切顶留巷综采面采空区防漏风技术研究

于大河，王 怡，孙祥科，李洪先，徐书荣，任广意

(1.贵州安晟能源有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州金沙龙凤煤业有限公司，贵州 毕节 551800； 3.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；4.贵州黔西能源开发有限公司，贵州 毕节 551700；)

切顶留巷开采技术具有巷道掘进量少、巷道掘进事故率低、矿井采掘衔接矛盾小、煤炭回收率高、工作面局部范围内周期压力低等优势[1]。但是，该技术要求工作面的通风方式必须为“两进一回”或“一进两回”的“Y”型通风[2]。在切顶留巷开采方式和“Y”型通风方式的复合作用下，采空区的漏风范围及漏风量进一步加大，其自然发火具有位置不易确定、自燃高温范围大、自燃“三带”分布不规律、高温点分散、发生火灾后难以扑灭等特点，导致本工作面和邻近采空区遗煤的自燃危险性大大增强[3]。目前针对采空区遗煤自然发火的问题，主要有注浆、注惰性气体、压注凝胶和粉煤灰胶体等防灭火技术[4，5]。孙守义[6]针对切顶留巷“Y”型通风方式下，工作面采空区漏风量大、煤层易自燃的特点，提出了集压注惰性气体控制火势、加快工作面推进速度、精准压注高分子材料等一体化的综合治理方案，取得了良好的防灭火效果；袁建红[7]以店坪煤矿204切顶卸压沿空留巷开采工作面为试验面，通过采用两进一回的W型通风方式，有效地降低了采空区两侧风压，减少了采空区漏风，使得采空区氧化带范围得到明显降低；宋立兵[8]针对切顶卸压留巷工作面“开式采空区”，通过优化通风系统、注浆、注氮、均压以及地表堵漏防灭火等措施，降低了采空区遗煤自燃的风险。

通过对研究成果的分析，可以看出矿井开采条件、煤层自燃倾向性、留巷的位置、通风方式等条件不同，其采空区的漏风形态及自燃特点也不尽相同，需要针对具体的工作面采取有针对性的措施，才能降低或消除切顶留巷开采条件下的采空区自然发火威胁[9，10]。本文针对青龙煤矿21606综采面运输巷切顶留巷、开采初期的刀把型布置、煤层含硫高以及采用“Y”型通风方式等实际情况，采用数值模拟和现场实测相结合的方式，分析了切顶留巷条件下采空区的漏风流场，确定了采空区的自燃危险区域，制定了以封堵漏风为主的防火方案，保证了工作面的安全回采，对切顶留巷无煤柱开采技术的推广应用，提供了安全保障[11]。

1 工作面概况

青龙煤矿21606综采面采用刀把型布置方式，切眼宽度为110m，补切眼宽度为60m，工作面走向长度为1556m；所采煤层为16#煤层，厚度为1.0～4.1m，平均厚度为2.6m，煤层为中高硫煤，全硫平均含量为2.43%；16#煤层的自燃倾向性鉴定为Ⅲ类不易自燃煤层，但在实际开采过程16#煤层曾多次发生过高温隐患。16#煤层上覆岩层依次为1.7m的炭质粉砂岩、4.9m的粉砂岩和10.8m的细砂岩，切顶留巷布置在21606运输巷，切顶范围为煤层顶板以上15m的粉砂岩岩层，留巷主要为21608工作面的瓦斯治理预留时间和空间。工作面采用“Y”型通风方式，即21606运输巷进风、20606回风巷与切顶留巷段回风，切顶留巷的风流经通风立眼进入到21606底抽巷。工作面通风系统如图1所示。

图1 21606工作面通风系统

2 切顶留巷采空区漏风场模拟

2.1 物理模型与边界条件

根据21606综采面的实际布置参数，建立数值模拟的物理模型，模型尺寸为300m×170m×15m。其中，切顶留巷采空区长度为300m(补回风巷长度175m)，宽度为170m(切眼长度为110m)；回风巷和运输巷的尺寸为：宽4.5m，高2.7m；切顶留巷的尺寸为：宽4.1m，高2.7m。选择COMSOL软件中的“多孔介质和地下水流”模型；设置风流入口边界为速度入口边界，将风流出口边界设为自由出入边界；将综采面、运输巷、回风巷与采空区之间的边界设置成内部边界，流体可以自由通过；将切顶留巷与采空区之间的封堵墙设置成多孔介质区域；其余没有设置的边界默认为固体壁面边界，且边界与外界环境没有热量交换。数值模拟模型的建立只考虑采空区内部漏风，不考虑地表漏风[12]。

