切顶卸压沿空留巷工作面通风可靠性研究

李文斌

【摘 要】 为研究切顶卸压沿空留巷工作面通风可靠性，本文以某矿4102综放工作面为工程背景，对其通风安全性、有效风量率及通风阻力等进行理论分析。结果表明：通过使用切顶卸压沿空留巷技术，减小了采空区顶板压力，使采空区内顶板能够全部垮落于采空区内，并逐渐被压实，遗漏风量较为严重的松散三角区被消除，从理论上提高了工作面通风可靠性;通过对有效风量率计算及通风阻力计算，发现4102工作面进风段、用风段及回风段的有效风量率分别为96.4%、92.7%、90.5%，通风阻力分别为0.0864、0.0855、0.0937，能够满足《煤矿安全规程》要求，通风可靠性较高，能够保证工作面安全生产。

【关键词】 综放开采;沿空留巷;切顶卸压;有效风量率;通风阻力

【中图分类号】 TD724 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0001-03

无煤柱开采技术在被推广以来往往作为最优方案进行应用，它的提出成功解决了宽煤柱护巷过程中优质资源被遗弃浪费的问题以及窄煤柱护巷过程中巷道维护困难、维护成本高等问题 。而沿空留巷作为无煤开采的主要技术之一又因其资源回收率高，通风效果良好等优点更是被广泛接受 。但是在应用过程中由于巷旁无煤柱支撑而致使缺少致密有效的阻风结构，经常造成漏风、跑风等问题。为此，学者们开展了大量的研究工作。乔志刚运用数值模拟技术对沿空留巷U型通风与Y型通风中遗漏风量进行模拟。常宾、穆三奴、樊利红等均对沿空留巷Y型通风方式进行了研究，研究发现使用该方式能够较好地解决上隅角瓦斯聚集问题，且通风效果好。王绪友等根据济宁二号井9306工作面采空区遗漏风易引发煤炭自燃问题，运用数值模拟探讨了应用W型通风与Y型通风方式对9305工作面的影响，最终确定了W型通风方式对于抑制煤炭自燃，提高通风效率更有效果。

上述研究成果多集中在巷道通风方式的选择上，对于通风可靠性研究相对较少，也就造成了部分沿空留巷工作面因设计不合理而出现了通风不良等继发问题，因此部分学者就通风可靠性进行了深入研究。徐瑞龙在通风网路设计时引入了可靠度这一概念，并初步探讨了通风可靠性的计算方法。这种方法将通风网路分割成一个个局部网络，虽然在一定程度上实现了通风网络可靠性的分析，但仍存在较为明显的缺陷。针对这一缺陷，马云东将整个通风系统视为一个整体从而对局部进行分析研究，不仅实现了对整体网络的把握，又实现了对局部系统的分析。随后，谢贤平、薛河等在此基础上分别引入了模糊数学、概率统计回归评价方法，并给出了精确的计算模型。李湖生则从分支与总支关系考虑，对风压敏感度及风量进行了定量评价，并提出了一种角联分支的评价方法。可以看出在我国对通风可靠性方面的研究已经卓有成效，然而对于沿空留巷的通风可靠性评价却鲜有报道，4102综放工作面采用了切顶成巷沿空留巷，并使用Y型通风方式进行通风管理，在相似工程条件下已有成功的工程实践，并证明该通风方式能够较好地应用于实践，但是对于在该条件下的通风可靠性未见研究。因此，本文以此为工程背景，从理论层面分析切顶卸压沿空留巷工作面通风可靠性，以期保证该工作面通风设计安全、合理，能够保障矿井正常安全高效生产，并能够为相似条件矿井提供技术参考。

