切頂留巷綜采面采空區(qū)防漏風技術(shù)研究

于大河，王 怡，孫祥科，李洪先，徐書榮，任廣意

(1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州金沙龍鳳煤業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551800； 3.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590；4.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；)

切頂留巷開采技術(shù)具有巷道掘進量少、巷道掘進事故率低、礦井采掘銜接矛盾小、煤炭回收率高、工作面局部范圍內(nèi)周期壓力低等優(yōu)勢[1]。但是，該技術(shù)要求工作面的通風方式必須為“兩進一回”或“一進兩回”的“Y”型通風[2]。在切頂留巷開采方式和“Y”型通風方式的復合作用下，采空區(qū)的漏風范圍及漏風量進一步加大，其自然發(fā)火具有位置不易確定、自燃高溫范圍大、自燃“三帶”分布不規(guī)律、高溫點分散、發(fā)生火災后難以撲滅等特點，導致本工作面和鄰近采空區(qū)遺煤的自燃危險性大大增強[3]。目前針對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的問題，主要有注漿、注惰性氣體、壓注凝膠和粉煤灰膠體等防滅火技術(shù)[4，5]。孫守義[6]針對切頂留巷“Y”型通風方式下，工作面采空區(qū)漏風量大、煤層易自燃的特點，提出了集壓注惰性氣體控制火勢、加快工作面推進速度、精準壓注高分子材料等一體化的綜合治理方案，取得了良好的防滅火效果；袁建紅[7]以店坪煤礦204切頂卸壓沿空留巷開采工作面為試驗面，通過采用兩進一回的W型通風方式，有效地降低了采空區(qū)兩側(cè)風壓，減少了采空區(qū)漏風，使得采空區(qū)氧化帶范圍得到明顯降低；宋立兵[8]針對切頂卸壓留巷工作面“開式采空區(qū)”，通過優(yōu)化通風系統(tǒng)、注漿、注氮、均壓以及地表堵漏防滅火等措施，降低了采空區(qū)遺煤自燃的風險。

通過對研究成果的分析，可以看出礦井開采條件、煤層自燃傾向性、留巷的位置、通風方式等條件不同，其采空區(qū)的漏風形態(tài)及自燃特點也不盡相同，需要針對具體的工作面采取有針對性的措施，才能降低或消除切頂留巷開采條件下的采空區(qū)自然發(fā)火威脅[9，10]。本文針對青龍煤礦21606綜采面運輸巷切頂留巷、開采初期的刀把型布置、煤層含硫高以及采用“Y”型通風方式等實際情況，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方式，分析了切頂留巷條件下采空區(qū)的漏風流場，確定了采空區(qū)的自燃危險區(qū)域，制定了以封堵漏風為主的防火方案，保證了工作面的安全回采，對切頂留巷無煤柱開采技術(shù)的推廣應用，提供了安全保障[11]。

1 工作面概況

青龍煤礦21606綜采面采用刀把型布置方式，切眼寬度為110m，補切眼寬度為60m，工作面走向長度為1556m；所采煤層為16#煤層，厚度為1.0～4.1m，平均厚度為2.6m，煤層為中高硫煤，全硫平均含量為2.43%；16#煤層的自燃傾向性鑒定為Ⅲ類不易自燃煤層，但在實際開采過程16#煤層曾多次發(fā)生過高溫隱患。16#煤層上覆巖層依次為1.7m的炭質(zhì)粉砂巖、4.9m的粉砂巖和10.8m的細砂巖，切頂留巷布置在21606運輸巷，切頂范圍為煤層頂板以上15m的粉砂巖巖層，留巷主要為21608工作面的瓦斯治理預留時間和空間。工作面采用“Y”型通風方式，即21606運輸巷進風、20606回風巷與切頂留巷段回風，切頂留巷的風流經(jīng)通風立眼進入到21606底抽巷。工作面通風系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 21606工作面通風系統(tǒng)

