煤礦切頂卸壓工作面通風的安全可靠性分析

李彥龍

（晉能控股煤業集團有限公司安全督察大隊，山西大同037003）

傳統的回采工作面存在巷道掘進工作量大、煤炭采收率低等問題。經過多年技術研究，有學者提出采用切頂卸壓沿空留巷方式實現無煤柱開采，一個回采工作面僅需要掘進一條回采巷道，即可滿足礦井生產、運輸以及通風需要，并在山西、河北以及陜西等地區得以推廣應用。文中就采用切頂卸壓留巷的回采工作面通風安全可靠性進行分析研究，以期能在一定程度上促進切頂卸壓留巷技術應用。

1 工程概況

山西某礦山預計每年可以生產28000t的量。2號煤層在42206工作面開采。工作面采用切頂、泄壓、護巷的方法。該地區二號煤層的平均厚度在4m左右。上覆基層為粗砂巖（厚度5.8~20.98m），上覆層為粉砂巖（厚度2.89~5.63m），直接基層為粉砂巖和砂質泥巖（厚度0.3~1.5m），基層為中等砂巖（厚度12.1~13.7m）。開采的2號煤層平均埋深290m，屬于N2-CH4帶。煤層有自燃的趨勢，煤塵有爆炸的危險。

2 采面巷道布置及通風方式

當使用切割頂板的技術來緩解壓力和保留巷道時，集中的軌道，運輸和回風布置在面板區域中。面板中的第一個采煤面用作進山運輸的進氣道?；仫L巷道：采完工作面后，切開頂板以減輕壓力，然后離開該巷道作為下一個工作面的進氣道，并依次開采。支架采用恒電阻大變形錨索（直徑21.8mm，長10.5m，恒電阻值35t）+金屬網（8＃引線編織，長10m，寬7.2m），每排布置5根錨索，行距為0.8m，沿行車方向每3條錨索由一條1.9m長的W型鋼帶連接。金屬網會通過端部支架和過渡支架自動鋪設。頂切泄壓支架，錨索和金屬網布放好后進行頂切泄壓。頂切后，巷道頂板壓力由恒定阻力和大變形錨索和頂切支座共同承擔，以確保巷道的安全。切頂卸壓留巷工作面如圖1所示。

在生產期間，巷道的前段為進氣道，后段為回風道，采煤面形成Y形通風方式。該通風方法結構簡單，進氣道和回風道的氣流方向相同，采礦巷道由擋風道形成，以防止上面的角落氣體超過限值。

3 采面通風安全性分析

3.1 采面漏風分析

在傳統的煤礦開采方法下，在廢棄的巷道保護煤柱的支撐下，頂板無法完全卸除。在煤柱附近形成一個松散的三角形區域。在該區域內，煤和巖體會形成裂縫，這是開采面漏氣的主要通道。采空區中有自燃的浮煤燃燒的危險。同時，采空區中的CH4和CO等有害氣體會通過松散的三角形裂縫逸出到工作面的上角，導致工作面CH4和CO的上角超過極限。每個面后面的采空區中有兩個松散的三角形，具體分布如圖2（a）所示。采用割頂技術緩解壓力，保持巷道通暢，工作面巷道與采空面之間沒有煤柱。停止巷道是通過切割屋頂以釋放壓力并保持巷道來實現的。采空區的頂板壓力可以完全釋放，塌陷的巖石層在重力作用下逐漸被壓實，并且沒有松散的三角形區域，這減少了采空區附近的漏氣通道，如圖2（b）所示。

分析具有頂部卸壓和保持通道的42206工作面通風期間的漏風規律，并使用模擬軟件模擬Y型通風期間的氣流分布。從機器的機頭和機器的尾部分別獲得50m、100m、200m的特定風速。分布如圖3所示。

從圖3可以看出，采空區的漏風約占工作面空氣分布的近三分之一，其中進氣道上角的漏風約占7.5%，距采煤頭的漏氣量在35~100m之內?？諝庑孤┝考s為3.5%，距離采煤機機頭100~200mm范圍內的空氣泄漏量約為5%。200m以外的空氣泄漏到采煤機尾部約占13%，漏風主要集中在采煤面進氣道的上角，由采煤面和巷道保持處形成的三角形區域約為65m。采煤機尾部風量仍為71%，采工作面計劃風量為1600m3/min，尾部風量仍為1136m3/min，風速約為0.85m/s，尾部不會形成風或是微風。

