沿空留巷工作面通風安全可靠性分析

秦 麗

(潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 047100)

沿空留巷無煤柱開采可以解決小煤柱留設時圍巖變形控制困難、需要反復修整問題，同時可提高煤巖回采率，在煤礦現場應用逐漸廣泛[1-2]。但是沿空留巷由于未留設護巷煤柱，在井下通風過程中容易引起跑風、漏風等問題，給礦井生產帶來一定的不利影響[3]。眾多的學者從上隅角瓦斯治理、遺煤自燃防治以及通風漏風情況等方面出發展開了廣泛研究，并取得顯著的研究成果[4-6]。但是研究多是集中在采面通風方式選擇上，關于沿空留巷通風系統可靠性方面研究相對較少。因此，文中以山西某礦4206沿空留巷工作面為工程背景，對通風系統可靠性進行分析，以期能為后續礦井通風方式選擇提供一定參考。

1 工程概況

山西某礦開采的4#煤層埋深平均298 m，煤厚4.87 m，煤層傾角4°，結構簡單。煤層老頂為粗砂巖(f值8.1，厚度13.56 m)、直接頂為細砂巖(f值8.2，厚度10.5 m)、直接底為砂質泥巖(f值2.5，厚度2.6 m)。4206工作面回采巷道支護采用錨網索方式，沿空留巷巷道旁充填3 m寬高強膏體材料，支撐頂板并降低巷道漏風量。

礦井采用型號為BD-Ⅱ-8-NO22風機通風，通風負壓2 600 Pa，具體4206通風線路見圖1所示。

圖1 通風路線圖

2 通風安全性分析

回采工作面傳統的留設煤柱護巷方式采面推進后，采空區頂板巖層會在煤柱支撐下不能完全垮落，從而在采空區內懸空一定的距離。在煤柱支撐作用下頂板不能充分垮落，從而在采空區與護巷煤柱間形成范圍較大且裂隙較為發育的松散三角區，成為采面通風漏風，具體見第77頁圖2a)。采用沿空留巷技術后由于取消護巷煤柱，因此采空區內頂板垮落更為充分，采空區內垮落巖層在覆巖重力作用下逐漸密實，從而形成一個壓實度相對較高的阻風結構，具體見第77頁圖2b)，不僅可以降低松散三角區范圍甚至消除松散三角區，而且還可以減少上隅角瓦斯集聚以及采空區瓦斯涌出量以及采空區內遺煤自燃發火概率。因此，相對于傳統的護巷煤柱方式，采用沿空留巷在理論上可以確保采面通風安全。

圖2 采面不同開采方式通風示意圖

3 采面通風質量參數分析

3.1 采面通風實測

采用風速表對4206綜采工作面通風參數進行現場實測，具體測定結果見表1。

表1 4206綜采工作面通風參數測定結果

3.2 風量計算

3.2.1 根據瓦斯涌出計算

按照《煤礦安全規程》要求，采面瓦斯濃度應在1%以內且風速介于0.25 m/s～4 m/s。2019年礦井絕對、相對瓦斯涌出量為2.09 m3/min、3.62 m3/t,具體回采工作面生產時需要風量Q采1可按公式(1)計算。

Q采1=q絕×K×100/60

(1)

其中，q絕為采工作瓦斯絕對涌出量，按照礦井絕對瓦斯涌出量的64.59%計算，取值為1.35 m3/min；K為采面瓦斯涌出不均衡系數，取值1.6。

將上述參數帶入公式(1)即可得到采面需要的風量Q采=216 m3/min。

3.2.2 根據采面溫度計算

根據采面溫度確定的采面風量Q采2可通過公式(2)計算。

Q采2=60·V采·Ki·S采

(2)

其中,V采為采面開采時的合適風速，取值1.20 m/s；S采有效通風斷面，取值10.66 m2。Ki為采面長度系數，取值1.1。

將上述參數帶入公式(2)得到Q采2=844.2 m3/min。

3.2.3 根據作業點人數計算

據作業點人數計算確定的采面風量Q采3可通過式(3)計算。

Q采3=4·N

(3)

式中，N為采面內最大人數，取值60(現場交接班時人數)。

帶入公式(3)得到Q采3=240 m3/min。

綜上分析，取上述計算結果最大值，從而確定采面合理風量Q采=844.2 m3/min。

3.2.4 風量校核

采面內風速應控制在0.25 m/s～4.0 m/s，從而計算求得的采面風量應在159.9 m3/min～2 558.4 m3/min。通過理論計算得到的采面合理供風量為844.2 m3/min，風量可以滿足《煤礦安全規程》關于采面通風要求。因此4206綜采配風量取值844.2 m3/min是合理的。

3.3 有效風量率計算

采面通風時有效風量率Pe可通過公式(4)計算。

(4)

帶入相關參數計算求得，在4206進風巷內有效風量率達到96.2%，高于一般的煤柱留巷工作面，表明在4206采面采用切頂留巷后雖然留巷段存在一定程度的漏風，但是由于采空區上覆巖層及時跨落，消除了煤柱旁的松散三角區，從而有效提升了采面進風巷有效風量率。

4206采面有效風量率為92.4%、回風巷有效風量率為90.3%，相對于進風巷有效風量率有所降低，主要是由于采用沿空留巷巷道存在一定的漏風，但是由于留巷段距離較短所以造成采面、回風巷有效風量率降低程度較小。但是4206綜采工作面進風巷、采面、回風巷有效風量率滿足《規程》相關要求。4206采面采用沿空留巷時采面漏風量較小，絕大部分風流經過采面從回風巷流出，僅有極少一部分風流流入到采空區內，通風利用率較高。

3.4 采面通風阻力計算

通風時采面通風阻力hf可采用公式(5)計算。

hf=RQ2

(5)

式中，R表示通風摩擦風阻，N·s2/m8；Q表示通風風量，m3/min。

通過上述公式計算得到4206工作面進風巷、采面以及回風巷風阻分別為324 Pa、323 Pa、352 Pa，具體工作面進風、用風以及回風段風阻比值為0.324∶0.323∶0.352，與較為合理的3∶3∶4接近。采面采用沿空留巷技術后可以在一定程度上降低采面通風阻力，提高通風效率，能夠滿足采面正常通風需要。

4 結語

1)4206綜采工作面采用沿空留巷技術，文中對留巷工作面通風可靠性進行分析。采面采用沿空留巷技術后由于采空區頂板覆巖不會出現由于煤柱支撐而導致難以垮落問題，從而降低采空區內松散三角區面積，降低通風系統漏風量，從而滿足采面高效通風需要。

2)從瓦斯治理、采面溫度、有效風量率、通風阻力等方面分析沿空留巷采面通風情況，采面采用沿空留巷后采面采面通風阻力分布較為合理，通風有效率較高。4206綜采工作面通風系統具有較高的可靠性，可以滿足煤炭開采需要。