無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)工作面“一通三防”技術(shù)可靠性分析

胡世洛 楊應(yīng)迪副教授

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量相對(duì)豐富，縱觀2021年，我國(guó)煤炭資源的消耗量在一次性消耗能源中占比達(dá)60%[1]。在煤炭資源的開采過程中，留護(hù)巷煤柱的后退式開采占據(jù)主流。但是這種開采方法需要預(yù)先掘出運(yùn)輸大巷，前期的工程準(zhǔn)備工作量大，經(jīng)濟(jì)投入大，投產(chǎn)晚，且遺留的護(hù)巷煤柱造成開采浪費(fèi)。無煤柱前進(jìn)式開采工作面投產(chǎn)快，初期工程量和基建投資少，且開采度高[2-3]。但是前進(jìn)式開采過程中，巷道中的風(fēng)流更容易向采空區(qū)流入，容易引發(fā)礦井火災(zāi)，對(duì)井下構(gòu)筑物和井下工作人員的生命安全造成威脅。因此，通過研究一通三防技術(shù)，確保無煤柱前進(jìn)式開采的安全進(jìn)行，保障井下人員生命和財(cái)產(chǎn)安全，可以帶來較好的經(jīng)濟(jì)收益[4-7]。

煤炭行業(yè)相關(guān)學(xué)者在研究無煤柱開采技術(shù)[8]的過程中，無煤柱開采原理及工藝、煤巖中的應(yīng)力分布、頂板垮落數(shù)學(xué)模型方面是重點(diǎn)研究對(duì)象，而對(duì)該種開采工法下一通三防工作領(lǐng)域中存在的安全問題研究則略顯不足。波蘭學(xué)者TUTAK[9]分別模擬出U型前進(jìn)式和U型后退式2種通風(fēng)方式下的氧氣場(chǎng)和速度場(chǎng)，得出內(nèi)源火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域風(fēng)速大小為0.001 5～0.02 m/s，氧氣濃度的最小值大于8%，并且U型前進(jìn)式內(nèi)源火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域明顯大于U型后退式?，F(xiàn)階段通過數(shù)值模擬來研究采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度和漏風(fēng)分布規(guī)律[10]，由于實(shí)際采空區(qū)高度復(fù)雜，再加上數(shù)值模擬是在諸多假設(shè)條件下完成的，而這些假設(shè)條件與實(shí)際情況有一定的偏差。因此所得結(jié)果在理論方面的價(jià)值更高。如果想要得到更加真實(shí)的結(jié)論，則需要結(jié)合工作面采空區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)一步對(duì)比研究，以提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

以檸條塔礦擬采N1217工作面為工程背景，針對(duì)無煤柱前進(jìn)式開采工法下工作面的一通三防工作展開分析，為工作面的安全開采奠定理論基礎(chǔ)。

1 無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)開采工作面工法介紹

1.1 N00工法發(fā)展歷程

何滿潮院士團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)111工法的長(zhǎng)期研究提出切頂短臂梁理論[11]，該理論的誕生為煤礦井下礦壓災(zāi)害防治提供新的技術(shù)思路?；谠摾碚摷捌潢P(guān)鍵技術(shù)，何滿潮院士團(tuán)隊(duì)提出110工法[12]。何滿潮院士團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出N00工法[13]，該工法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無煤柱開采和自成巷技術(shù)。

1.2 2GN00工法介紹

2GN00工法是在N00工法實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，為了滿足雙側(cè)切頂留巷的目標(biāo)提出的，是N00工法的進(jìn)一步優(yōu)化和升級(jí)[14]。

2GN00工法示意圖，如圖1。該工法利用切頂短臂梁理論進(jìn)行雙側(cè)留巷，提前切頂，利用礦壓做功，讓留巷側(cè)采空區(qū)盡早冒落壓實(shí)，及時(shí)形成設(shè)計(jì)的巷道，滿足二次使用要求，達(dá)到采留一體化作業(yè)，自采自留。從源頭上取消先掘進(jìn)后采煤的長(zhǎng)壁后退式采煤模式，極大地減少了回采巷道的掘進(jìn)量、掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)和作業(yè)人數(shù)，提高回采率[15-16]。