2.2 网格划分

为保证计算结果的准确性，在求解运算前要对局部复杂变化区域的网格进行加密处理[13]。由于切顶留巷的存在，切顶留巷附近的采空区漏风形态复杂，加之采空区与切顶留巷之间构筑了墙体，改变了该区域的空隙率和渗透率演变规律，因此对该区域的网格进行了加密处理，划分时将网格单元大小设置为较细化网格[14]。其余位置将网格单元大小设置为常规网格。经过上述设定后，三维模型完整网格包含1438039个域单元、109753个边界元和3822个边单元，且网格划分全部收敛质量较好，采空区物理模型如图2所示。

图2 采空区物理模型

2.3 切顶留巷采空区漏风场分布

在COMSOL软件的“自由和多孔介质流动”模块中，将设定的物理模型和边界条件带入，可解算得到切顶留巷采空区空隙率三维分布规律，如图3(a)所示。从图3(a)中可以清楚地看到切顶留巷采空区空隙率呈“O”形圈分布，越靠近综采面采空区的空隙率越大，越远离综采面采空区的空隙率则越小；而在综采面附近的采空区空隙率，则沿着高度方向逐渐变大；水平方向上的空隙率沿采空区中间位置向上下隅角处逐渐增大，空隙率在上下隅角附近最大，最大值为0.8。

图3 切顶留巷采空区空隙率和渗透率分布

通过对21606综采采空区内冒落煤岩进行勘察，发现冒落煤岩的平均粒径为0.45m。在模型中设置相应参数，解算得到切顶留巷采空区渗透系数的三维分布规律，如图3(b)所示。可以看出，采空区渗透率与空隙率分布规律类似，在工作面附近0～30m的范围内较大，沿巷道上下隅角向采空区深部逐渐减小，在采空区深部和中部较小。

对21606切顶留巷采空区进行漏风模拟时，将进风巷设定为风流入口边界，风流垂直于入口边界进入模型，风速设定为2.78m/s。将回风巷和切顶留巷通风立眼设定为风流出口边界。解算可得采空区漏风压力大小和漏风速度分布，如图4、图5所示。

图4 采空区漏风压力分布

图5 采空区漏风速度流线分布

由图4可以看出采空区漏风风压在综采面、上下隅角和通风立眼附近较大，在采空区内部较小。由图5可以看出，切顶留巷“Y”型通风模式下，采空区漏风风速沿远离综采面的方向明显衰减，在采空区深部，特别是靠近补切眼和补轨道巷的地方，漏风流速很小甚至为零。采空区漏风路径主要为：从下隅角进入，经采空区流向上隅角或通风立眼处。

2.4 切顶留巷采空区氧浓度场分布

在切顶留巷采空区漏风场模拟的基础上，利用COMSOL模拟软件的“多孔介质中的稀物质传递”模块，设置采空区初始氧浓度为零、进风巷氧浓度Co2=9.375mol/m3。设置切顶留巷采空区内的氧气扩散系数为D采o2=3e-5m2/s、封堵墙的氧气扩散系数为D墙o2=2e-5m2/s[15]。对模拟结果进行后处理，得到了21606切顶留巷采空区三维空间的氧浓度场演变规律，如图6所示。

图6 21606采空区不同高度处氧浓度分布

由图6可以看出，21606切顶留巷采空区的底部，由于空隙率较低，采空区内部氧气浓度较小，氧气浓度场趋于稳定；但随着空间高度的增加空隙率增大，氧气浓度也逐渐增大。在采空区内同一水平高度，在工作面与通风立眼附近处氧浓度较高，这是因为工作面与通风立眼处的采空区空隙率较大，漏风速度也相对较大，致使氧气浓度集聚升高。

