切頂卸壓工作面通風(fēng)安全可靠性分析

【摘 要】 為了分析切頂卸壓留巷工作面通風(fēng)安全可靠性，文章在結(jié)合42206工作面地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，分別研究了采煤工作面瓦斯、風(fēng)速、粉塵、采空區(qū)遺煤自燃等特征及可能對采面生產(chǎn)造成的影響。結(jié)果表明：1）采用切頂卸壓留巷技術(shù)后，由于取消護巷煤柱，采煤工作面采空區(qū)內(nèi)不存在煤柱引起的松散三角區(qū)，減少了采空區(qū)漏風(fēng)通道;2）采煤工作面為Y型通風(fēng)系統(tǒng)，消除傳統(tǒng)工作面通風(fēng)方式存在回風(fēng)巷上隅角瓦斯治理難題;3）采煤工作面內(nèi)粉塵產(chǎn)生量與傳統(tǒng)方式基本一致，不會增加粉塵危險性。因此，可以為類似條件礦井提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 切頂卸壓留巷;通風(fēng)方式;安全性;護巷煤柱;采空區(qū)

【中圖分類號】 TD724 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0023-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

傳統(tǒng)的回采工作面采用護巷煤柱方式保護回采巷道，存在巷道掘進工作量大、煤炭采收率低等問題。經(jīng)過多年技術(shù)研究，何滿潮院士提出采用切頂卸壓沿空留巷方式實現(xiàn)無煤柱開采，一個回采工作面僅需要掘進一條回采巷道，即可滿足礦井生產(chǎn)、運輸以及通風(fēng)需要，并在山西、河北以及陜西等地區(qū)得以推廣應(yīng)用。文中就采用切頂卸壓留巷的回采工作面通風(fēng)安全可靠性進行分析研究，以期能在一定程度上促進切頂卸壓留巷技術(shù)應(yīng)用。

1工程概況

山西某礦設(shè)計產(chǎn)能2.8萬t/a，42206工作面開采2號煤層，采面采用的切頂卸壓留巷形式，具體位置見圖1，采面設(shè)計走向、斜長分別為2330m、280m，區(qū)內(nèi)2號煤層厚度平均4.2m。上覆基本頂為粗砂巖（厚度5.8～20.98m），直接頂為粉砂巖（厚度2.89～5.63m），直接底為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖（厚度0.3～1.5m），基本底為中砂巖（厚度12.1～13.7m）。開采的2號煤層平均埋深在290m，屬于N2—CH4帶，煤層有自燃發(fā)火傾向性，煤塵有爆炸危險性。

2采面巷道布置及通風(fēng)方式

運用切頂卸壓留巷技術(shù)時，在盤區(qū)內(nèi)布置集中軌道、運輸、回風(fēng)下山，盤區(qū)內(nèi)首采工作面通過運輸下山作為進風(fēng)巷，回采工作面切頂卸壓留巷巷道作為回風(fēng)巷道;采面開采后，切頂卸壓留巷巷道作為下一采面進風(fēng)巷，依次開采。支護采用恒阻大變形錨索（直徑21.8mm、長10.5m、恒阻值35t）+金屬網(wǎng)（8#鉛絲編制，長10m、寬7.2m），每排布置5根錨索，排距為0.8m，巷道走向方向每3根錨索用1.9m長W鋼帶連接。金屬網(wǎng)鋪設(shè)通過端頭支架、過渡支架實現(xiàn)自動鋪設(shè)。切頂卸壓是在切頂卸壓支架、錨索以及金屬網(wǎng)鋪設(shè)后進行，切頂后巷道頂板壓力通過恒阻大變形錨索、切頂支架共同承擔(dān)，確保巷道安全。

采用切頂卸壓留巷技術(shù)后采面生產(chǎn)期間該巷道前段為進風(fēng)巷，后段為回風(fēng)巷，采面形成Y型通風(fēng)方式。該通風(fēng)方式具有結(jié)構(gòu)簡單，進、回風(fēng)巷風(fēng)流方向一致，回采巷道通過留巷形成，避免采面出現(xiàn)上隅角瓦斯超限。