圖1 2GN00工法示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2GN00 construction method

2 工程背景

2.1 工作面概況

陜煤集團(tuán)檸條塔煤曾在S1201工作面開展110工法生產(chǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目，并取得較好的實(shí)驗(yàn)效果[17]。

檸條塔煤礦N1217工作面位于井田北翼2-2煤生產(chǎn)系統(tǒng)以西，N1213工作面西北側(cè)，為北翼盤區(qū)西部第9個(gè)工作面，與N1213工作面之間間隔了N1215工作面。N1217工作面走向長(zhǎng)3 010m，傾斜長(zhǎng)300m，面積903 000m2，工業(yè)儲(chǔ)量2.45Mt，可采儲(chǔ)量2.40Mt，工作面位置示意圖，如圖2。

圖2 N1217工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of N1217 working face

2.2 通風(fēng)方式介紹

N1217工作面擬采用2GN00工法回采2-2煤層。相較N00工法而言，2GN00工法采用長(zhǎng)壁前進(jìn)式采煤方法，通風(fēng)方式采用U型前進(jìn)式。2GN00工法在回采初期不再單獨(dú)布置順槽或者盤區(qū)邊界巷道，通過前進(jìn)式回采，利用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)形成工作面兩側(cè)順槽，其工作面布置，如圖3。

圖3 2GN00工法工作面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of the working face of the 2GN00 construction method

3 無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)工作面“一通三防”特性

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)特性

(1)風(fēng)流運(yùn)輸路線。N1217工作面采用負(fù)壓獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，由工作面膠運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)，工作面回風(fēng)順槽回風(fēng)，其污風(fēng)直接進(jìn)入2-2煤北翼回風(fēng)大巷。其通風(fēng)線路為：新鮮風(fēng)流，進(jìn)風(fēng)井→北翼2-2煤膠運(yùn)大巷、北翼2-2煤輔運(yùn)大巷→N1217膠運(yùn)順槽→N1217工作面；污風(fēng)流，N1217工作面→N1217回風(fēng)順槽→北翼2-2煤回風(fēng)大巷→北翼回風(fēng)斜井。工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，如圖4。

圖4 N1217工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖Fig.4 Ventilation system diagram of N1217 working face

(2)N1217工作面通風(fēng)系統(tǒng)安全性分析。2GN00工法開采工藝不留煤柱，開采預(yù)留靠近采空區(qū)側(cè)的巷道壁由垮落的碎石組成；此外，N1217工作面采用抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)留巷內(nèi)氣壓將明顯低于工作面和進(jìn)風(fēng)巷氣壓。在氣壓差作用下，若因切頂卸壓成巷出現(xiàn)墻體接頂不實(shí)、墻體局部壓裂等問題，進(jìn)風(fēng)巷及工作面風(fēng)流易流入采空區(qū)，加重采空區(qū)漏風(fēng)程度，容易引起通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，從而進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

(3)數(shù)值模擬分析。根據(jù)實(shí)際工程，建立2GN00工法擬開采工作面采空區(qū)物理模型，并利用FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行求解計(jì)算，得到采空區(qū)風(fēng)速流線，如圖5。

圖5 采空區(qū)速度流線圖Fig.5 Velocity streamline diagram of goaf

由圖5可知，距開切眼約50m范圍內(nèi)采空區(qū)的壓實(shí)情況較好，漏風(fēng)范圍小，漏風(fēng)量也相對(duì)較小。距開切眼50～250m，漏風(fēng)范圍較大，采空區(qū)中部壓實(shí)情況較好，流入風(fēng)流很大一部分流向靠近工作面處的采空區(qū)，漏風(fēng)量較大。距開切眼250～300m，漏風(fēng)情況復(fù)雜，漏風(fēng)范圍大，有進(jìn)風(fēng)順槽和工作面雙面漏風(fēng)加上中部風(fēng)流偏移流經(jīng)該部分使得此處采空區(qū)氧氣濃度大，極易發(fā)生煤自燃。

