《中国煤炭报》2016年10月21日（记者：王中伟 孙枫凯）题：小小柔模不简单，少掘巷道多采煤

      煤炭要不要完全回收？不完全回收，浪费资源；想完全回收，却没有可规模化应用的成熟技术。怎么办？有了柔模支护成套技术，这个问题不再纠结。

      在9 月22 日召开的陕西省科技创新大会上，西安科技大学教授王晓利作为第一完成人完成的科研成果“煤矿岩层柔模支护控制高效开采成套技术研发及应用”获得陕西省科学技术奖一等奖。这一成果曾获得2015 年中国煤炭工业科学技术奖一等奖，国家发明专利7 项，实用新型专利16 项。

      实现煤炭完全开采是王晓利提出的新理念，是其团队奋斗的目标。柔模支护成套技术已经能做到将区段煤柱和“三下”压煤回收，未来有望回收采空区煤柱。这对提高资源采出率，延长矿井寿命，消除瓦斯积聚威胁，改善矿井技术经济指标具有重大意义。

基于新材料新装备的柔模支护技术

 

      王晓利是学矿建的，1982 年毕业留校后就一直从事巷道支护研究。他告诉记者，复杂条件下巷道锚网索支护效果不佳，通常还要进行混凝土砌碹支护。但常规混凝土砌碹支护速度慢、接顶效果差、强度低。

      王晓利认为，这需要解决三大技术难题：一是柔性模板，二是模板与围岩紧密接触，三是锚杆与混凝土碹联合支护。传统木模板和钢模板都是刚性的，不仅笨重，而且需要在现场人工架设碹胎固定模板，费时费力。若按照工程要求，在工厂内提前预制好柔性模板，并通过锚杆吊挂，不仅可以简化支模工艺，而且通过锚杆将碹体与围岩组合为整体，可以共同承载压力。

      柔性模板简称柔模。它是由外部加筋纤维布和内部连接筋组成，为封闭的三维纺织结构，外形与支护体相同，其上部设有自闭灌注口和固定装置。柔模重量仅为钢模板的1/50，同时具有自成形、与围岩紧密接触、透水不透浆、施工方便等特性。柔模是支护体的外壳，施工时是模板，成型后就成为支护体的组成部分。

      操作人员向三维纺织结构柔性模板内注入混凝土后，形成三维纺织结构混凝土复合材料，该材料简称柔模混凝土。以柔模混凝土作为支护体的支护方式称为“柔模支护”。三维纺织结构复合材料是目前用于航空航天及军工领域的新材料。该团队创造性地将无机材料与有机材料复合在一起。

      该技术的原理、构想不简单，要工业化应用更难。该技术最基础和关键的部分在于研发具有透水不透浆特性的柔模，将混凝土注入柔模后，水能流出来，但水泥不能流出来。

      “为什么要使柔模具有透水不透浆特性？”面对记者的疑问，王晓利说：“泵送混凝土时，混凝土太稠，容易堵管；太稀，则会降低混凝土强度。要解决这一矛盾，就要保证混凝土在输送时较稀，注入柔模后变稠，即实现大水灰比输送，小水灰比硬化。所以柔模需要透水不透浆。”

      王晓利团队在研究矿用水泥锚固剂时，需要水能进入水泥药卷，但水泥不能流出来，这与柔模的透水不透浆特性有异曲同工之处。他的团队做了上百次试验，利用水与水泥透过柔模孔隙的差异性，通过不断调整柔模的孔径与孔隙率，最终实现了柔模的透水不透浆特性。

      柔模要在井下使用，还要具有阻燃和抗静电的特性。

      在纺织行业，使纺织材料单独实现阻燃或抗静电，较容易。但要同时具有上述两种特性，又要保证高强度、透水不透浆却很难。经过几年反复探索，王晓利团队最终研制出复合型阻燃抗静电剂，开发了阻燃抗静电纤维纺纱工艺，攻克了透水不透浆的高强度纤维布织造技术难题，发明了三维纺织结构柔性模板。

      光有柔模还不行，还要有与之配套的混凝土及制备输送技术。

      为了便于施工，该技术要求混凝土凝结时间长、流动性好、免振捣。为了支护围岩，要求支护体能够即时承载，早强、高强。最终，王晓利团队研制出满足矿用要求的高性能混凝土，1 天强度可达10 兆帕以上，3 天强度可达30 兆

帕以上。

      在此基础上，他们建立了柔模混凝土施工作业线，开发出柔模混凝土制备输送机组与沿空留巷自动围护装备。柔模混凝土制备输送机组，可连续快速作业，生产能力可达50 立方米/小时，混凝土输送距离可达600 米以上。沿空留巷自动围护装备包括沿空留巷端头支架及采空区多功能支架。沿空留巷端头支架实现了架后自动铺网、躲避顶板锚索；采空区多功能支架具有挡矸、切顶、自移、纠偏和挂模等功能。沿空留巷自动围护装备还填补了国内外相关方面的空白。

      柔模支护成套技术的诞生绝非偶然。它是在煤炭及相关行业技术进步的大环境下，经过技术团队14 年的研究与积累，在突破理论、材料和装备难题的基础上，应运而生的。柔模支护成套技术包含三大块：柔模锚碹支护技术、柔模无煤柱开采技术、柔模充填开采技术。

为巷道支护研制，却在无煤柱开采领域显神威

 

      最初研制柔模，是为了将其用在巷道砌碹支护上。2007 年，王晓利团队将柔模应用于神华宁煤集团红柳煤矿大断面缓坡副斜井的支护项目中。这也是国内外首次将柔模用于地下支护工程领域，该项目取得了巨大成功。

