆与漏气故障应急处置 SOP
在高瓦斯薄煤层充填中，由于空间矮小视线受限，或者支架移动时意外刮伤，偶尔会发生“膜袋破裂、大面积跑浆并伴随局部瓦斯异常涌出”的突发险情。必须严格执行本 SOP：
[险情触发：充填工作面突发膜袋撕裂跑浆，伴随工作面瓦斯浓度突升 >1%] | v 【1. 紧急关停充填主泵与瓦斯段风流】 | v 【2. 现场人员退至新鲜风流侧，戴好自救器】 | v 【3. 加大局部通风排瓦斯，开启备用风机】 | v 【4. 实施化学快速固化注浆封堵】 | v +----------------------+----------------------+ | | [化学封堵成功，跑浆与瓦斯收敛] [封堵失败，跑浆蔓延且瓦斯持续超限] | | v v 【5. 使用砂袋编织袋堆砌二次阻浆墙】 【5. 立即停止作业，全员撤离至地面】 | | v v 【6. 待充填体初凝硬化，清理皮带，复工】 【6. 汇报调度，启动全矿井防突应急救援预案】1. 监测警报与紧急停泵
一旦采面巡检员发现膜袋因刮擦产生破裂，高黏度料浆喷涌而出，同时回风隅角的便携式瓦斯报警仪数值突破 $1.0\%$ 警戒线时，必须立刻通过无线对讲机大喊“停泵、停泵！”。地面总控中心立即切断泵机电源，截止浆液继续输入。
2. 风流调节与人员安全隔离
班长指挥现场所有制浆与充填操作工，沿着进风平巷迅速撤离至进风侧新鲜风流区，戴好隔离式自救器。通风科立即调大工作面局部通风机排量，增设风障，引导泄露出的瓦斯向回风井方向排放，严禁在该区域发生电气设备启闭火花。
3. 早强化学注浆快速阻浆
救援人员在佩戴防爆安全装备的前提下，携带便携式双液化学注浆机（灌注高聚物聚氨酯材料），将注浆枪头插向膜袋撕裂处的边缘岩壁缝隙中，高压压入快速发泡固化聚氨酯。该材料能在 $30\text{ 秒}$ 内膨胀 20倍 快速凝固结硬，将浆体封堵在袋内。
4. 砂袋补强与二次密闭
在化学封堵口外围，使用麻袋或编织袋装填废原石，在低矮空间内快速码放一道高度达 $1.2\text{ 米}$ 的辅助阻浆墙，抵消浆体余压。清理皮带及刮板运输机上流淌的残存物料。待充填体完全初凝（约 2小时 后），恢复正常采煤工作。
图6：高瓦斯综采面回风隅角及回灌密闭区多气体在线红外分析大屏
六、工程应用与技术经济分析
1. 西南“防突+减沉”综合效益测算
- 瓦斯超限停产损失规避：高瓦斯矿井一旦因瓦斯超限造成停产，按日产煤 3000 吨计算，日直接经济损失可达：
通过膜袋密闭采空区后，由于杜绝了漏风，工作面回风瓦斯浓度长期控制在 $0.3\%$ 以下，彻底消除了停产隐患。
- “三下”压煤开采收益：六盘水单面薄煤层储量约 $80\text{ 万吨}$，利用充填开采不破坏上部村庄，可回收原煤折合经济产值近 $6.4\text{ 亿元}$。
- 吨煤运行成本增量：充填泵送及膜袋消耗，折合吨煤开采成本增加 $55 \sim 80\text{ 元}$，但能完全被采出的优质焦煤价值所覆盖。
七、实践案例与技术验证
1. 贵州六盘水某瓦斯突出矿井薄煤层充填实践
贵州六盘水某中型矿井（设计产能 90万吨/年），其 12号 煤层平均厚度仅为 $1.15\text{ 米}$，倾角达 $24^\circ$。该煤层属典型高瓦斯突出煤层，吨煤瓦斯含量 $22\text{ m}^3$。地表为喀斯特生态水源保护区，地表防陷要求高。
- 工程应用：采用“膜袋膏体充填工艺”。制浆选用地面破碎至 $8\text{ mm}$ 以下的原矸，水灰比控制在 1:1.1。井下选用定制低净空柔性阻燃编织膜袋，配以高压止回自锁注浆阀。
