无煤柱前进式U型通风工作面“一通三防”技术可靠性分析

2023-01-12胡世洛杨应迪副教授

安全 2022年12期

胡世洛杨应迪副教授

(安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232000)

0 引言

我国煤炭资源储量相对丰富，纵观2021年，我国煤炭资源的消耗量在一次性消耗能源中占比达60%[1]。在煤炭资源的开采过程中，留护巷煤柱的后退式开采占据主流。但是这种开采方法需要预先掘出运输大巷，前期的工程准备工作量大，经济投入大，投产晚，且遗留的护巷煤柱造成开采浪费。无煤柱前进式开采工作面投产快，初期工程量和基建投资少，且开采度高[2-3]。但是前进式开采过程中，巷道中的风流更容易向采空区流入，容易引发矿井火灾，对井下构筑物和井下工作人员的生命安全造成威胁。因此，通过研究一通三防技术，确保无煤柱前进式开采的安全进行，保障井下人员生命和财产安全，可以带来较好的经济收益[4-7]。

煤炭行业相关学者在研究无煤柱开采技术[8]的过程中，无煤柱开采原理及工艺、煤岩中的应力分布、顶板垮落数学模型方面是重点研究对象，而对该种开采工法下一通三防工作领域中存在的安全问题研究则略显不足。波兰学者TUTAK[9]分别模拟出U型前进式和U型后退式2种通风方式下的氧气场和速度场，得出内源火灾高风险区域风速大小为0.001 5～0.02 m/s，氧气浓度的最小值大于8%，并且U型前进式内源火灾高风险区域明显大于U型后退式。现阶段通过数值模拟来研究采空区漏风强度和漏风分布规律[10]，由于实际采空区高度复杂，再加上数值模拟是在诸多假设条件下完成的，而这些假设条件与实际情况有一定的偏差。因此所得结果在理论方面的价值更高。如果想要得到更加真实的结论，则需要结合工作面采空区的实际情况进一步对比研究，以提高数值模拟的准确性和实用性。

以柠条塔矿拟采N1217工作面为工程背景，针对无煤柱前进式开采工法下工作面的一通三防工作展开分析，为工作面的安全开采奠定理论基础。

1 无煤柱前进式U型通风开采工作面工法介绍

1.1 N00工法发展历程

何满潮院士团队对传统111工法的长期研究提出切顶短臂梁理论[11]，该理论的诞生为煤矿井下矿压灾害防治提供新的技术思路。基于该理论及其关键技术，何满潮院士团队提出110工法[12]。何满潮院士团队在此基础上进一步提出N00工法[13]，该工法可同时实现无煤柱开采和自成巷技术。

1.2 2GN00工法介绍

2GN00工法是在N00工法实验研究基础上，为了满足双侧切顶留巷的目标提出的，是N00工法的进一步优化和升级[14]。

2GN00工法示意图，如图1。该工法利用切顶短臂梁理论进行双侧留巷，提前切顶，利用矿压做功，让留巷侧采空区尽早冒落压实，及时形成设计的巷道，满足二次使用要求，达到采留一体化作业，自采自留。从源头上取消先掘进后采煤的长壁后退式采煤模式，极大地减少了回采巷道的掘进量、掘进工作面个数和作业人数，提高回采率[15-16]。

图1 2GN00工法示意图Fig.1 Schematic diagram of 2GN00 construction method

2 工程背景

2.1 工作面概况

陕煤集团柠条塔煤曾在S1201工作面开展110工法生产试验项目，并取得较好的实验效果[17]。

柠条塔煤矿N1217工作面位于井田北翼2-2煤生产系统以西，N1213工作面西北侧，为北翼盘区西部第9个工作面，与N1213工作面之间间隔了N1215工作面。N1217工作面走向长3 010m，倾斜长300m，面积903 000m2，工业储量2.45Mt，可采储量2.40Mt，工作面位置示意图，如图2。

图2 N1217工作面示意图Fig.2 Schematic diagram of N1217 working face

2.2 通风方式介绍

N1217工作面拟采用2GN00工法回采2-2煤层。相较N00工法而言，2GN00工法采用长壁前进式采煤方法，通风方式采用U型前进式。2GN00工法在回采初期不再单独布置顺槽或者盘区边界巷道，通过前进式回采，利用切顶卸压自动成巷技术形成工作面两侧顺槽，其工作面布置，如图3。

图3 2GN00工法工作面布置示意图Fig.3 Schematic diagram of the layout of the working face of the 2GN00 construction method

3 无煤柱前进式U型通风工作面“一通三防”特性

3.1 通风系统特性

(1)风流运输路线。N1217工作面采用负压独立通风系统，由工作面胶运顺槽进风，工作面回风顺槽回风，其污风直接进入2-2煤北翼回风大巷。其通风线路为：新鲜风流，进风井→北翼2-2煤胶运大巷、北翼2-2煤辅运大巷→N1217胶运顺槽→N1217工作面；污风流，N1217工作面→N1217回风顺槽→北翼2-2煤回风大巷→北翼回风斜井。工作面通风系统示意图，如图4。