1工程地质概况

4102综放工作面平均埋深256m，工作面走向长1204.8m，倾向长148.5m，煤厚为5.38m，倾角3°，为近水平煤层。直接顶为15.37m的中、细砂岩，普氏系数为8;老顶为12.28m的粗、中砂岩，普氏系数为7.7，属坚硬顶板;直接底为泥岩，厚1.3m。该工作面巷道支护形式为锚杆锚索金属网联合支护，在工作面回采前对留巷预先进行加固。巷旁充填体宽度为3m，材料选择高强度膏体充填材料，并在充填体两侧布设钢筋进行加固处理。

2通风系统特征

2.1矿井通风方式及主要通风参数

通风方式采用中央并列式抽出式通风，副井进风，主井回风，副井设计总进风量为5856m3/min，主井总回风量6870m3/min。通风机为两台BD-Ⅱ-8-NO22，电动机型号YBF355L1-8型，主扇排风量7100m3/min，运行负压2600Pa，同时兼备反风功能，等积孔面积为3.7m2。

2.2 4102工作面主要通风路线分布

新鲜风流：地面→副井→4#煤辅运绕道→4#煤辅助运输巷→41021巷→工作面;乏风：工作面→41022巷→4#煤回风大巷→回风大巷→主井→地面。如图1所示。

3安全性分析

在传统留煤柱护巷开采时，工作面推采过后的采空区受到煤柱支撑作用，悬臂梁较长，顶板不能完全垮落，在采空区与煤柱之间形成一个较为松散且范围较大的松散三角区，由于该区域顶板垮落不充分，难以形成致密的阻风结构，在通风过程中往往成为最大的漏失风量通道，如图2（a）所示。而采用切顶卸压自成巷沿空留巷技术后，顶板压力得到较为充分的释放且基本能够完全掉落于采空区内，且在上覆岩层压力作用下能够被逐渐压缩，形成一个相对致密的阻风结构体，如图2（b）所示，这样不仅消除了为通风提供漏失通道的松散三角区，且在一定程度上减小了采空区自然发火及瓦斯积聚的可能，因此，相较于传统留煤柱护巷技术而言，切顶卸压沿空留巷技术从理论上能够大大提高工作面通风的安全性及可靠性。

4通风质量参数计算

4.1通风參数调查

经工作面实际调查，4102工作面通风参数见表1。

4.2风量计算

4.2.1按瓦斯浓度计算

依据《煤矿安全规程》（以下简称《规程》）规定，采煤工作面回风巷瓦斯浓度不应大于1%为通风有效标准，且通过最高风速应低于4m/s。依据2010年度瓦斯等级鉴定批复文件，矿井相对瓦斯涌出量为3.61m3/t，矿井瓦斯绝对涌出量为：2.09m3/min。按式（1）计算。

式中：Q采—回采工作面所需风量，m3/min;q绝—回采工作面瓦斯绝对涌出量;依据2010年度瓦斯等级鉴定批复文件取矿井瓦斯涌出量的64.59%，为1.35m3/min;K—瓦斯涌出不均衡系数，取1.6。

计算得到瓦斯符合安全规程的风量Q采=1.35×1.6×100/60=216m3/min。

4.2.2按工作面温度计算

根据《规程》要求，按式（2）对工作面温度条件下需风量进行计算。

式中：Q采—采煤工作面实际需要风量，m3/min;

V采—采煤工作面适宜风速，取1.20m/s;S采—采煤工作面平均有效过风断面积;采高2.6m，采高调整系数取1.2;最大控顶距5.184m，最小控顶距4.584m。S=0.5×（S大+S小）=0.5×（16.174+114.302）=15.238m2。K效—有效断面系数，取0.7。S×K=15.238×0.7=10.66m2。Ki—工作面长度系数，取1.1。