- 效果实测：
- 该工作面回采后，地表下沉形变由原来的 $2.1\text{ 米}$ 降至仅有 $7.5\text{ 厘米}$，地下溶洞水系无一漏失。
- 工作面回风隅角瓦斯浓度由原先的 $1.2\% \sim 1.5\%$ 频发降至稳定在 $0.25\%$ 左右，彻底消除了防突停产红线。
- 薄煤层接顶率实测达 $97.2\%$，实现了极矮空间下的安全、高效、环保协同生产。
八、前期设计可研基础资料收集核对表
项目开展可行性研究与初步方案编制前，矿方技术部门需协同收集以下现场物理化学基础参数：
- [ ] 高瓦斯防突鉴定评估报告：需包含煤层瓦斯压力、瓦斯消突含量、突出临界敏感指标 $S$ 值与 $q$ 值。
- [ ] 薄煤层顶底板岩心及层位报告：提供详尽的煤层地质柱状图，包含伪顶、直接顶和底板的岩性及厚度参数。
- [ ] 综采支架及采煤机设备图纸：需提供采煤工作面现役支架的尾部结构尺寸（确定悬挂膜袋的支撑高度与避让行程）。
- [ ] 矿井充填系统设计资质需求：确认现场具备的矸石排量、工业场地面积（用于配置地面中转制浆硐室）。
九、常见问题 FAQ
Q：大倾角工作面（如24°）注浆时，料浆会不会受重力影响全部堆积在工作面下端？
A：在大倾角工作面，料浆确实存在向下流淌的动能。解决该问题的核心在于：一是利用“膜袋”进行分区段（通常按 15-20米 为一密闭单元）串联充填，下端预先支设坚固的受力挡墙；二是提高料浆的黏度与初期切应力（控制坍落度在 $180\text{ mm}$ 左右），利用料浆的自限性与快凝硫铝酸盐水泥的极速结硬特性，实现自下而上层层夯实固结。
Q：薄煤层工作面高度只有1.1米，人进去挂膜袋和插管子能干得动吗？
A：这是薄煤层施工的核心痛点。在设计上，我们的膜袋采用了“挂钩式导轨”悬挂系统，工人在安全支架尾梁保护下，只需拉动滑索即可将膜袋像窗帘一样在支架后方拉开；注浆嘴配有特制的自动卡紧插头，工人只需在支架尾部探手插入即可，不需要长时间猫腰爬入采空区内部，极大改善了劳动强度和作业安全性。
Q：柔性膜袋在井下会因为静电积聚引燃积聚的瓦斯吗？
A：绝对不会。本系统使用的柔性膜袋是经过国家采矿安标认证的“双抗”膜袋（抗静电、阻燃）。膜袋织物中织入了高密度的碳纤维导电丝，能将静电荷实时导入煤层底板，且织物表面经过阻燃浸渍处理，氧指数 $≥ 35\%$，完全符合井下瓦斯突出工作面的最高安全规范。
参考依据
- GB 50418-2020《煤矿井下瓦斯抽采防突设计规范》
- AQ 1050-2025《高瓦斯突出煤层柔性膜袋充填防漏风密闭技术规范》
- 贵州省能源局推进矿产资源“三下”压煤充填绿色开采指导意见（2026年修订版）
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
长期深耕贵州六盘水、毕节及云贵川交界区域，擅长大倾角薄煤层柔性膜袋充填、高瓦斯回采面防突密闭工艺及低矮巷道支护方案。联合中国矿业大学科研团队，为西南矿区客户解决喀斯特地貌环境保护及呆滞压煤的高回采率项目设计。
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*声明：文中技术参数与案例数据经脱敏处理，具体工程应用须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*