图4 N1217工作面通风系统图Fig.4 Ventilation system diagram of N1217 working face

(2)N1217工作面通风系统安全性分析。2GN00工法开采工艺不留煤柱，开采预留靠近采空区侧的巷道壁由垮落的碎石组成；此外，N1217工作面采用抽出式通风系统，回风留巷内气压将明显低于工作面和进风巷气压。在气压差作用下，若因切顶卸压成巷出现墙体接顶不实、墙体局部压裂等问题，进风巷及工作面风流易流入采空区，加重采空区漏风程度，容易引起通风系统紊乱，从而进一步引发火灾等安全事故。

(3)数值模拟分析。根据实际工程，建立2GN00工法拟开采工作面采空区物理模型，并利用FLUENT数值模拟软件进行求解计算，得到采空区风速流线，如图5。

图5 采空区速度流线图Fig.5 Velocity streamline diagram of goaf

由图5可知，距开切眼约50m范围内采空区的压实情况较好，漏风范围小，漏风量也相对较小。距开切眼50～250m，漏风范围较大，采空区中部压实情况较好，流入风流很大一部分流向靠近工作面处的采空区，漏风量较大。距开切眼250～300m，漏风情况复杂，漏风范围大，有进风顺槽和工作面双面漏风加上中部风流偏移流经该部分使得此处采空区氧气浓度大，极易发生煤自燃。

3.2 瓦斯灾害特性

柠条塔煤矿矿井瓦斯绝对涌出量2.02m3/min，相对涌出量0.05m3/t，属低瓦斯矿井。2-2煤层处于瓦斯风化带，瓦斯含量较低，工作面开采过程中瓦斯涌出量较小。拟采工作面N1217的相邻工作面最大瓦斯绝对涌出量0.03m3/min，瓦斯涌出量较低。

3.3 火灾特性

3.3.1 矿井煤层自燃特性

根据陕西安技煤矿安全装备检测有限公司2019年04月29日出具的《煤尘爆炸性、煤自燃倾向性》鉴定报告，2-2煤层属Ⅰ类容易自燃煤层。根据中煤科工集团重庆研究院有限公司2019年06月19日出具的《煤样最短自然发火期实验报告》，经实验得出2-2煤层最短自然发火周期为36天。

3.3.2 自然发火性

2GN00工法开采工艺容易产生漏风，改变采空区遗煤氧化“三带”分布特性，使散热带和自燃带的宽度在靠近进风侧较大，同时会增加自燃危险区域的宽度。如果漏风量、漏风风速、漏风通道及遗煤堆积等条件满足，还会造成采空区内遗煤自燃。2GN00工法开采工艺可能导致的火灾问题如下：

(1)反复漏风诱发煤自燃特性的改变。2GN00工法会在采空区两侧形成巷道，并分别用于进风巷和回风巷，会导致采空区一直处于漏风状态，或者堵漏后再次发生漏风，使首次氧化的煤样在隔绝氧气后会再次接触氧气，改变煤的自燃特性。

(2)漏风规律及漏风通道多变，易诱发煤自燃。2GN00工法采用垮落的顶板作为留巷的主体，由于顶板垮落过程中容易产生破裂且结顶难，在开采初期，漏风速率和漏风量与传统的开采工艺有很大差别。此外，采空区两侧在压力差及采动影响下，采空区的其他位置也极易产生漏风通道，当漏风量、漏风风速及遗煤堆积等条件满足时会造成采空区内遗煤自燃。

(3)自燃三带发生变化。2GN00工法条件下，由于采空区时刻暴露在进、回风巷道内，很难避免完全不漏风情况的出现，在这种情况下，自燃三带的变化将出现较难预测的情况。在开采初期，漏风速率和漏风量很大，形成散热带，但是随着堵漏措施的实施，漏风量逐渐减小，会使同一区域过渡到氧化带，从而诱发煤自燃。

3.4 粉尘灾害特性分析

N1217工作面设计采用一次采全高工艺，生产能力的提升也带来极为严重的粉尘污染问题。同时，N1217工作面采用2GN00工法后，通风系统采用U型前进式通风方式，工作面推进过程中在采空区两侧采用爆破切顶工序形成留巷，随之也带来新的粉尘问题：

(1)工作面尘源特征及运移规律的改变。N1217工作面采用2GN00工法后会在采空区两侧形成巷道，作为进、回风巷道，采煤工作面通风工况与后退式开采发生改变，此过程中爆破切顶、巷道支护、截割等工序产生的粉尘污染物在井下受限空间内的扩散及沉积规律也会随之改变，对降尘、隔爆装置的合理布置可能存在一定影响。