3采面通風(fēng)安全性分析

3.1采面漏風(fēng)分析

傳統(tǒng)煤炭開采方式下頂板在丟棄的護巷煤柱支撐下不能充分卸壓，在煤柱附近形成松散三角區(qū)，在該區(qū)范圍內(nèi)煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，是采面漏風(fēng)的主要通道，從而有造成采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃危險性，同時采空區(qū)內(nèi)的CH4、CO等有害氣體通過松散三角區(qū)裂隙向采面上隅角逸出，造成采面上隅角CH4、CO超限，每個采面后方采空區(qū)內(nèi)均存在兩個松散三角區(qū)，具體分布見圖2（a）。采用切頂卸壓留巷技術(shù)后，采面巷道與已采面采空區(qū)間無煤柱，回采巷道通過切頂卸壓留巷實現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)頂板壓力得以充分釋放，垮落巖層在重力作用下逐漸被壓實，不存在松散三角區(qū)，減少臨近采空區(qū)的漏風(fēng)通道，具體見圖2（b）。

分析采用切頂卸壓留巷的42206工作面通風(fēng)時采面漏風(fēng)規(guī)律，采用ANSYS軟件模擬Y型通風(fēng)時的風(fēng)流分布情況，具體得出的在相距機頭35m、100m、200m以及機尾處風(fēng)速分布見圖3。

從上圖看出，采空區(qū)漏風(fēng)量約占據(jù)到采面配風(fēng)量的29%，其中在進風(fēng)巷上隅角處漏風(fēng)量約占7.5%，在距采面煤機頭35～100m范圍內(nèi)漏風(fēng)量約占3.5%，在距采煤機機頭100～200mm范圍內(nèi)漏風(fēng)量約占5%，200m以外到機尾段漏風(fēng)量約占13%。漏風(fēng)主要集中在采面進風(fēng)巷上隅角，采面與留巷所形成的范圍約65m的三角區(qū)內(nèi)。在采面機尾處仍有71%風(fēng)量，采面計劃的配風(fēng)量為1600m3/min，機尾處風(fēng)量仍有1136m3/min，風(fēng)速約為0.85m/s，在機尾處不會形成無風(fēng)或者微風(fēng)。

綜上分析，在42206采面采用切頂卸壓留巷技術(shù)后，形成的Y型通風(fēng)系統(tǒng)消除采面與臨近采空區(qū)間松散三角區(qū)，減少采空區(qū)漏粉通道，降低了采面上隅角CH4、CO等有害氣體濃度，改善了采面作業(yè)環(huán)境。因此，切頂卸壓留巷后采面形成的Y型通風(fēng)系統(tǒng)安全性在一定程度上高于傳統(tǒng)U型通風(fēng)方式。

3.2防治瓦斯超限分析

42206采面開采的2號煤層位于N2—CH4帶，2019年瓦斯等級鑒定結(jié)果表明，礦井絕對、相對瓦斯涌出量分別為90.85m3/min、1.52m3/t。

從圖3可以看出，切頂卸壓留巷后采面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)，除小部分風(fēng)流從采面后方支架處經(jīng)采空區(qū)向留巷排出外，其絕大部分新鮮風(fēng)流流經(jīng)采場從回風(fēng)巷排出。分風(fēng)流通過采面通過，采面處于新鮮風(fēng)流中，同時Y型通風(fēng)消除回風(fēng)巷上隅角瓦斯積聚，但是采面后方的留巷段存在一定瓦斯超限可能。鄰近42208采面生產(chǎn)期間回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?～0.03%，瓦斯涌出量最大為0.4m3/min?？紤]到42208采面與42206采面為同一瓦斯地質(zhì)單元，切頂卸壓留巷后采面瓦斯涌出量應(yīng)與42208采面類似，因此，在42206留巷段不會出現(xiàn)瓦斯超限。