2 切頂留巷采空區(qū)漏風場模擬

2.1 物理模型與邊界條件

根據(jù)21606綜采面的實際布置參數(shù)，建立數(shù)值模擬的物理模型，模型尺寸為300m×170m×15m。其中，切頂留巷采空區(qū)長度為300m(補回風巷長度175m)，寬度為170m(切眼長度為110m)；回風巷和運輸巷的尺寸為：寬4.5m，高2.7m；切頂留巷的尺寸為：寬4.1m，高2.7m。選擇COMSOL軟件中的“多孔介質(zhì)和地下水流”模型；設置風流入口邊界為速度入口邊界，將風流出口邊界設為自由出入邊界；將綜采面、運輸巷、回風巷與采空區(qū)之間的邊界設置成內(nèi)部邊界，流體可以自由通過；將切頂留巷與采空區(qū)之間的封堵墻設置成多孔介質(zhì)區(qū)域；其余沒有設置的邊界默認為固體壁面邊界，且邊界與外界環(huán)境沒有熱量交換。數(shù)值模擬模型的建立只考慮采空區(qū)內(nèi)部漏風，不考慮地表漏風[12]。

2.2 網(wǎng)格劃分

為保證計算結(jié)果的準確性，在求解運算前要對局部復雜變化區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理[13]。由于切頂留巷的存在，切頂留巷附近的采空區(qū)漏風形態(tài)復雜，加之采空區(qū)與切頂留巷之間構(gòu)筑了墻體，改變了該區(qū)域的空隙率和滲透率演變規(guī)律，因此對該區(qū)域的網(wǎng)格進行了加密處理，劃分時將網(wǎng)格單元大小設置為較細化網(wǎng)格[14]。其余位置將網(wǎng)格單元大小設置為常規(guī)網(wǎng)格。經(jīng)過上述設定后，三維模型完整網(wǎng)格包含1438039個域單元、109753個邊界元和3822個邊單元，且網(wǎng)格劃分全部收斂質(zhì)量較好，采空區(qū)物理模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)物理模型

2.3 切頂留巷采空區(qū)漏風場分布

在COMSOL軟件的“自由和多孔介質(zhì)流動”模塊中，將設定的物理模型和邊界條件帶入，可解算得到切頂留巷采空區(qū)空隙率三維分布規(guī)律，如圖3(a)所示。從圖3(a)中可以清楚地看到切頂留巷采空區(qū)空隙率呈“O”形圈分布，越靠近綜采面采空區(qū)的空隙率越大，越遠離綜采面采空區(qū)的空隙率則越??；而在綜采面附近的采空區(qū)空隙率，則沿著高度方向逐漸變大；水平方向上的空隙率沿采空區(qū)中間位置向上下隅角處逐漸增大，空隙率在上下隅角附近最大，最大值為0.8。

圖3 切頂留巷采空區(qū)空隙率和滲透率分布

通過對21606綜采采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖進行勘察，發(fā)現(xiàn)冒落煤巖的平均粒徑為0.45m。在模型中設置相應參數(shù)，解算得到切頂留巷采空區(qū)滲透系數(shù)的三維分布規(guī)律，如圖3(b)所示?？梢钥闯?，采空區(qū)滲透率與空隙率分布規(guī)律類似，在工作面附近0～30m的范圍內(nèi)較大，沿巷道上下隅角向采空區(qū)深部逐漸減小，在采空區(qū)深部和中部較小。

對21606切頂留巷采空區(qū)進行漏風模擬時，將進風巷設定為風流入口邊界，風流垂直于入口邊界進入模型，風速設定為2.78m/s。將回風巷和切頂留巷通風立眼設定為風流出口邊界。解算可得采空區(qū)漏風壓力大小和漏風速度分布，如圖4、圖5所示。