3.2 瓦斯災(zāi)害特性

檸條塔煤礦礦井瓦斯絕對(duì)涌出量2.02m3/min，相對(duì)涌出量0.05m3/t，屬低瓦斯礦井。2-2煤層處于瓦斯風(fēng)化帶，瓦斯含量較低，工作面開采過程中瓦斯涌出量較小。擬采工作面N1217的相鄰工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量0.03m3/min，瓦斯涌出量較低。

3.3 火災(zāi)特性

3.3.1 礦井煤層自燃特性

根據(jù)陜西安技煤礦安全裝備檢測(cè)有限公司2019年04月29日出具的《煤塵爆炸性、煤自燃傾向性》鑒定報(bào)告，2-2煤層屬Ⅰ類容易自燃煤層。根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2019年06月19日出具的《煤樣最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)報(bào)告》，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出2-2煤層最短自然發(fā)火周期為36天。

3.3.2 自然發(fā)火性

2GN00工法開采工藝容易產(chǎn)生漏風(fēng)，改變采空區(qū)遺煤氧化“三帶”分布特性，使散熱帶和自燃帶的寬度在靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)較大，同時(shí)會(huì)增加自燃危險(xiǎn)區(qū)域的寬度。如果漏風(fēng)量、漏風(fēng)風(fēng)速、漏風(fēng)通道及遺煤堆積等條件滿足，還會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。2GN00工法開采工藝可能導(dǎo)致的火災(zāi)問題如下：

(1)反復(fù)漏風(fēng)誘發(fā)煤自燃特性的改變。2GN00工法會(huì)在采空區(qū)兩側(cè)形成巷道，并分別用于進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)一直處于漏風(fēng)狀態(tài)，或者堵漏后再次發(fā)生漏風(fēng)，使首次氧化的煤樣在隔絕氧氣后會(huì)再次接觸氧氣，改變煤的自燃特性。

(2)漏風(fēng)規(guī)律及漏風(fēng)通道多變，易誘發(fā)煤自燃。2GN00工法采用垮落的頂板作為留巷的主體，由于頂板垮落過程中容易產(chǎn)生破裂且結(jié)頂難，在開采初期，漏風(fēng)速率和漏風(fēng)量與傳統(tǒng)的開采工藝有很大差別。此外，采空區(qū)兩側(cè)在壓力差及采動(dòng)影響下，采空區(qū)的其他位置也極易產(chǎn)生漏風(fēng)通道，當(dāng)漏風(fēng)量、漏風(fēng)風(fēng)速及遺煤堆積等條件滿足時(shí)會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃。

(3)自燃三帶發(fā)生變化。2GN00工法條件下，由于采空區(qū)時(shí)刻暴露在進(jìn)、回風(fēng)巷道內(nèi)，很難避免完全不漏風(fēng)情況的出現(xiàn)，在這種情況下，自燃三帶的變化將出現(xiàn)較難預(yù)測(cè)的情況。在開采初期，漏風(fēng)速率和漏風(fēng)量很大，形成散熱帶，但是隨著堵漏措施的實(shí)施，漏風(fēng)量逐漸減小，會(huì)使同一區(qū)域過渡到氧化帶，從而誘發(fā)煤自燃。

3.4 粉塵災(zāi)害特性分析

N1217工作面設(shè)計(jì)采用一次采全高工藝，生產(chǎn)能力的提升也帶來極為嚴(yán)重的粉塵污染問題。同時(shí)，N1217工作面采用2GN00工法后，通風(fēng)系統(tǒng)采用U型前進(jìn)式通風(fēng)方式，工作面推進(jìn)過程中在采空區(qū)兩側(cè)采用爆破切頂工序形成留巷，隨之也帶來新的粉塵問題：

(1)工作面塵源特征及運(yùn)移規(guī)律的改變。N1217工作面采用2GN00工法后會(huì)在采空區(qū)兩側(cè)形成巷道，作為進(jìn)、回風(fēng)巷道，采煤工作面通風(fēng)工況與后退式開采發(fā)生改變，此過程中爆破切頂、巷道支護(hù)、截割等工序產(chǎn)生的粉塵污染物在井下受限空間內(nèi)的擴(kuò)散及沉積規(guī)律也會(huì)隨之改變，對(duì)降塵、隔爆裝置的合理布置可能存在一定影響。