3 模拟结果现场验证试验

3.1 测定方案

为了验证数值模拟的可靠性和准确性，结合21606切顶留巷综采面实际情况，当综采面回采至300m时开展了SF6气体示踪试验。在21606运输巷距离综采面50m处(距通风立眼350m处)连续释放SF6气体。在工作面、回风巷和切顶留巷内均匀布置测点，测点布置如图7所示。首先将纯度为99.99%的SF6气体(30kg)一次性释放，持续释放30min，之后在各采样点进行气体采样[16]。0～5min内，每隔1min采样一次；5～30min内，每隔5min采样一次；30min后，每隔15min采样一次，整个采样时间共持续180min。

图7 21606采空区测点布置与漏风路径

3.2 测定结果

21606切顶留巷综采工作面各测点SF6示踪气体采样分析结果如图8所示。1#测点检测结果反映了流向工作面和切顶留巷段的SF6气体情况，5#、9#测点分别反映了回风巷和通风立眼处风流流出的情况；由2#、3#、4#测点的SF6浓度变化规律可以看出，在30min停止释放SF6气体后，2#测点SF6气体浓度急剧下降，3#、4#测点在30～40min时仍维持较高浓度SF6气体，且只有4#测点SF6浓度在100min和130min时峰值出现波动，由此可推断，在工作面和下隅角到4#测点处至少存在两条漏风路径；通过对比分析6#、7#、8#、9#测点的SF6浓度可知，前40min内7#、8#、9#测点测得SF6浓度变化规律相似，且6#测点测得SF6浓度远大于7#测点，说明切顶留巷漏风主要集中在前半段；9#测点在100min和150min时出现两次SF6浓度峰值，这说明在切顶留巷存在漏风通道使得SF6示踪气体通过封堵墙进入采空区最后又汇集至通风立眼处。

图8 不同测点处SF6体积分数分析结果

根据文献[17]计算方法，通过计算得到SF6示踪气体通过21606工作面及切顶留巷后减少的质量，计算出的漏风率k1为6.02%。根据以上计算与分析结果可以推断出青龙煤矿21606切顶留巷综采面采空区漏风的基本路径，如图7所示。由图7可以看出，利用SF6示踪气体试验测出的21606采空区漏风路径与数值模拟出的漏风路径基本一致，在上下隅角以及通风立眼处漏风量最大。为制定工作面、上下隅角以及切顶留巷处的防漏风措施提供了理论依据。

4 切顶留巷采空区防漏风措施

4.1 切顶留巷及通风立眼处堵漏措施

由漏风模拟和现场试验结果可知，切顶留巷段漏风量较大，特别是通风立眼处。因此，在21606运输巷自切眼位置开始300m的回采范围内，采取砌墙并对墙体进行喷浆的堵漏措施。切顶留巷砌墙墙体厚0.6m，为保证预留巷道的宽度，砌墙时以切缝作为参考，切缝往里200mm，切缝往外400mm。为防止墙体倾斜，砌墙时必须掏基槽，基槽深度不低于0.5m且见硬底，砌筑墙体时纵向横向每隔0.8m×0.8m预埋一根锚杆，墙体外侧锚杆与锚杆之间用钢筋梯相连接，墙体内侧仅横向连续，切顶留巷墙体施工如图9所示。

图9 切顶留巷墙体施工

墙体施工竣工后，对砌墙段墙体喷浆，喷浆厚度不得低于100mm，对砌墙段顶板喷浆，喷浆厚度不得低于200mm，通风立眼处漏风量较大喷浆厚度不得低于300mm，并在墙体下方距底板300mm位置留设排水孔。墙体侧初次喷浆紧跟砌墙进度，滞后砌墙进度不大于5m，初次喷浆厚度120mm，待留巷内的围岩运动和顶板压力基本趋于稳定后，再对墙体进行复喷，复喷厚度80mm，喷浆总厚度200mm。

4.2 工作面及上下隅角处防漏风

由模拟结果可知21606采空区内的漏风主要集中在综采面和上下隅角，因此可采取以下措施来减少采空区内的漏风。

1)每当综采面回采30m后，在液压支架前梁位置对综采面顶板进行松动爆破，沿工作面每1.5m布置一个钻孔，孔深为15m；孔径50mm，配合PVC管装药；装药方式为“4+4+4+4+3+3+3+3”，共28节药，重量8.4kg；封孔长度不小于3m，如图10所示。松动爆破后，采空区顶板在跨采后快速垮落，以减小采空区的空隙率，从而减少向采空区的漏风[18]。