3.3防治采空區(qū)遺煤自燃分析

開采的2號煤層自然吸氧量為0.95cm3/g，自燃發(fā)火期為30天，屬于容易自燃煤層。采用ANSYS對42206采面采用切頂卸壓留巷后的采空區(qū)三帶分布進行分析，并以漏風(fēng)風(fēng)速作為判定指標(biāo)，風(fēng)速在0.24m/min以上為散熱帶不自燃帶;風(fēng)速在0.1m/min以內(nèi)為窒息帶;風(fēng)速在0.1～0.24m/min間為氧化升溫帶。

根據(jù)模擬結(jié)果從圖4得知，在42208采面后方采空區(qū)內(nèi)0～65m為散熱帶不自燃帶、65～140m為氧化升溫帶、140m以外為窒息帶。42206采面平均推進速度為9.6m/d，采面推進14.6d既可以通過氧化升溫帶進入窒息帶，時間僅為煤層自燃發(fā)火期（30d）的1/2，屬采面正常生產(chǎn)期間。同時由于采用切頂卸壓留巷技術(shù)，采空區(qū)內(nèi)遺留的煤炭較少，在一定程度上減少了采空區(qū)遺煤自燃的基礎(chǔ)，降低了采空區(qū)自燃發(fā)火危險性。綜合判定，采用切頂卸壓留巷下，采面正?；夭杉巴L(fēng)時，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃發(fā)火可能性極低。

3.4防治煤塵爆炸分析

當(dāng)煤塵濃度在45～2000g/m3且遇到明火時，粉塵就有爆炸可能。采用切頂卸壓留巷時采面采用綜采方式，與傳統(tǒng)采面開采方式基本一致。采面正常開采時工作面內(nèi)粉塵濃度約為135mg/m3，移動支架時粉塵濃度約為60mg/m3，回風(fēng)流中粉塵濃度約為48mg/m3。采面各處在正常通風(fēng)條件下煤塵濃度遠(yuǎn)小于45g/m3，同時礦井自建礦以來，未出現(xiàn)過煤塵爆炸事故。因此，及時對采面、巷道內(nèi)落塵進行清理，采面出現(xiàn)煤塵爆炸可能性極低。

4采煤工作面通風(fēng)效果

42206采煤面從2018年12月10日開始生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中對進風(fēng)巷、采面、留巷（回風(fēng)巷）等處的風(fēng)速，溫度，CH4、CO濃度以及采空區(qū)內(nèi)部溫度、CO濃度進行監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果可以得出，采面以及留巷內(nèi)CH4最大濃度僅為0.03%，瓦斯絕對涌出量最大為0.31m3/min，且未發(fā)生瓦斯涌出異?，F(xiàn)象;采面以及留巷內(nèi)CO濃度介于0～8×10-6，平均為3×10-6，遠(yuǎn)小于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的24×10-6;采空區(qū)內(nèi)溫度約為18℃，表明采空區(qū)內(nèi)遺煤未有明顯氧化升溫現(xiàn)象。

5總結(jié)

回采工作面采用切頂卸壓留巷技術(shù)后，采空區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)護巷煤柱方式存在的松散三角區(qū)得以消除，同時也不存在回風(fēng)巷上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象;留巷后形成的Y型通風(fēng)系統(tǒng)不會給采面造成無風(fēng)、微風(fēng)等情況。

42206采面內(nèi)瓦斯涌出量小，采用的通風(fēng)方式不會給采面生產(chǎn)安全帶來不利影響，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?～0.03%之間，采面采空區(qū)內(nèi)遺煤在氧化升溫帶僅為煤層自燃發(fā)火期（30d）的1/2，同時由于切頂卸壓留巷取消了護巷煤柱，采面采空區(qū)內(nèi)遺煤量大幅減少，采空區(qū)遺煤自燃可能性降低。

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