圖4 采空區(qū)漏風壓力分布

圖5 采空區(qū)漏風速度流線分布

由圖4可以看出采空區(qū)漏風風壓在綜采面、上下隅角和通風立眼附近較大，在采空區(qū)內(nèi)部較小。由圖5可以看出，切頂留巷“Y”型通風模式下，采空區(qū)漏風風速沿遠離綜采面的方向明顯衰減，在采空區(qū)深部，特別是靠近補切眼和補軌道巷的地方，漏風流速很小甚至為零。采空區(qū)漏風路徑主要為：從下隅角進入，經(jīng)采空區(qū)流向上隅角或通風立眼處。

2.4 切頂留巷采空區(qū)氧濃度場分布

在切頂留巷采空區(qū)漏風場模擬的基礎上，利用COMSOL模擬軟件的“多孔介質(zhì)中的稀物質(zhì)傳遞”模塊，設置采空區(qū)初始氧濃度為零、進風巷氧濃度Co2=9.375mol/m3。設置切頂留巷采空區(qū)內(nèi)的氧氣擴散系數(shù)為D采o2=3e-5m2/s、封堵墻的氧氣擴散系數(shù)為D墻o2=2e-5m2/s[15]。對模擬結(jié)果進行后處理，得到了21606切頂留巷采空區(qū)三維空間的氧濃度場演變規(guī)律，如圖6所示。

圖6 21606采空區(qū)不同高度處氧濃度分布

由圖6可以看出，21606切頂留巷采空區(qū)的底部，由于空隙率較低，采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度較小，氧氣濃度場趨于穩(wěn)定；但隨著空間高度的增加空隙率增大，氧氣濃度也逐漸增大。在采空區(qū)內(nèi)同一水平高度，在工作面與通風立眼附近處氧濃度較高，這是因為工作面與通風立眼處的采空區(qū)空隙率較大，漏風速度也相對較大，致使氧氣濃度集聚升高。

3 模擬結(jié)果現(xiàn)場驗證試驗

3.1 測定方案

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性和準確性，結(jié)合21606切頂留巷綜采面實際情況，當綜采面回采至300m時開展了SF6氣體示蹤試驗。在21606運輸巷距離綜采面50m處(距通風立眼350m處)連續(xù)釋放SF6氣體。在工作面、回風巷和切頂留巷內(nèi)均勻布置測點，測點布置如圖7所示。首先將純度為99.99%的SF6氣體(30kg)一次性釋放，持續(xù)釋放30min，之后在各采樣點進行氣體采樣[16]。0～5min內(nèi)，每隔1min采樣一次；5～30min內(nèi)，每隔5min采樣一次；30min后，每隔15min采樣一次，整個采樣時間共持續(xù)180min。

圖7 21606采空區(qū)測點布置與漏風路徑

3.2 測定結(jié)果

21606切頂留巷綜采工作面各測點SF6示蹤氣體采樣分析結(jié)果如圖8所示。1#測點檢測結(jié)果反映了流向工作面和切頂留巷段的SF6氣體情況，5#、9#測點分別反映了回風巷和通風立眼處風流流出的情況；由2#、3#、4#測點的SF6濃度變化規(guī)律可以看出，在30min停止釋放SF6氣體后，2#測點SF6氣體濃度急劇下降，3#、4#測點在30～40min時仍維持較高濃度SF6氣體，且只有4#測點SF6濃度在100min和130min時峰值出現(xiàn)波動，由此可推斷，在工作面和下隅角到4#測點處至少存在兩條漏風路徑；通過對比分析6#、7#、8#、9#測點的SF6濃度可知，前40min內(nèi)7#、8#、9#測點測得SF6濃度變化規(guī)律相似，且6#測點測得SF6濃度遠大于7#測點，說明切頂留巷漏風主要集中在前半段；9#測點在100min和150min時出現(xiàn)兩次SF6濃度峰值，這說明在切頂留巷存在漏風通道使得SF6示蹤氣體通過封堵墻進入采空區(qū)最后又匯集至通風立眼處。