(2)N1217工作面存在煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)陜西安技煤礦安全裝備檢測(cè)有限公司鑒定報(bào)告，測(cè)定結(jié)果為：煤塵爆炸時(shí)，焰長(zhǎng)均≥400mm，具有爆炸性。煤礦井下可能引起煤塵爆炸的火源有電氣火花、摩擦起火、電焊火花等。采用2GN00工法后工作面風(fēng)流會(huì)在采空區(qū)兩側(cè)形成風(fēng)壓差，容易誘發(fā)煤自燃，并且爆破切頂工序也可能產(chǎn)生火焰。因此，在工作面生產(chǎn)期間不允許空氣中煤塵達(dá)到爆炸濃度。

4 無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)工作面“一通三防”技術(shù)措施

4.1 通風(fēng)保障措施

N1217工作面回采通風(fēng)系統(tǒng)安全保障主要是從工作面配風(fēng)量計(jì)算、實(shí)施與監(jiān)控保障入手，在確保工作面風(fēng)量滿足需風(fēng)要求、通風(fēng)系統(tǒng)阻力滿足規(guī)范要求、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在安全區(qū)間、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、風(fēng)量風(fēng)質(zhì)達(dá)到規(guī)程要求的前提下，進(jìn)而保障工作面回采期間的工作面局部通風(fēng)系統(tǒng)與礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠，擬定的具體措施如下：

(1)工作面空間關(guān)系與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)關(guān)系。利用礦井工程平面圖和通風(fēng)系統(tǒng)圖繪制礦井三維立體圖，結(jié)合三維礦山軟件分析N1217工作面采空區(qū)與同煤層采空區(qū)、近煤層采空區(qū)，以及與地表之間的空間位置關(guān)系，找出與N1217工作面采空區(qū)及巷道相互關(guān)聯(lián)的所有通道。

(2)工作面及系統(tǒng)需配風(fēng)優(yōu)化模型及最佳風(fēng)量的確定。將2GN00工法采空區(qū)分為壓實(shí)段、封堵段、未封堵段，利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬技術(shù)確定不同階段的采空區(qū)漏風(fēng)系數(shù)?？茖W(xué)計(jì)算全礦井的需風(fēng)量，合理分配礦井的風(fēng)量，可以提高礦井有效風(fēng)量率，達(dá)到降低采空區(qū)壓差，繼而達(dá)到降低采空區(qū)漏風(fēng)量的目的。

(3)工作面通風(fēng)系統(tǒng)及控風(fēng)體系建立。根據(jù)分段式漏風(fēng)系數(shù)劃分機(jī)理，結(jié)合工作面推進(jìn)速度及采空區(qū)封堵進(jìn)度，劃定分級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域，為各區(qū)域配備壓力、風(fēng)速、溫度、密度等相關(guān)通風(fēng)參數(shù)的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相應(yīng)區(qū)域的風(fēng)量和風(fēng)質(zhì)情況。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算，基于礦井智能通風(fēng)技術(shù)和N1217工作面控風(fēng)模型，采用礦井通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中管控系統(tǒng)對(duì)主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)及相關(guān)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，對(duì)N1217工作面進(jìn)行風(fēng)量自動(dòng)調(diào)校，保障回采期間通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

4.2 瓦斯防治措施

因2-2煤層處于瓦斯風(fēng)化帶，瓦斯含量較低，工作面開采過程中瓦斯涌出量較小，礦井可以采用以風(fēng)排為主，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人工巡檢等措施相結(jié)合的瓦斯綜合防治措施。

4.3 防滅火措施

(1)反復(fù)漏風(fēng)誘發(fā)煤自燃特性的危險(xiǎn)性分析。結(jié)合現(xiàn)有煤自燃傾向性、發(fā)火期以及110工法和N00工法獲得的采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性數(shù)據(jù)，分析采用2GN00工法后，反復(fù)漏風(fēng)導(dǎo)致持續(xù)的通風(fēng)供氧條件下，誘發(fā)煤自燃特性的危險(xiǎn)性。

