切頂卸壓工作面通風安全可靠性分析

【摘 要】 為了分析切頂卸壓留巷工作面通風安全可靠性，文章在結合42206工作面地質資料基礎上，分別研究了采煤工作面瓦斯、風速、粉塵、采空區遺煤自燃等特征及可能對采面生產造成的影響。結果表明：1）采用切頂卸壓留巷技術后，由于取消護巷煤柱，采煤工作面采空區內不存在煤柱引起的松散三角區，減少了采空區漏風通道;2）采煤工作面為Y型通風系統，消除傳統工作面通風方式存在回風巷上隅角瓦斯治理難題;3）采煤工作面內粉塵產生量與傳統方式基本一致，不會增加粉塵危險性。因此，可以為類似條件礦井提供借鑒。

【關鍵詞】 切頂卸壓留巷;通風方式;安全性;護巷煤柱;采空區

【中圖分類號】 TD724 【文獻標識碼】 A

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

傳統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。經過多年技術研究，何滿潮院士提出采用切頂卸壓沿空留巷方式實現無煤柱開采，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、運輸以及通風需要，并在山西、河北以及陜西等地區得以推廣應用。文中就采用切頂卸壓留巷的回采工作面通風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應用。

1工程概況

山西某礦設計產能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，采面設計走向、斜長分別為2330m、280m，區內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，煤層有自燃發火傾向性，煤塵有爆炸危險性。

2采面巷道布置及通風方式

運用切頂卸壓留巷技術時，在盤區內布置集中軌道、運輸、回風下山，盤區內首采工作面通過運輸下山作為進風巷，回采工作面切頂卸壓留巷巷道作為回風巷道;采面開采后，切頂卸壓留巷巷道作為下一采面進風巷，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（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。金屬網鋪設通過端頭支架、過渡支架實現自動鋪設。切頂卸壓是在切頂卸壓支架、錨索以及金屬網鋪設后進行，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，確保巷道安全。

采用切頂卸壓留巷技術后采面生產期間該巷道前段為進風巷，后段為回風巷，采面形成Y型通風方式。該通風方式具有結構簡單，進、回風巷風流方向一致，回采巷道通過留巷形成，避免采面出現上隅角瓦斯超限。

3采面通風安全性分析

3.1采面漏風分析

傳統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，在該區范圍內煤巖體內裂隙發育，是采面漏風的主要通道，從而有造成采空區內浮煤自燃危險性，同時采空區內的CH4、CO等有害氣體通過松散三角區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內均存在兩個松散三角區，具體分布見圖2（a）。采用切頂卸壓留巷技術后，采面巷道與已采面采空區間無煤柱，回采巷道通過切頂卸壓留巷實現，采空區內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，減少臨近采空區的漏風通道，具體見圖2（b）。

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

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

綜上分析，在42206采面采用切頂卸壓留巷技術后，形成的Y型通風系統消除采面與臨近采空區間松散三角區，減少采空區漏粉通道，降低了采面上隅角CH4、CO等有害氣體濃度，改善了采面作業環境。因此，切頂卸壓留巷后采面形成的Y型通風系統安全性在一定程度上高于傳統U型通風方式。

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型通風系統，除小部分風流從采面后方支架處經采空區向留巷排出外，其絕大部分新鮮風流流經采場從回風巷排出。分風流通過采面通過，采面處于新鮮風流中，同時Y型通風消除回風巷上隅角瓦斯積聚，但是采面后方的留巷段存在一定瓦斯超限可能。鄰近42208采面生產期間回風巷內瓦斯濃度在0～0.03%，瓦斯涌出量最大為0.4m3/min。考慮到42208采面與42206采面為同一瓦斯地質單元，切頂卸壓留巷后采面瓦斯涌出量應與42208采面類似，因此，在42206留巷段不會出現瓦斯超限。

3.3防治采空區遺煤自燃分析

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三帶分布進行分析，并以漏風風速作為判定指標，風速在0.24m/min以上為散熱帶不自燃帶;風速在0.1m/min以內為窒息帶;風速在0.1～0.24m/min間為氧化升溫帶。

根據模擬結果從圖4得知，在42208采面后方采空區內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火期（30d）的1/2，屬采面正常生產期間。同時由于采用切頂卸壓留巷技術，采空區內遺留的煤炭較少，在一定程度上減少了采空區遺煤自燃的基礎，降低了采空區自燃發火危險性。綜合判定，采用切頂卸壓留巷下，采面正常回采及通風時，采空區內遺煤自燃發火可能性極低。

3.4防治煤塵爆炸分析

當煤塵濃度在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，與傳統采面開采方式基本一致。采面正常開采時工作面內粉塵濃度約為135mg/m3，移動支架時粉塵濃度約為60mg/m3，回風流中粉塵濃度約為48mg/m3。采面各處在正常通風條件下煤塵濃度遠小于45g/m3，同時礦井自建礦以來，未出現過煤塵爆炸事故。因此，及時對采面、巷道內落塵進行清理，采面出現煤塵爆炸可能性極低。

4采煤工作面通風效果

42206采煤面從2018年12月10日開始生產，在生產過程中對進風巷、采面、留巷（回風巷）等處的風速，溫度，CH4、CO濃度以及采空區內部溫度、CO濃度進行監測。從監測結果可以得出，采面以及留巷內CH4最大濃度僅為0.03%，瓦斯絕對涌出量最大為0.31m3/min，且未發生瓦斯涌出異?，F象;采面以及留巷內CO濃度介于0～8×10-6，平均為3×10-6，遠小于《煤礦安全規程》規定的24×10-6;采空區內溫度約為18℃，表明采空區內遺煤未有明顯氧化升溫現象。

5總結

回采工作面采用切頂卸壓留巷技術后，采空區內傳統護巷煤柱方式存在的松散三角區得以消除，同時也不存在回風巷上隅角瓦斯積聚現象;留巷后形成的Y型通風系統不會給采面造成無風、微風等情況。

42206采面內瓦斯涌出量小，采用的通風方式不會給采面生產安全帶來不利影響，回風巷內瓦斯濃度在0～0.03%之間，采面采空區內遺煤在氧化升溫帶僅為煤層自燃發火期（30d）的1/2，同時由于切頂卸壓留巷取消了護巷煤柱，采面采空區內遺煤量大幅減少，采空區遺煤自燃可能性降低。

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