切顶卸压工作面通风安全可靠性分析

【摘 要】 为了分析切顶卸压留巷工作面通风安全可靠性，文章在结合42206工作面地质资料基础上，分别研究了采煤工作面瓦斯、风速、粉尘、采空区遗煤自燃等特征及可能对采面生产造成的影响。结果表明：1）采用切顶卸压留巷技术后，由于取消护巷煤柱，采煤工作面采空区内不存在煤柱引起的松散三角区，减少了采空区漏风通道;2）采煤工作面为Y型通风系统，消除传统工作面通风方式存在回风巷上隅角瓦斯治理难题;3）采煤工作面内粉尘产生量与传统方式基本一致，不会增加粉尘危险性。因此，可以为类似条件矿井提供借鉴。

【关键词】 切顶卸压留巷;通风方式;安全性;护巷煤柱;采空区

【中图分类号】 TD724 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）03-0023-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

传统的回采工作面采用护巷煤柱方式保护回采巷道，存在巷道掘进工作量大、煤炭采收率低等问题。经过多年技术研究，何满潮院士提出采用切顶卸压沿空留巷方式实现无煤柱开采，一个回采工作面仅需要掘进一条回采巷道，即可满足矿井生产、运输以及通风需要，并在山西、河北以及陕西等地区得以推广应用。文中就采用切顶卸压留巷的回采工作面通风安全可靠性进行分析研究，以期能在一定程度上促进切顶卸压留巷技术应用。

1工程概况

山西某矿设计产能2.8万t/a，42206工作面开采2号煤层，采面采用的切顶卸压留巷形式，具体位置见图1，采面设计走向、斜长分别为2330m、280m，区内2号煤层厚度平均4.2m。上覆基本顶为粗砂岩（厚度5.8～20.98m），直接顶为粉砂岩（厚度2.89～5.63m），直接底为粉砂岩、砂质泥岩（厚度0.3～1.5m），基本底为中砂岩（厚度12.1～13.7m）。开采的2号煤层平均埋深在290m，属于N2—CH4带，煤层有自燃发火倾向性，煤尘有爆炸危险性。

2采面巷道布置及通风方式

运用切顶卸压留巷技术时，在盘区内布置集中轨道、运输、回风下山，盘区内首采工作面通过运输下山作为进风巷，回采工作面切顶卸压留巷巷道作为回风巷道;采面开采后，切顶卸压留巷巷道作为下一采面进风巷，依次开采。支护采用恒阻大变形锚索（直径21.8mm、长10.5m、恒阻值35t）+金属网（8#铅丝编制，长10m、宽7.2m），每排布置5根锚索，排距为0.8m，巷道走向方向每3根锚索用1.9m长W钢带连接。金属网铺设通过端头支架、过渡支架实现自动铺设。切顶卸压是在切顶卸压支架、锚索以及金属网铺设后进行，切顶后巷道顶板压力通过恒阻大变形锚索、切顶支架共同承担，确保巷道安全。

采用切顶卸压留巷技术后采面生产期间该巷道前段为进风巷，后段为回风巷，采面形成Y型通风方式。该通风方式具有结构简单，进、回风巷风流方向一致，回采巷道通过留巷形成，避免采面出现上隅角瓦斯超限。

3采面通风安全性分析

3.1采面漏风分析

传统煤炭开采方式下顶板在丢弃的护巷煤柱支撑下不能充分卸压，在煤柱附近形成松散三角区，在该区范围内煤岩体内裂隙发育，是采面漏风的主要通道，从而有造成采空区内浮煤自燃危险性，同时采空区内的CH4、CO等有害气体通过松散三角区裂隙向采面上隅角逸出，造成采面上隅角CH4、CO超限，每个采面后方采空区内均存在两个松散三角区，具体分布见图2（a）。采用切顶卸压留巷技术后，采面巷道与已采面采空区间无煤柱，回采巷道通过切顶卸压留巷实现，采空区内顶板压力得以充分释放，垮落岩层在重力作用下逐渐被压实，不存在松散三角区，减少临近采空区的漏风通道，具体见图2（b）。

分析采用切顶卸压留巷的42206工作面通风时采面漏风规律，采用ANSYS软件模拟Y型通风时的风流分布情况，具体得出的在相距机头35m、100m、200m以及机尾处风速分布见图3。

从上图看出，采空区漏风量约占据到采面配风量的29%，其中在进风巷上隅角处漏风量约占7.5%，在距采面煤机头35～100m范围内漏风量约占3.5%，在距采煤机机头100～200mm范围内漏风量约占5%，200m以外到机尾段漏风量约占13%。漏风主要集中在采面进风巷上隅角，采面与留巷所形成的范围约65m的三角区内。在采面机尾处仍有71%风量，采面计划的配风量为1600m3/min，机尾处风量仍有1136m3/min，风速约为0.85m/s，在机尾处不会形成无风或者微风。