计算得到工作面温度符合安全规程的风量Q采=60×1.2×10.66×1.1/60=844.2m3/min。

4.2.3按采煤工作面人数计算

根据《规程》要求，按式（3）对工作人员需风量进行计算。

Q采=4·N/60（3）

式中：Q采—采煤工作面实际需要风量，m3/min;N—回采工作面同时工作最多人数，60人（考虑交接班）。

计算得到按工作人數所需的风量Q采=4×60=240m3/min

综上，取上述结果中的最大值，即Q采=844.2m3/min。

4.2.4按风速进行校核检验

按《规程》规定，回采工作面最低风速为0.25m/s，最高风速为4m/s的要求，回采工作面风量应满足：15S采≤Q采≤240S采，则：

Q采max≤4×S采=4×10.66=2558.4m3/min（5）

经风速验算，风量计算合理。因此4102工作面配风为844.2m3/s。

4.3有效风量率计算

矿井有效风量率按式（6）计算。

经计算，在41021巷道中有效风量率为96.4%，这说明切顶卸压沿空留巷巷道存在一定漏风，但其消除了松散三角区及大大减小了回风隅角空间，提高了通风有效风率。工作面、41022巷中的有效风量率分别为92.7%、90.5%，主要是由于缺少巷旁支护体等致密有效的阻风结构，在通风过程中一定存在遗漏失风量，但通风距离较短，其有效风率下降不大。根据《规程》规定，矿井的有效风量率应保持在85%以上，通过计算得知4102工作面通风有效风量率远大于85%的规定，能够达到《规程》要求。

4.4通风阻力计算

按照《规程》规定，巷道通风阻力计算按式（7）进行计算。

hf=RQ2（7）

式中：hf—4102工作面通风阻力，Pa;R—摩擦风阻，N·s2/m3，其中R=α×LU/S3，α为摩擦系数，LU分别为巷道断面长度、周长，S为巷道断面积;Q—风量，m3/min。

计算得到41021巷、工作面、41022巷通风阻力分别为0.0864、0.0855、0.0937，因此在4102工作面中进风段、用风段及回风段的比值为0.325∶0.322∶0.353，与一般认知的3∶3∶4基本一致，换言之，使用切顶卸压沿空留巷技术在一定程度上减小了通风摩擦阻力，提高了通过效率，能够满足正常通风要求。

5结论

文章分析了4102工作面通风布置特征，对其安全性进行了分析。通过切顶卸压沿空留巷技术，使得采空区内的顶板压力充分释放，悬臂梁尺度大大减小，矸石能够较为完整地垮落于采空区中并将采空区充满，且被上覆岩层逐渐压实，减少了采空区漏风通道，大大提高了通风可靠性。

通过现场调查、有效风量率计算、通风阻力计算，分析发现4102工作面在采用切顶卸压沿空留巷技术后，41021巷、工作面、41022巷的有效风量率分别为96.4%、92.7%、90.5%，远大于《规程》要求;通风阻力分别为0.0864、0.0855、0.0937，基本与常规认知的进风段、用风段及回风段的比值满足3∶3∶4相一致，因此4102工作面通风可靠性较高，能够满足生产要求。

【参考文献】

[1]张璟.工作面通风系统优化与堵漏风技术分析[J].山西能源学院学报，2018，31（3）：47-49.

[2]董云胜，李鹏.煤矿回采顺槽沿空留巷技术的应用[J].山西能源学院学报，2017，30（1）：12-13，20.

[3]乔志刚.Y型通风采空区漏风流场数值模拟技术研究[J].能源与节能，2019（8）：111-113，120.

[4]常宾.沿空留巷Y型通风系统瓦斯治理技术研究[J].矿业装备，2019（4）：144-145.

[5]穆三奴，白彦文.沿空留巷“Y型”通风无煤柱开采技术实践[J].山东煤炭科技，2019（7）：59-60，63.

[6]樊利红.沿空留巷Y型通风设计应用[J].山东煤炭科技，2017（10）：99-101.

[7]王绪友，王连涛，陶维国，等.济宁二号煤矿沿空留巷工作面通风系统优化研究[J].矿业安全与环保，2016，43（1）：77-80.

[8]陈向军，何满潮，周鹏，等.切顶卸压自成巷开采工作面通风安全可靠性分析[J].煤矿安全，2018，49（11）：183-189.