煤礦切頂卸壓工作面通風(fēng)的安全可靠性分析

李彥龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司安全督察大隊，山西大同037003）

傳統(tǒng)的回采工作面存在巷道掘進(jìn)工作量大、煤炭采收率低等問題。經(jīng)過多年技術(shù)研究，有學(xué)者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(jìn)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(jìn)行分析研究，以期能在一定程度上促進(jìn)切頂卸壓留巷技術(shù)應(yīng)用。

1 工程概況

山西某礦山預(yù)計每年可以生產(chǎn)28000t的量。2號煤層在42206工作面開采。工作面采用切頂、泄壓、護(hù)巷的方法。該地區(qū)二號煤層的平均厚度在4m左右。上覆基層為粗砂巖（厚度5.8~20.98m），上覆層為粉砂巖（厚度2.89~5.63m），直接基層為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖（厚度0.3~1.5m），基層為中等砂巖（厚度12.1~13.7m）。開采的2號煤層平均埋深290m，屬于N2-CH4帶。煤層有自燃的趨勢，煤塵有爆炸的危險。

2 采面巷道布置及通風(fēng)方式

當(dāng)使用切割頂板的技術(shù)來緩解壓力和保留巷道時，集中的軌道，運輸和回風(fēng)布置在面板區(qū)域中。面板中的第一個采煤面用作進(jìn)山運輸?shù)倪M(jìn)氣道。回風(fēng)巷道：采完工作面后，切開頂板以減輕壓力，然后離開該巷道作為下一個工作面的進(jìn)氣道，并依次開采。支架采用恒電阻大變形錨索（直徑21.8mm，長10.5m，恒電阻值35t）+金屬網(wǎng)（8＃引線編織，長10m，寬7.2m），每排布置5根錨索，行距為0.8m，沿行車方向每3條錨索由一條1.9m長的W型鋼帶連接。金屬網(wǎng)會通過端部支架和過渡支架自動鋪設(shè)。頂切泄壓支架，錨索和金屬網(wǎng)布放好后進(jìn)行頂切泄壓。頂切后，巷道頂板壓力由恒定阻力和大變形錨索和頂切支座共同承擔(dān)，以確保巷道的安全。切頂卸壓留巷工作面如圖1所示。

在生產(chǎn)期間，巷道的前段為進(jìn)氣道，后段為回風(fēng)道，采煤面形成Y形通風(fēng)方式。該通風(fēng)方法結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)氣道和回風(fēng)道的氣流方向相同，采礦巷道由擋風(fēng)道形成，以防止上面的角落氣體超過限值。

3 采面通風(fēng)安全性分析

3.1 采面漏風(fēng)分析

在傳統(tǒng)的煤礦開采方法下，在廢棄的巷道保護(hù)煤柱的支撐下，頂板無法完全卸除。在煤柱附近形成一個松散的三角形區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，煤和巖體會形成裂縫，這是開采面漏氣的主要通道。采空區(qū)中有自燃的浮煤燃燒的危險。同時，采空區(qū)中的CH4和CO等有害氣體會通過松散的三角形裂縫逸出到工作面的上角，導(dǎo)致工作面CH4和CO的上角超過極限。每個面后面的采空區(qū)中有兩個松散的三角形，具體分布如圖2（a）所示。采用割頂技術(shù)緩解壓力，保持巷道通暢，工作面巷道與采空面之間沒有煤柱。停止巷道是通過切割屋頂以釋放壓力并保持巷道來實現(xiàn)的。采空區(qū)的頂板壓力可以完全釋放，塌陷的巖石層在重力作用下逐漸被壓實，并且沒有松散的三角形區(qū)域，這減少了采空區(qū)附近的漏氣通道，如圖2（b）所示。

分析具有頂部卸壓和保持通道的42206工作面通風(fēng)期間的漏風(fēng)規(guī)律，并使用模擬軟件模擬Y型通風(fēng)期間的氣流分布。從機(jī)器的機(jī)頭和機(jī)器的尾部分別獲得50m、100m、200m的特定風(fēng)速。分布如圖3所示。

從圖3可以看出，采空區(qū)的漏風(fēng)約占工作面空氣分布的近三分之一，其中進(jìn)氣道上角的漏風(fēng)約占7.5%，距采煤頭的漏氣量在35~100m之內(nèi)?？諝庑孤┝考s為3.5%，距離采煤機(jī)機(jī)頭100~200mm范圍內(nèi)的空氣泄漏量約為5%。200m以外的空氣泄漏到采煤機(jī)尾部約占13%，漏風(fēng)主要集中在采煤面進(jìn)氣道的上角，由采煤面和巷道保持處形成的三角形區(qū)域約為65m。采煤機(jī)尾部風(fēng)量仍為71%，采工作面計劃風(fēng)量為1600m3/min，尾部風(fēng)量仍為1136m3/min，風(fēng)速約為0.85m/s，尾部不會形成風(fēng)或是微風(fēng)。

基于以上分析，在42206采煤工作面采用采頂、卸壓、保巷的技術(shù)后，形成的Y形通風(fēng)系統(tǒng)消除了采煤工作面與相鄰采空區(qū)之間的松散三角形區(qū)域，減少了漏風(fēng)通道。在采空區(qū)中，并減少了采煤工作面的角落。CH4和CO等有害氣體的濃度改善了采煤工作面的工作環(huán)境。因此，切頂后離開巷道形成的Y形通風(fēng)系統(tǒng)的安全性在一定程度上要比傳統(tǒng)的U形通風(fēng)方法好一些。