基于以上分析，在42206采煤工作面采用采頂、卸壓、保巷的技術后，形成的Y形通風系統消除了采煤工作面與相鄰采空區之間的松散三角形區域，減少了漏風通道。在采空區中，并減少了采煤工作面的角落。CH4和CO等有害氣體的濃度改善了采煤工作面的工作環境。因此，切頂后離開巷道形成的Y形通風系統的安全性在一定程度上要比傳統的U形通風方法好一些。

3.2 氣體超標防治分析

在42206采煤工作面開采的第二號煤層位于N2-CH4區。2019年的瓦斯等級評估結果顯示，該礦的絕對瓦斯排放量和相對瓦斯排放量分別為每90m3/min和1.5m3/min。

從圖3可以看出，在切割頂板并降低壓力并離開巷道后，采煤工作面使用了Y形通風系統。除了從采煤工作面后面的支架通過采空區到巷道的一小部分氣流外，大部分新鮮氣流，采場從回風巷排出。分開的氣流穿過臉部，并且臉部處于新鮮氣流中。同時，Y形通氣消除了回氣道上角的氣體積聚，但是在面部后面的保留區域中，有一定的氣體超過極限的可能性。在相鄰的42208采煤工作面生產期間，回氣道的瓦斯濃度為0%~0.03%，最大瓦斯排放量為0.4m3/min?？紤]到42208采煤工作面和42206采煤工作面是相同的瓦斯地質單元，切開頂板并離開巷道后，采煤工作面的瓦斯排放量應與42208采煤工作面的瓦斯排放量相似。因此，42206巷道段不會有天然氣超支。

3.3 采空區剩余煤自燃的防治分析

開采的2號煤層的自然氧吸收為0.95cm3/g，自燃期為30d，這是一個易于自燃的煤層。用相關的統計軟件分析采空區后將采空區頂板留在42206工作面后的三區分布，并以漏風速度為判斷指標。當每分鐘風速超過0.24m時，就為散熱區和非自燃區。風速為0.1m/min是窒息區；氧化加熱區為0.1~0.24m/min的風速。

根據仿真結果，從圖4可以看出，在42208面后面的采空區，0~65m是散熱區的非自燃區，65~140m是氧化加熱區，而窒息區超過140m。42206煤工作面的平均行進速度為9.6m/d，煤層的行進可以通過氧化加熱區進入窒息區14.6d。該時間僅為煤層自燃時間（30d）的1/2。同時，由于采用了切頂以減輕壓力并離開巷道的技術，采空區中殘留的煤減少了，這將采空區中煤的自燃基礎降低到一定程度范圍，并降低了采空區自燃的風險。根據綜合判斷，留空采掘頂板以釋放壓力并留在巷道下方時，留在采空區中的煤自燃和著火的可能性極低。

3.4 煤塵爆炸防治分析

當煤粉塵濃度在45~2000g/m3并遇到明火時，粉塵可能會爆炸。采掘頂板以緩解壓力并保留巷道時采用了綜采方法，與傳統的采掘方法基本相同。正常開采工作面時，工作面中的粉塵濃度約135mg/m3，移動支架時，工作面中的粉塵濃度約為60mg/m3，回風流中的粉塵濃度約為48mg/m3。在正常通風條件下，采煤工作面各部位的煤塵濃度遠低于45g/m3，自礦井建成以來，沒有發生煤塵爆炸事故。因此，及時清理工作面和巷道中的粉塵，使工作面煤塵爆炸的可能性極低。

4 采煤工作面通風效果

在生產過程中，對采空區的風速、溫度、甲烷、一氧化碳的濃度和內部溫度進行了測量，包括進氣道、采煤面和預留巷道（回風）來監測CO濃度。從監測結果可以得出，采煤工作面和保留巷道中甲烷的最大濃度不超過0.0003，絕對最大氣體排放量為0.31m3/min，未發生異常氣體排放。采煤工作面及保留巷道中的CO濃度在（0~8）×10-6之間，平均3×10-6遠小于《煤礦安全規程》中規定的24×10-6。采空區溫度約為180℃，說明采空區中殘留的煤沒有明顯的氧化和加熱現象。

5 總結

采用切頂減輕壓力，將巷道留在工作面的技術后，消除了采空區傳統巷道保護中的松散三角區域，上角無瓦斯涌出現象。Y型通風系統不會對采礦面造成風或微風。42206工作面的氣體排放量很小，采用的通風方法不會對工作面的生產安全產生不利影響?；仫L隧道中的瓦斯濃度在0%~0.03%之間，而采空區中的剩余煤被氧化。升溫區僅是煤層自燃時間（30d）的1/2。同時，通過切開頂板以緩解壓力并預留了巷道，從而消除了巷道保護煤柱，大大減少了工作面采空區中殘留的煤量，并保留了工作面中的煤，同時采空區可能自燃性減少。