圖8 不同測點處SF6體積分數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)文獻[17]計算方法，通過計算得到SF6示蹤氣體通過21606工作面及切頂留巷后減少的質(zhì)量，計算出的漏風率k1為6.02%。根據(jù)以上計算與分析結(jié)果可以推斷出青龍煤礦21606切頂留巷綜采面采空區(qū)漏風的基本路徑，如圖7所示。由圖7可以看出，利用SF6示蹤氣體試驗測出的21606采空區(qū)漏風路徑與數(shù)值模擬出的漏風路徑基本一致，在上下隅角以及通風立眼處漏風量最大。為制定工作面、上下隅角以及切頂留巷處的防漏風措施提供了理論依據(jù)。

4 切頂留巷采空區(qū)防漏風措施

4.1 切頂留巷及通風立眼處堵漏措施

由漏風模擬和現(xiàn)場試驗結(jié)果可知，切頂留巷段漏風量較大，特別是通風立眼處。因此，在21606運輸巷自切眼位置開始300m的回采范圍內(nèi)，采取砌墻并對墻體進行噴漿的堵漏措施。切頂留巷砌墻墻體厚0.6m，為保證預留巷道的寬度，砌墻時以切縫作為參考，切縫往里200mm，切縫往外400mm。為防止墻體傾斜，砌墻時必須掏基槽，基槽深度不低于0.5m且見硬底，砌筑墻體時縱向橫向每隔0.8m×0.8m預埋一根錨桿，墻體外側(cè)錨桿與錨桿之間用鋼筋梯相連接，墻體內(nèi)側(cè)僅橫向連續(xù)，切頂留巷墻體施工如圖9所示。

圖9 切頂留巷墻體施工

墻體施工竣工后，對砌墻段墻體噴漿，噴漿厚度不得低于100mm，對砌墻段頂板噴漿，噴漿厚度不得低于200mm，通風立眼處漏風量較大噴漿厚度不得低于300mm，并在墻體下方距底板300mm位置留設排水孔。墻體側(cè)初次噴漿緊跟砌墻進度，滯后砌墻進度不大于5m，初次噴漿厚度120mm，待留巷內(nèi)的圍巖運動和頂板壓力基本趨于穩(wěn)定后，再對墻體進行復噴，復噴厚度80mm，噴漿總厚度200mm。

4.2 工作面及上下隅角處防漏風

由模擬結(jié)果可知21606采空區(qū)內(nèi)的漏風主要集中在綜采面和上下隅角，因此可采取以下措施來減少采空區(qū)內(nèi)的漏風。

1)每當綜采面回采30m后，在液壓支架前梁位置對綜采面頂板進行松動爆破，沿工作面每1.5m布置一個鉆孔，孔深為15m；孔徑50mm，配合PVC管裝藥；裝藥方式為“4+4+4+4+3+3+3+3”，共28節(jié)藥，重量8.4kg；封孔長度不小于3m，如圖10所示。松動爆破后，采空區(qū)頂板在跨采后快速垮落，以減小采空區(qū)的空隙率，從而減少向采空區(qū)的漏風[18]。

圖10 21606綜采面切頂

2)在工作面回采過程中，及時對遺煤噴灑阻化劑，減弱采空區(qū)遺煤的氧化活性。在工作面推進過程中，在回風巷、上隅角處每20m砌筑一道沙袋墻，沙袋墻厚度不小于1m，并噴涂施密特防漏風材料，如圖11所示。

圖11 噴灑阻化劑及砌筑沙袋墻

4.3 切眼及補切眼處防漏風

綜采面在切眼及補切眼處回采時，所采取的防漏風措施有：

1)工作面回采前，在底抽巷對切眼穿層條帶鉆孔進行封堵，根據(jù)回采進度對21606運輸巷、回風巷中的穿層條帶鉆孔進行及時封堵。

2)在三角煤區(qū)域及21606回風巷沿空側(cè)全斷面噴漿，在切眼三角煤區(qū)域非采幫、補回風巷三角煤區(qū)域、補切眼回風隅角、回風巷沿空側(cè)進行噴漿堵漏，噴漿厚度大于100mm。