3.2 氣體超標(biāo)防治分析

在42206采煤工作面開采的第二號煤層位于N2-CH4區(qū)。2019年的瓦斯等級評估結(jié)果顯示，該礦的絕對瓦斯排放量和相對瓦斯排放量分別為每90m3/min和1.5m3/min。

從圖3可以看出，在切割頂板并降低壓力并離開巷道后，采煤工作面使用了Y形通風(fēng)系統(tǒng)。除了從采煤工作面后面的支架通過采空區(qū)到巷道的一小部分氣流外，大部分新鮮氣流，采場從回風(fēng)巷排出。分開的氣流穿過臉部，并且臉部處于新鮮氣流中。同時，Y形通氣消除了回氣道上角的氣體積聚，但是在面部后面的保留區(qū)域中，有一定的氣體超過極限的可能性。在相鄰的42208采煤工作面生產(chǎn)期間，回氣道的瓦斯?jié)舛葹?%~0.03%，最大瓦斯排放量為0.4m3/min?？紤]到42208采煤工作面和42206采煤工作面是相同的瓦斯地質(zhì)單元，切開頂板并離開巷道后，采煤工作面的瓦斯排放量應(yīng)與42208采煤工作面的瓦斯排放量相似。因此，42206巷道段不會有天然氣超支。

3.3 采空區(qū)剩余煤自燃的防治分析

開采的2號煤層的自然氧吸收為0.95cm3/g，自燃期為30d，這是一個易于自燃的煤層。用相關(guān)的統(tǒng)計軟件分析采空區(qū)后將采空區(qū)頂板留在42206工作面后的三區(qū)分布，并以漏風(fēng)速度為判斷指標(biāo)。當(dāng)每分鐘風(fēng)速超過0.24m時，就為散熱區(qū)和非自燃區(qū)。風(fēng)速為0.1m/min是窒息區(qū)；氧化加熱區(qū)為0.1~0.24m/min的風(fēng)速。

根據(jù)仿真結(jié)果，從圖4可以看出，在42208面后面的采空區(qū)，0~65m是散熱區(qū)的非自燃區(qū)，65~140m是氧化加熱區(qū)，而窒息區(qū)超過140m。42206煤工作面的平均行進(jìn)速度為9.6m/d，煤層的行進(jìn)可以通過氧化加熱區(qū)進(jìn)入窒息區(qū)14.6d。該時間僅為煤層自燃時間（30d）的1/2。同時，由于采用了切頂以減輕壓力并離開巷道的技術(shù)，采空區(qū)中殘留的煤減少了，這將采空區(qū)中煤的自燃基礎(chǔ)降低到一定程度范圍，并降低了采空區(qū)自燃的風(fēng)險。根據(jù)綜合判斷，留空采掘頂板以釋放壓力并留在巷道下方時，留在采空區(qū)中的煤自燃和著火的可能性極低。

3.4 煤塵爆炸防治分析

當(dāng)煤粉塵濃度在45~2000g/m3并遇到明火時，粉塵可能會爆炸。采掘頂板以緩解壓力并保留巷道時采用了綜采方法，與傳統(tǒng)的采掘方法基本相同。正常開采工作面時，工作面中的粉塵濃度約135mg/m3，移動支架時，工作面中的粉塵濃度約為60mg/m3，回風(fēng)流中的粉塵濃度約為48mg/m3。在正常通風(fēng)條件下，采煤工作面各部位的煤塵濃度遠(yuǎn)低于45g/m3，自礦井建成以來，沒有發(fā)生煤塵爆炸事故。因此，及時清理工作面和巷道中的粉塵，使工作面煤塵爆炸的可能性極低。

4 采煤工作面通風(fēng)效果

在生產(chǎn)過程中，對采空區(qū)的風(fēng)速、溫度、甲烷、一氧化碳的濃度和內(nèi)部溫度進(jìn)行了測量，包括進(jìn)氣道、采煤面和預(yù)留巷道（回風(fēng)）來監(jiān)測CO濃度。從監(jiān)測結(jié)果可以得出，采煤工作面和保留巷道中甲烷的最大濃度不超過0.0003，絕對最大氣體排放量為0.31m3/min，未發(fā)生異常氣體排放。采煤工作面及保留巷道中的CO濃度在（0~8）×10-6之間，平均3×10-6遠(yuǎn)小于《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的24×10-6。采空區(qū)溫度約為180℃，說明采空區(qū)中殘留的煤沒有明顯的氧化和加熱現(xiàn)象。

5 總結(jié)

采用切頂減輕壓力，將巷道留在工作面的技術(shù)后，消除了采空區(qū)傳統(tǒng)巷道保護(hù)中的松散三角區(qū)域，上角無瓦斯涌出現(xiàn)象。Y型通風(fēng)系統(tǒng)不會對采礦面造成風(fēng)或微風(fēng)。42206工作面的氣體排放量很小，采用的通風(fēng)方法不會對工作面的生產(chǎn)安全產(chǎn)生不利影響?；仫L(fēng)隧道中的瓦斯?jié)舛仍?%~0.03%之間，而采空區(qū)中的剩余煤被氧化。升溫區(qū)僅是煤層自燃時間（30d）的1/2。同時，通過切開頂板以緩解壓力并預(yù)留了巷道，從而消除了巷道保護(hù)煤柱，大大減少了工作面采空區(qū)中殘留的煤量，并保留了工作面中的煤，同時采空區(qū)可能自燃性減少。