(2)采空區(qū)自燃三帶演化規(guī)律。采用現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)抽氣管路，通過管路抽取采空區(qū)氣樣，送入氣相色譜儀進(jìn)行分析，采集采空區(qū)距工作面不同距離處氣樣，研究O2、CO、CO2等氣體濃度隨工作面推進(jìn)距離的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；通過埋設(shè)的溫度探頭測(cè)定采空區(qū)溫度變化情況，測(cè)試采空區(qū)距工作面不同距離處遺煤溫度，研究采空區(qū)中煤溫在工作面推進(jìn)過程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；根據(jù)N1217工作面采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體濃度隨著工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，確定工作面采空區(qū)自燃三帶并計(jì)算工作面最低推進(jìn)速度。最后結(jié)合CFD數(shù)值模擬技術(shù)，加以定性驗(yàn)證。

(3)采空區(qū)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)。建立由束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人工取樣分析系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)組成的采空區(qū)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和以光纖傳感為主體的采空區(qū)溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

(4)采空區(qū)多層次煤自燃防控技術(shù)。N1217工作面前進(jìn)式開采中最大的問題是漏風(fēng)誘發(fā)煤自燃，故采空區(qū)煤自燃防控技術(shù)以堵漏為主，注漿、注氮及噴灑阻化劑為輔，采取多層次采空區(qū)煤自燃綜合防控技術(shù)。在開采前期，采空區(qū)未封堵或者已經(jīng)封堵，但是其封堵效果未經(jīng)驗(yàn)證，此時(shí)采空區(qū)漏風(fēng)量較大，則應(yīng)注漿增強(qiáng)采空區(qū)的密閉性。在開采后期，采空區(qū)封堵措施良好，采用注氮的方式降低采空區(qū)氧氣濃度，防治采空區(qū)煤自燃。

4.4 粉塵防治措施

(1)工作面塵源特征及運(yùn)移規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的實(shí)際數(shù)據(jù)，利用CFD數(shù)值模擬軟件，采用基于同位網(wǎng)格的壓力耦合方程組的半隱式(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE)方法對(duì)采煤工作面粉塵分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得到粉塵在采煤工作面的擴(kuò)散規(guī)律，保障工作面防塵技術(shù)措施的有效落實(shí)。

(2)工作面煤塵爆炸特性及防控措施。采煤生產(chǎn)作業(yè)期間產(chǎn)生的大量粉塵，一部分隨著通風(fēng)流帶出工作面，另一部分在巷道中沉積下來。根據(jù)檸條塔礦N1217采煤工作面生產(chǎn)過程中塵源特征分析結(jié)果，結(jié)合巷道通風(fēng)參數(shù)開展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，研究煤塵起爆的臨界狀態(tài)參數(shù)與環(huán)境指標(biāo)參數(shù)之間的耦合變化關(guān)系。分析塵源爆炸危險(xiǎn)程度及煤塵沉積的可能位置，采取高效降塵、除塵技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行捕集，完善現(xiàn)有工作面防爆措施及制度，極大程度上降低工作面煤塵發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性。

5 結(jié)論

(1)無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)工作面漏風(fēng)面廣、漏風(fēng)量大，在進(jìn)行漏風(fēng)通道的精準(zhǔn)定位以及采用分段式控風(fēng)措施后，可以保障工作面擁有足夠風(fēng)量的同時(shí)減少風(fēng)量的浪費(fèi)。

(2)2GN00工法開采工藝下，采空區(qū)遺煤自燃是最大的隱患。在進(jìn)行堵漏風(fēng)的基礎(chǔ)上，采用“煤自然特性分析—采空區(qū)三帶劃分—監(jiān)測(cè)預(yù)警—遺煤自燃防控”的方式，避免無煤柱前進(jìn)式U型通風(fēng)工作面的火災(zāi)發(fā)生。

(3)N1217工作面瓦斯含量較低且U型通風(fēng)系統(tǒng)可以較好清理工作面涌出的瓦斯，不存在重大的瓦斯事故隱患，做好瓦斯監(jiān)控即可。

(4)無煤柱前進(jìn)式開采工作面需要進(jìn)行雙側(cè)切頂，在此過程中采取的爆破切頂工藝使得產(chǎn)塵量有所增加。在防治措施上依舊采取“分析—尋源—降塵—監(jiān)測(cè)”體系，與傳統(tǒng)工藝相比并無太大區(qū)別。