图10 21606综采面切顶

2)在工作面回采过程中，及时对遗煤喷洒阻化剂，减弱采空区遗煤的氧化活性。在工作面推进过程中，在回风巷、上隅角处每20m砌筑一道沙袋墙，沙袋墙厚度不小于1m，并喷涂施密特防漏风材料，如图11所示。

图11 喷洒阻化剂及砌筑沙袋墙

4.3 切眼及补切眼处防漏风

综采面在切眼及补切眼处回采时，所采取的防漏风措施有：

1)工作面回采前，在底抽巷对切眼穿层条带钻孔进行封堵，根据回采进度对21606运输巷、回风巷中的穿层条带钻孔进行及时封堵。

2)在三角煤区域及21606回风巷沿空侧全断面喷浆，在切眼三角煤区域非采帮、补回风巷三角煤区域、补切眼回风隅角、回风巷沿空侧进行喷浆堵漏，喷浆厚度大于100mm。

3)在补切眼三角煤区域，由于存在F54(133°∠41°H=5～10m)逆断层，煤体破碎，为避免该区域进入采空区后发生快速氧化，对煤体预先压注凝胶充填孔洞，减少对煤体的漏风供氧。

凝胶因成型时间快，常用于重点区域防漏风，根据压注凝胶地点的漏风强度和注胶距离的远近，需压注不同配比的凝胶，从而达到预期的堵漏效果[19]。为此，通过实验获取了凝胶的最佳配比参数，实验结果见表1。

表1 凝胶配比实验数据

在实验组别的2到8组，胶凝时间在7～110min之间，对不同比例下的凝胶成型时间进行对比分析可以得出，在水与小苏打的比例相同的情况下，增加水玻璃的量会使凝胶成型时间大大缩短。在井下进行注凝胶时，根据凝胶液体从注浆泵流到采空区的时间选择不同的配比，以达到最好的堵漏效果。

4.4 效果分析

采取以上综合防漏风措施，在工作面推进到300m时，经现场实测21606运输巷进风量为2024m3/min，风速为2.78m/s；回风巷的风量为1755m3/min，风速为2.41m/s；因切顶留巷液压支架较多风阻较大，测得通风立眼处的风量仅为145m3/min，风速为0.22m/s。根据文献[20]计算方法，计算得到21606切顶留巷综采面漏风率k2为6.13%，远小于其它邻近工作面漏风率。

通过采取以上综合防漏风措施，在21606工作面推进的前300m过程中，采空区切眼预埋监测束管经取样、监测分析发现采空区内CO浓度始终保持在0.020‰以下，未发生CO浓度异常增加情况；安装在21606回风巷低负压抽采管路上的一氧化碳传感器监测到最大CO浓度为0.014‰；安装在工作面上隅角以及回风巷的T0、T1一氧化碳传感器监测CO浓度均较低，未发生超限报警事故，实现了21606工作面的安全回采。

5 结 论

1)通过数值模拟与现场试验得到了青龙煤矿21606切顶留巷采空区漏风规律：风速沿远离综采面的方向明显衰减，在采空区深部，特别是靠近补切眼和补回风巷的地方，漏风流速很小甚至为零。采空区漏风路径主要为：从下隅角进入，经采空区流向上隅角或通风立眼处。

2)针对数值模拟得到的主要漏风区域，通过在切顶留巷及通风立眼处采取砌墙并进行喷浆处理、工作面进行切顶爆破、在补回风巷和回风巷上隅角处砌筑沙袋墙、在切眼及补切眼处进行喷浆和及时封堵瓦斯抽采钻孔以及补充压注凝胶等综合措施，有效减小了21606切顶留巷采空区的漏风，降低了工作面自然发火风险。

3)采取综合防漏风措施后，实际测得21606切顶留巷综采面漏风率为6.13%，远小于其它邻近工作面漏风率；在21606工作面推进的前300m过程中，采空区内CO浓度始终保持在0.02‰以下，未发生CO浓度异常增加情况；在回风巷低负压抽采管、工作面上隅角以及回风巷处监测CO浓度均较低，未发生超限报警事故，实现了21606切顶留巷综采面的安全回采。