综上分析，在42206采面采用切顶卸压留巷技术后，形成的Y型通风系统消除采面与临近采空区间松散三角区，减少采空区漏粉通道，降低了采面上隅角CH4、CO等有害气体浓度，改善了采面作业环境。因此，切顶卸压留巷后采面形成的Y型通风系统安全性在一定程度上高于传统U型通风方式。

3.2防治瓦斯超限分析

42206采面开采的2号煤层位于N2—CH4带，2019年瓦斯等级鉴定结果表明，矿井绝对、相对瓦斯涌出量分别为90.85m3/min、1.52m3/t。

从图3可以看出，切顶卸压留巷后采面采用Y型通风系统，除小部分风流从采面后方支架处经采空区向留巷排出外，其绝大部分新鲜风流流经采场从回风巷排出。分风流通过采面通过，采面处于新鲜风流中，同时Y型通风消除回风巷上隅角瓦斯积聚，但是采面后方的留巷段存在一定瓦斯超限可能。邻近42208采面生產期间回风巷内瓦斯浓度在0～0.03%，瓦斯涌出量最大为0.4m3/min。考虑到42208采面与42206采面为同一瓦斯地质单元，切顶卸压留巷后采面瓦斯涌出量应与42208采面类似，因此，在42206留巷段不会出现瓦斯超限。

3.3防治采空区遗煤自燃分析

开采的2号煤层自然吸氧量为0.95cm3/g，自燃发火期为30天，属于容易自燃煤层。采用ANSYS对42206采面采用切顶卸压留巷后的采空区三带分布进行分析，并以漏风风速作为判定指标，风速在0.24m/min以上为散热带不自燃带;风速在0.1m/min以内为窒息带;风速在0.1～0.24m/min间为氧化升温带。

根据模拟结果从图4得知，在42208采面后方采空区内0～65m为散热带不自燃带、65～140m为氧化升温带、140m以外为窒息带。42206采面平均推进速度为9.6m/d，采面推进14.6d既可以通过氧化升温带进入窒息带，时间仅为煤层自燃发火期（30d）的1/2，属采面正常生产期间。同时由于采用切顶卸压留巷技术，采空区内遗留的煤炭较少，在一定程度上减少了采空区遗煤自燃的基础，降低了采空区自燃发火危险性。综合判定，采用切顶卸压留巷下，采面正常回采及通风时，采空区内遗煤自燃发火可能性极低。

3.4防治煤尘爆炸分析

当煤尘浓度在45～2000g/m3且遇到明火时，粉尘就有爆炸可能。采用切顶卸压留巷时采面采用综采方式，与传统采面开采方式基本一致。采面正常开采时工作面内粉尘浓度约为135mg/m3，移动支架时粉尘浓度约为60mg/m3，回风流中粉尘浓度约为48mg/m3。采面各处在正常通风条件下煤尘浓度远小于45g/m3，同时矿井自建矿以来，未出现过煤尘爆炸事故。因此，及时对采面、巷道内落尘进行清理，采面出現煤尘爆炸可能性极低。

4采煤工作面通风效果

42206采煤面从2018年12月10日开始生产，在生产过程中对进风巷、采面、留巷（回风巷）等处的风速，温度，CH4、CO浓度以及采空区内部温度、CO浓度进行监测。从监测结果可以得出，采面以及留巷内CH4最大浓度仅为0.03%，瓦斯绝对涌出量最大为0.31m3/min，且未发生瓦斯涌出异常现象;采面以及留巷内CO浓度介于0～8×10-6，平均为3×10-6，远小于《煤矿安全规程》规定的24×10-6;采空区内温度约为18℃，表明采空区内遗煤未有明显氧化升温现象。

5总结

回采工作面采用切顶卸压留巷技术后，采空区内传统护巷煤柱方式存在的松散三角区得以消除，同时也不存在回风巷上隅角瓦斯积聚现象;留巷后形成的Y型通风系统不会给采面造成无风、微风等情况。

42206采面内瓦斯涌出量小，采用的通风方式不会给采面生产安全带来不利影响，回风巷内瓦斯浓度在0～0.03%之间，采面采空区内遗煤在氧化升温带仅为煤层自燃发火期（30d）的1/2，同时由于切顶卸压留巷取消了护巷煤柱，采面采空区内遗煤量大幅减少，采空区遗煤自燃可能性降低。

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