      柔模应用于巷道砌碹支护，发明了锚杆悬吊柔模技术，增加了巷道作业空间，便于大型掘进、运输设备施工，混凝土砌碹支护速度提高了3 倍以上。同时，通过锚杆将碹体与围岩组合为整体，同等支护强度条件下碹体厚度可降低15%至20%，更加适合条件差的地层巷道支护。柔模锚碹支护相当于浇筑拱形支护体，当然也能建造结构更简单的连续墙。就这样，王哓利团队开始了柔模支护在新领域的探索。

      沿空留巷是紧跟工作面回采，通过巷旁支护将回采巷道保留下来，这就需要在紧跟回采工作面在端头支架后方的采空区侧作业，施工难度大，而采空区矸石易窜入作业空间，威胁作业人员的人身安全。

      2009 年，柔模支护成套技术首次应用于冀中能源峰峰集团羊渠河煤矿沿空留巷。柔模支护成套技术解决了沿空留巷采空区漏风的难题。利用柔模支护体将区段煤柱置换出来，实现了无煤柱开采，既不影响正常采煤，又能使留巷护得住。

      “刚开始，我们对柔模有抵触情绪，但通过实践发现，柔模施工特别简单。我们再也不想用原来的支护技术进行沿空留巷了。”峰峰集团一位矿工说。

      柔模支护技术在沿空留巷的成功应用，受到了业内专家的广泛关注。“这是一项开拓性的重大成果，是煤矿支护与开采领域的一次革命。”中科院院士宋振骐说。此后，柔模支护成套技术一直在刷新沿空留巷中的应用记录：2009 年在陕煤化集团桑树坪煤矿进行沿空留巷，实现了双突矿井沿空留巷；2012 年，在神华宁煤集团金凤煤矿应用，实现了大断面巷道沿空留巷的突破；2013 年，在山西潞安集团高河煤矿应用，实现了综放开采沿空留巷的突破；2013 年至2016年，在神东煤炭集团上湾煤矿、榆家梁煤矿应用，实现了浅埋深、薄基岩、高产高效沿空留巷的突破，创建了煤厚3.8米、日推采15 米、高产高效工作面沿空留巷示范工程；2016 年，在济宁矿业集团安居煤矿应用，实现了千米深井沿空留巷的突破。

      以高河煤矿放顶煤沿空留巷为例，其难点有两个：一是综放开采空间大，围岩活动剧烈，留巷压力大；二是墙体上方是顶煤，护巷难度高。从2013 年6月至2016 年9 月，高河煤矿采用柔模沿空留巷技术，在6 个工作面累计沿空留巷6600 米，单个工作面最长连续留巷1770 米，同时实现了工作面Y 型通风，消除了回风隅角瓦斯积聚的隐患，多回收煤炭资源160 余万吨，使煤炭回收率提高了13%，新增销售收入5.8 亿元。

      “放顶煤沿空留巷难度最大，效益显著。”厚煤层开采知名学者、中国矿业大学（北京）教授王家臣说。

      上湾煤矿厚煤层高产高效综采工作面日回采达15 米，进行沿空留巷存在两大难题：一是安全快速挡矸；二是巷旁支护速度匹配回采速度。王晓利团队开发出无煤柱开采自动围护装备，解决了快速沿空留巷挡矸支护问题，实现了浇筑巷旁墙体与回采平行作业，满足日回采15 米至20 米的回采速度要求。截至目前，上湾煤矿已累计留巷4100 米，多回收煤炭资源约40 万吨。

一套工艺足够简单，才可能被真正推广下去

 

      柔模支护成套技术除了能应用在巷道支护和无煤柱开采领域，还能应用于充填开采和复采。

      传统充填开采工艺存在两大问题：一是由于充填与采煤不能同时作业，导致充填跟不上采煤，造成年产量只有20万吨至30 万吨；二是充填料浆，浓度高时容易堵管，浓度低时充填效果差。柔模充填开采技术可实现充填与采煤同时进行，流体材料通过柔模在采场脱水，固化速度快，提高了充填采煤的年产量。

      柔模充填开采技术是在回采过程中，在采空区顶底板分别铺设两层相连的柔模，利用充填支架尾部夹持机构将柔模封闭，通过充填设备往柔模内注入充填材料，材料脱水凝固后，支撑上覆岩层。这样，无论仰采或是俯采，充填空间都能被柔模封闭，避免漏浆，提高了充填效果。

      2012 年，柔模充填开采技术在陕煤化集团榆阳煤矿进行了试验，实现了采煤与充填平行作业，工作面产量大幅度提高。

      2015 年，柔模支护成套技术在陕煤化集团黄陵矿业公司双龙煤矿进行试验，成功穿越采空区190 米。很多人不敢做这个项目，最终王晓利团队做成了。试验成功意味着可以利用柔模支护技术穿越采空区为复采创造条件，回收废弃煤炭资源。

      据了解，柔模支护成套技术已经在45个煤矿得到应用，据不完全统计，截至目前，应用该技术已减少回采巷道54000 余米，多回收煤炭700 余万吨，提高煤炭回收率10%以上，创造经济效益8 亿元以上。

      一项技术只有足够简单，才可能被真正执行、推广下去，但是从难到易是一个艰难的创新过程。王晓利团队一直在尝试将柔模支护成套技术变得更简单，更利于一线矿工操作。

      王晓利告诉记者，未来5 年，该技术的发展方向：一是实现自动挂设柔模，进一步简化工艺；二是实现固体物料从地面到井下的全程管道风力输送，减轻矿井辅助运输压力，改善作业环境；三是工作面不掘巷无煤柱开采。