切頂卸壓沿空留巷工作面通風(fēng)可靠性研究

李文斌

【摘 要】 為研究切頂卸壓沿空留巷工作面通風(fēng)可靠性，本文以某礦4102綜放工作面為工程背景，對其通風(fēng)安全性、有效風(fēng)量率及通風(fēng)阻力等進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明：通過使用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，減小了采空區(qū)頂板壓力，使采空區(qū)內(nèi)頂板能夠全部垮落于采空區(qū)內(nèi)，并逐漸被壓實(shí)，遺漏風(fēng)量較為嚴(yán)重的松散三角區(qū)被消除，從理論上提高了工作面通風(fēng)可靠性;通過對有效風(fēng)量率計(jì)算及通風(fēng)阻力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)4102工作面進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段及回風(fēng)段的有效風(fēng)量率分別為96.4%、92.7%、90.5%，通風(fēng)阻力分別為0.0864、0.0855、0.0937，能夠滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，通風(fēng)可靠性較高，能夠保證工作面安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】 綜放開采;沿空留巷;切頂卸壓;有效風(fēng)量率;通風(fēng)阻力

【中圖分類號】 TD724 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）06-0001-03

無煤柱開采技術(shù)在被推廣以來往往作為最優(yōu)方案進(jìn)行應(yīng)用，它的提出成功解決了寬煤柱護(hù)巷過程中優(yōu)質(zhì)資源被遺棄浪費(fèi)的問題以及窄煤柱護(hù)巷過程中巷道維護(hù)困難、維護(hù)成本高等問題 。而沿空留巷作為無煤開采的主要技術(shù)之一又因其資源回收率高，通風(fēng)效果良好等優(yōu)點(diǎn)更是被廣泛接受 。但是在應(yīng)用過程中由于巷旁無煤柱支撐而致使缺少致密有效的阻風(fēng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常造成漏風(fēng)、跑風(fēng)等問題。為此，學(xué)者們開展了大量的研究工作。喬志剛運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對沿空留巷U型通風(fēng)與Y型通風(fēng)中遺漏風(fēng)量進(jìn)行模擬。常賓、穆三奴、樊利紅等均對沿空留巷Y型通風(fēng)方式進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)使用該方式能夠較好地解決上隅角瓦斯聚集問題，且通風(fēng)效果好。王緒友等根據(jù)濟(jì)寧二號井9306工作面采空區(qū)遺漏風(fēng)易引發(fā)煤炭自燃問題，運(yùn)用數(shù)值模擬探討了應(yīng)用W型通風(fēng)與Y型通風(fēng)方式對9305工作面的影響，最終確定了W型通風(fēng)方式對于抑制煤炭自燃，提高通風(fēng)效率更有效果。

上述研究成果多集中在巷道通風(fēng)方式的選擇上，對于通風(fēng)可靠性研究相對較少，也就造成了部分沿空留巷工作面因設(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)了通風(fēng)不良等繼發(fā)問題，因此部分學(xué)者就通風(fēng)可靠性進(jìn)行了深入研究。徐瑞龍?jiān)谕L(fēng)網(wǎng)路設(shè)計(jì)時(shí)引入了可靠度這一概念，并初步探討了通風(fēng)可靠性的計(jì)算方法。這種方法將通風(fēng)網(wǎng)路分割成一個(gè)個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析，但仍存在較為明顯的缺陷。針對這一缺陷，馬云東將整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)視為一個(gè)整體從而對局部進(jìn)行分析研究，不僅實(shí)現(xiàn)了對整體網(wǎng)絡(luò)的把握，又實(shí)現(xiàn)了對局部系統(tǒng)的分析。隨后，謝賢平、薛河等在此基礎(chǔ)上分別引入了模糊數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)回歸評價(jià)方法，并給出了精確的計(jì)算模型。李湖生則從分支與總支關(guān)系考慮，對風(fēng)壓敏感度及風(fēng)量進(jìn)行了定量評價(jià)，并提出了一種角聯(lián)分支的評價(jià)方法?？梢钥闯鲈谖覈鴮νL(fēng)可靠性方面的研究已經(jīng)卓有成效，然而對于沿空留巷的通風(fēng)可靠性評價(jià)卻鮮有報(bào)道，4102綜放工作面采用了切頂成巷沿空留巷，并使用Y型通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)管理，在相似工程條件下已有成功的工程實(shí)踐，并證明該通風(fēng)方式能夠較好地應(yīng)用于實(shí)踐，但是對于在該條件下的通風(fēng)可靠性未見研究。因此，本文以此為工程背景，從理論層面分析切頂卸壓沿空留巷工作面通風(fēng)可靠性，以期保證該工作面通風(fēng)設(shè)計(jì)安全、合理，能夠保障礦井正常安全高效生產(chǎn)，并能夠?yàn)橄嗨茥l件礦井提供技術(shù)參考。