3)在補切眼三角煤區(qū)域，由于存在F54(133°∠41°H=5～10m)逆斷層，煤體破碎，為避免該區(qū)域進入采空區(qū)后發(fā)生快速氧化，對煤體預先壓注凝膠充填孔洞，減少對煤體的漏風供氧。

凝膠因成型時間快，常用于重點區(qū)域防漏風，根據(jù)壓注凝膠地點的漏風強度和注膠距離的遠近，需壓注不同配比的凝膠，從而達到預期的堵漏效果[19]。為此，通過實驗獲取了凝膠的最佳配比參數(shù)，實驗結(jié)果見表1。

表1 凝膠配比實驗數(shù)據(jù)

在實驗組別的2到8組，膠凝時間在7～110min之間，對不同比例下的凝膠成型時間進行對比分析可以得出，在水與小蘇打的比例相同的情況下，增加水玻璃的量會使凝膠成型時間大大縮短。在井下進行注凝膠時，根據(jù)凝膠液體從注漿泵流到采空區(qū)的時間選擇不同的配比，以達到最好的堵漏效果。

4.4 效果分析

采取以上綜合防漏風措施，在工作面推進到300m時，經(jīng)現(xiàn)場實測21606運輸巷進風量為2024m3/min，風速為2.78m/s；回風巷的風量為1755m3/min，風速為2.41m/s；因切頂留巷液壓支架較多風阻較大，測得通風立眼處的風量僅為145m3/min，風速為0.22m/s。根據(jù)文獻[20]計算方法，計算得到21606切頂留巷綜采面漏風率k2為6.13%，遠小于其它鄰近工作面漏風率。

通過采取以上綜合防漏風措施，在21606工作面推進的前300m過程中，采空區(qū)切眼預埋監(jiān)測束管經(jīng)取樣、監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)CO濃度始終保持在0.020‰以下，未發(fā)生CO濃度異常增加情況；安裝在21606回風巷低負壓抽采管路上的一氧化碳傳感器監(jiān)測到最大CO濃度為0.014‰；安裝在工作面上隅角以及回風巷的T0、T1一氧化碳傳感器監(jiān)測CO濃度均較低，未發(fā)生超限報警事故，實現(xiàn)了21606工作面的安全回采。

5 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗得到了青龍煤礦21606切頂留巷采空區(qū)漏風規(guī)律：風速沿遠離綜采面的方向明顯衰減，在采空區(qū)深部，特別是靠近補切眼和補回風巷的地方，漏風流速很小甚至為零。采空區(qū)漏風路徑主要為：從下隅角進入，經(jīng)采空區(qū)流向上隅角或通風立眼處。

2)針對數(shù)值模擬得到的主要漏風區(qū)域，通過在切頂留巷及通風立眼處采取砌墻并進行噴漿處理、工作面進行切頂爆破、在補回風巷和回風巷上隅角處砌筑沙袋墻、在切眼及補切眼處進行噴漿和及時封堵瓦斯抽采鉆孔以及補充壓注凝膠等綜合措施，有效減小了21606切頂留巷采空區(qū)的漏風，降低了工作面自然發(fā)火風險。

3)采取綜合防漏風措施后，實際測得21606切頂留巷綜采面漏風率為6.13%，遠小于其它鄰近工作面漏風率；在21606工作面推進的前300m過程中，采空區(qū)內(nèi)CO濃度始終保持在0.02‰以下，未發(fā)生CO濃度異常增加情況；在回風巷低負壓抽采管、工作面上隅角以及回風巷處監(jiān)測CO濃度均較低，未發(fā)生超限報警事故，實現(xiàn)了21606切頂留巷綜采面的安全回采。