(2)N1217工作面存在煤尘爆炸风险。根据陕西安技煤矿安全装备检测有限公司鉴定报告，测定结果为：煤尘爆炸时，焰长均≥400mm，具有爆炸性。煤矿井下可能引起煤尘爆炸的火源有电气火花、摩擦起火、电焊火花等。采用2GN00工法后工作面风流会在采空区两侧形成风压差，容易诱发煤自燃，并且爆破切顶工序也可能产生火焰。因此，在工作面生产期间不允许空气中煤尘达到爆炸浓度。

4 无煤柱前进式U型通风工作面“一通三防”技术措施

4.1 通风保障措施

N1217工作面回采通风系统安全保障主要是从工作面配风量计算、实施与监控保障入手，在确保工作面风量满足需风要求、通风系统阻力满足规范要求、主要通风机运行在安全区间、通风网络结构科学合理、风量风质达到规程要求的前提下，进而保障工作面回采期间的工作面局部通风系统与矿井通风系统的安全可靠，拟定的具体措施如下：

(1)工作面空间关系与通风网络结构关系。利用矿井工程平面图和通风系统图绘制矿井三维立体图，结合三维矿山软件分析N1217工作面采空区与同煤层采空区、近煤层采空区，以及与地表之间的空间位置关系，找出与N1217工作面采空区及巷道相互关联的所有通道。

(2)工作面及系统需配风优化模型及最佳风量的确定。将2GN00工法采空区分为压实段、封堵段、未封堵段，利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)数值模拟技术确定不同阶段的采空区漏风系数。科学计算全矿井的需风量，合理分配矿井的风量，可以提高矿井有效风量率，达到降低采空区压差，继而达到降低采空区漏风量的目的。

(3)工作面通风系统及控风体系建立。根据分段式漏风系数划分机理，结合工作面推进速度及采空区封堵进度，划定分级监测区域，为各区域配备压力、风速、温度、密度等相关通风参数的传感器，实时监测相应区域的风量和风质情况。根据通风网络实时解算，基于矿井智能通风技术和N1217工作面控风模型，采用矿井通风系统远程集中管控系统对主要通风机、局部通风机及相关通风设施进行远程调控，对N1217工作面进行风量自动调校，保障回采期间通风系统稳定可靠。

4.2 瓦斯防治措施

因2-2煤层处于瓦斯风化带，瓦斯含量较低，工作面开采过程中瓦斯涌出量较小，矿井可以采用以风排为主，安全监测监控、人工巡检等措施相结合的瓦斯综合防治措施。

4.3 防灭火措施

(1)反复漏风诱发煤自燃特性的危险性分析。结合现有煤自燃倾向性、发火期以及110工法和N00工法获得的采空区自然发火危险性数据，分析采用2GN00工法后，反复漏风导致持续的通风供氧条件下，诱发煤自燃特性的危险性。

(2)采空区自燃三带演化规律。采用现场埋设抽气管路，通过管路抽取采空区气样，送入气相色谱仪进行分析，采集采空区距工作面不同距离处气样，研究O2、CO、CO2等气体浓度随工作面推进距离的动态变化规律；通过埋设的温度探头测定采空区温度变化情况，测试采空区距工作面不同距离处遗煤温度，研究采空区中煤温在工作面推进过程中的动态变化规律；根据N1217工作面采空区内部温度、气体浓度随着工作面推进的变化规律，确定工作面采空区自燃三带并计算工作面最低推进速度。最后结合CFD数值模拟技术，加以定性验证。

(3)采空区监测与预警技术。建立由束管监测系统、人工取样分析系统、传感器检测系统组成的采空区预警监测系统和以光纤传感为主体的采空区温度监测预警系统。

(4)采空区多层次煤自燃防控技术。N1217工作面前进式开采中最大的问题是漏风诱发煤自燃，故采空区煤自燃防控技术以堵漏为主，注浆、注氮及喷洒阻化剂为辅，采取多层次采空区煤自燃综合防控技术。在开采前期，采空区未封堵或者已经封堵，但是其封堵效果未经验证，此时采空区漏风量较大，则应注浆增强采空区的密闭性。在开采后期，采空区封堵措施良好，采用注氮的方式降低采空区氧气浓度，防治采空区煤自燃。

4.4 粉尘防治措施

(1)工作面尘源特征及运移规律。结合现场调研的实际数据，利用CFD数值模拟软件，采用基于同位网格的压力耦合方程组的半隐式(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE)方法对采煤工作面粉尘分布规律进行数值模拟，得到粉尘在采煤工作面的扩散规律，保障工作面防尘技术措施的有效落实。

(2)工作面煤尘爆炸特性及防控措施。采煤生产作业期间产生的大量粉尘，一部分随着通风流带出工作面，另一部分在巷道中沉积下来。根据柠条塔矿N1217采煤工作面生产过程中尘源特征分析结果，结合巷道通风参数开展实验室试验，研究煤尘起爆的临界状态参数与环境指标参数之间的耦合变化关系。分析尘源爆炸危险程度及煤尘沉积的可能位置，采取高效降尘、除尘技术对生产过程中产生的粉尘进行捕集，完善现有工作面防爆措施及制度，极大程度上降低工作面煤尘发生爆炸的危险性。