1工程地質(zhì)概況

4102綜放工作面平均埋深256m，工作面走向長1204.8m，傾向長148.5m，煤厚為5.38m，傾角3°，為近水平煤層。直接頂為15.37m的中、細(xì)砂巖，普氏系數(shù)為8;老頂為12.28m的粗、中砂巖，普氏系數(shù)為7.7，屬堅(jiān)硬頂板;直接底為泥巖，厚1.3m。該工作面巷道支護(hù)形式為錨桿錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，在工作面回采前對留巷預(yù)先進(jìn)行加固。巷旁充填體寬度為3m，材料選擇高強(qiáng)度膏體充填材料，并在充填體兩側(cè)布設(shè)鋼筋進(jìn)行加固處理。

2通風(fēng)系統(tǒng)特征

2.1礦井通風(fēng)方式及主要通風(fēng)參數(shù)

通風(fēng)方式采用中央并列式抽出式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)，副井設(shè)計(jì)總進(jìn)風(fēng)量為5856m3/min，主井總回風(fēng)量6870m3/min。通風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)BD-Ⅱ-8-NO22，電動(dòng)機(jī)型號YBF355L1-8型，主扇排風(fēng)量7100m3/min，運(yùn)行負(fù)壓2600Pa，同時(shí)兼?zhèn)浞达L(fēng)功能，等積孔面積為3.7m2。

2.2 4102工作面主要通風(fēng)路線分布

新鮮風(fēng)流：地面→副井→4#煤輔運(yùn)繞道→4#煤輔助運(yùn)輸巷→41021巷→工作面;乏風(fēng)：工作面→41022巷→4#煤回風(fēng)大巷→回風(fēng)大巷→主井→地面。如圖1所示。

3安全性分析

在傳統(tǒng)留煤柱護(hù)巷開采時(shí)，工作面推采過后的采空區(qū)受到煤柱支撐作用，懸臂梁較長，頂板不能完全垮落，在采空區(qū)與煤柱之間形成一個(gè)較為松散且范圍較大的松散三角區(qū)，由于該區(qū)域頂板垮落不充分，難以形成致密的阻風(fēng)結(jié)構(gòu)，在通風(fēng)過程中往往成為最大的漏失風(fēng)量通道，如圖2（a）所示。而采用切頂卸壓自成巷沿空留巷技術(shù)后，頂板壓力得到較為充分的釋放且基本能夠完全掉落于采空區(qū)內(nèi)，且在上覆巖層壓力作用下能夠被逐漸壓縮，形成一個(gè)相對致密的阻風(fēng)結(jié)構(gòu)體，如圖2（b）所示，這樣不僅消除了為通風(fēng)提供漏失通道的松散三角區(qū)，且在一定程度上減小了采空區(qū)自然發(fā)火及瓦斯積聚的可能，因此，相較于傳統(tǒng)留煤柱護(hù)巷技術(shù)而言，切頂卸壓沿空留巷技術(shù)從理論上能夠大大提高工作面通風(fēng)的安全性及可靠性。

4通風(fēng)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

4.1通風(fēng)參數(shù)調(diào)查

經(jīng)工作面實(shí)際調(diào)查，4102工作面通風(fēng)參數(shù)見表1。

4.2風(fēng)量計(jì)算

4.2.1按瓦斯?jié)舛扔?jì)算

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定，采煤工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛炔粦?yīng)大于1%為通風(fēng)有效標(biāo)準(zhǔn)，且通過最高風(fēng)速應(yīng)低于4m/s。依據(jù)2010年度瓦斯等級鑒定批復(fù)文件，礦井相對瓦斯涌出量為3.61m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量為：2.09m3/min。按式（1）計(jì)算。

式中：Q采—回采工作面所需風(fēng)量，m3/min;q絕—回采工作面瓦斯絕對涌出量;依據(jù)2010年度瓦斯等級鑒定批復(fù)文件取礦井瓦斯涌出量的64.59%，為1.35m3/min;K—瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.6。

計(jì)算得到瓦斯符合安全規(guī)程的風(fēng)量Q采=1.35×1.6×100/60=216m3/min。

4.2.2按工作面溫度計(jì)算

根據(jù)《規(guī)程》要求，按式（2）對工作面溫度條件下需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q采—采煤工作面實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min;

V采—采煤工作面適宜風(fēng)速，取1.20m/s;S采—采煤工作面平均有效過風(fēng)斷面積;采高2.6m，采高調(diào)整系數(shù)取1.2;最大控頂距5.184m，最小控頂距4.584m。S=0.5×（S大+S?。?0.5×（16.174+114.302）=15.238m2。K效—有效斷面系數(shù)，取0.7。S×K=15.238×0.7=10.66m2。Ki—工作面長度系數(shù)，取1.1。

計(jì)算得到工作面溫度符合安全規(guī)程的風(fēng)量Q采=60×1.2×10.66×1.1/60=844.2m3/min。

4.2.3按采煤工作面人數(shù)計(jì)算

根據(jù)《規(guī)程》要求，按式（3）對工作人員需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

Q采=4·N/60（3）

式中：Q采—采煤工作面實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min;N—回采工作面同時(shí)工作最多人數(shù)，60人（考慮交接班）。

計(jì)算得到按工作人數(shù)所需的風(fēng)量Q采=4×60=240m3/min

綜上，取上述結(jié)果中的最大值，即Q采=844.2m3/min。

4.2.4按風(fēng)速進(jìn)行校核檢驗(yàn)

按《規(guī)程》規(guī)定，回采工作面最低風(fēng)速為0.25m/s，最高風(fēng)速為4m/s的要求，回采工作面風(fēng)量應(yīng)滿足：15S采≤Q采≤240S采，則：

Q采max≤4×S采=4×10.66=2558.4m3/min（5）

經(jīng)風(fēng)速驗(yàn)算，風(fēng)量計(jì)算合理。因此4102工作面配風(fēng)為844.2m3/s。

4.3有效風(fēng)量率計(jì)算

礦井有效風(fēng)量率按式（6）計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，在41021巷道中有效風(fēng)量率為96.4%，這說明切頂卸壓沿空留巷巷道存在一定漏風(fēng)，但其消除了松散三角區(qū)及大大減小了回風(fēng)隅角空間，提高了通風(fēng)有效風(fēng)率。工作面、41022巷中的有效風(fēng)量率分別為92.7%、90.5%，主要是由于缺少巷旁支護(hù)體等致密有效的阻風(fēng)結(jié)構(gòu)，在通風(fēng)過程中一定存在遺漏失風(fēng)量，但通風(fēng)距離較短，其有效風(fēng)率下降不大。根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，礦井的有效風(fēng)量率應(yīng)保持在85%以上，通過計(jì)算得知4102工作面通風(fēng)有效風(fēng)量率遠(yuǎn)大于85%的規(guī)定，能夠達(dá)到《規(guī)程》要求。

4.4通風(fēng)阻力計(jì)算

按照《規(guī)程》規(guī)定，巷道通風(fēng)阻力計(jì)算按式（7）進(jìn)行計(jì)算。

hf=RQ2（7）

式中：hf—4102工作面通風(fēng)阻力，Pa;R—摩擦風(fēng)阻，N·s2/m3，其中R=α×LU/S3，α為摩擦系數(shù)，LU分別為巷道斷面長度、周長，S為巷道斷面積;Q—風(fēng)量，m3/min。

計(jì)算得到41021巷、工作面、41022巷通風(fēng)阻力分別為0.0864、0.0855、0.0937，因此在4102工作面中進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段及回風(fēng)段的比值為0.325∶0.322∶0.353，與一般認(rèn)知的3∶3∶4基本一致，換言之，使用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在一定程度上減小了通風(fēng)摩擦阻力，提高了通過效率，能夠滿足正常通風(fēng)要求。

5結(jié)論

文章分析了4102工作面通風(fēng)布置特征，對其安全性進(jìn)行了分析。通過切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，使得采空區(qū)內(nèi)的頂板壓力充分釋放，懸臂梁尺度大大減小，矸石能夠較為完整地垮落于采空區(qū)中并將采空區(qū)充滿，且被上覆巖層逐漸壓實(shí)，減少了采空區(qū)漏風(fēng)通道，大大提高了通風(fēng)可靠性。

通過現(xiàn)場調(diào)查、有效風(fēng)量率計(jì)算、通風(fēng)阻力計(jì)算，分析發(fā)現(xiàn)4102工作面在采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，41021巷、工作面、41022巷的有效風(fēng)量率分別為96.4%、92.7%、90.5%，遠(yuǎn)大于《規(guī)程》要求;通風(fēng)阻力分別為0.0864、0.0855、0.0937，基本與常規(guī)認(rèn)知的進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段及回風(fēng)段的比值滿足3∶3∶4相一致，因此4102工作面通風(fēng)可靠性較高，能夠滿足生產(chǎn)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張璟.工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與堵漏風(fēng)技術(shù)分析[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（3）：47-49.

[2]董云勝，李鵬.煤礦回采順槽沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，30（1）：12-13，20.

[3]喬志剛.Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)流場數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].能源與節(jié)能，2019（8）：111-113，120.

[4]常賓.沿空留巷Y型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯治理技術(shù)研究[J].礦業(yè)裝備，2019（4）：144-145.

[5]穆三奴，白彥文.沿空留巷“Y型”通風(fēng)無煤柱開采技術(shù)實(shí)踐[J].山東煤炭科技，2019（7）：59-60，63.

[6]樊利紅.沿空留巷Y型通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（10）：99-101.

[7]王緒友，王連濤，陶維國，等.濟(jì)寧二號煤礦沿空留巷工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2016，43（1）：77-80.

[8]陳向軍，何滿潮，周鵬，等.切頂卸壓自成巷開采工作面通風(fēng)安全可靠性分析[J].煤礦安全，2018，49（11）：183-189.