沿空留巷工作面通風(fēng)安全可靠性分析

秦 麗

(潞安集團(tuán)高河能源有限公司，山西 長治 047100)

沿空留巷無煤柱開采可以解決小煤柱留設(shè)時(shí)圍巖變形控制困難、需要反復(fù)修整問題，同時(shí)可提高煤巖回采率，在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用逐漸廣泛[1-2]。但是沿空留巷由于未留設(shè)護(hù)巷煤柱，在井下通風(fēng)過程中容易引起跑風(fēng)、漏風(fēng)等問題，給礦井生產(chǎn)帶來一定的不利影響[3]。眾多的學(xué)者從上隅角瓦斯治理、遺煤自燃防治以及通風(fēng)漏風(fēng)情況等方面出發(fā)展開了廣泛研究，并取得顯著的研究成果[4-6]。但是研究多是集中在采面通風(fēng)方式選擇上，關(guān)于沿空留巷通風(fēng)系統(tǒng)可靠性方面研究相對較少。因此，文中以山西某礦4206沿空留巷工作面為工程背景，對通風(fēng)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，以期能為后續(xù)礦井通風(fēng)方式選擇提供一定參考。

1 工程概況

山西某礦開采的4#煤層埋深平均298 m，煤厚4.87 m，煤層傾角4°，結(jié)構(gòu)簡單。煤層老頂為粗砂巖(f值8.1，厚度13.56 m)、直接頂為細(xì)砂巖(f值8.2，厚度10.5 m)、直接底為砂質(zhì)泥巖(f值2.5，厚度2.6 m)。4206工作面回采巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索方式，沿空留巷巷道旁充填3 m寬高強(qiáng)膏體材料，支撐頂板并降低巷道漏風(fēng)量。

礦井采用型號為BD-Ⅱ-8-NO22風(fēng)機(jī)通風(fēng)，通風(fēng)負(fù)壓2 600 Pa，具體4206通風(fēng)線路見圖1所示。

圖1 通風(fēng)路線圖

2 通風(fēng)安全性分析

回采工作面?zhèn)鹘y(tǒng)的留設(shè)煤柱護(hù)巷方式采面推進(jìn)后，采空區(qū)頂板巖層會在煤柱支撐下不能完全垮落，從而在采空區(qū)內(nèi)懸空一定的距離。在煤柱支撐作用下頂板不能充分垮落，從而在采空區(qū)與護(hù)巷煤柱間形成范圍較大且裂隙較為發(fā)育的松散三角區(qū)，成為采面通風(fēng)漏風(fēng)，具體見第77頁圖2a)。采用沿空留巷技術(shù)后由于取消護(hù)巷煤柱，因此采空區(qū)內(nèi)頂板垮落更為充分，采空區(qū)內(nèi)垮落巖層在覆巖重力作用下逐漸密實(shí)，從而形成一個(gè)壓實(shí)度相對較高的阻風(fēng)結(jié)構(gòu)，具體見第77頁圖2b)，不僅可以降低松散三角區(qū)范圍甚至消除松散三角區(qū)，而且還可以減少上隅角瓦斯集聚以及采空區(qū)瓦斯涌出量以及采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃發(fā)火概率。因此，相對于傳統(tǒng)的護(hù)巷煤柱方式，采用沿空留巷在理論上可以確保采面通風(fēng)安全。

圖2 采面不同開采方式通風(fēng)示意圖

3 采面通風(fēng)質(zhì)量參數(shù)分析

3.1 采面通風(fēng)實(shí)測

采用風(fēng)速表對4206綜采工作面通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，具體測定結(jié)果見表1。

表1 4206綜采工作面通風(fēng)參數(shù)測定結(jié)果

3.2 風(fēng)量計(jì)算

3.2.1 根據(jù)瓦斯涌出計(jì)算

按照《煤礦安全規(guī)程》要求，采面瓦斯?jié)舛葢?yīng)在1%以內(nèi)且風(fēng)速介于0.25 m/s～4 m/s。2019年礦井絕對、相對瓦斯涌出量為2.09 m3/min、3.62 m3/t,具體回采工作面生產(chǎn)時(shí)需要風(fēng)量Q采1可按公式(1)計(jì)算。

Q采1=q絕×K×100/60

(1)

其中，q絕為采工作瓦斯絕對涌出量，按照礦井絕對瓦斯涌出量的64.59%計(jì)算，取值為1.35 m3/min；K為采面瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取值1.6。

將上述參數(shù)帶入公式(1)即可得到采面需要的風(fēng)量Q采=216 m3/min。

3.2.2 根據(jù)采面溫度計(jì)算

根據(jù)采面溫度確定的采面風(fēng)量Q采2可通過公式(2)計(jì)算。

Q采2=60·V采·Ki·S采

(2)

其中,V采為采面開采時(shí)的合適風(fēng)速，取值1.20 m/s；S采有效通風(fēng)斷面，取值10.66 m2。Ki為采面長度系數(shù)，取值1.1。

將上述參數(shù)帶入公式(2)得到Q采2=844.2 m3/min。

3.2.3 根據(jù)作業(yè)點(diǎn)人數(shù)計(jì)算

據(jù)作業(yè)點(diǎn)人數(shù)計(jì)算確定的采面風(fēng)量Q采3可通過式(3)計(jì)算。

Q采3=4·N

(3)

式中，N為采面內(nèi)最大人數(shù)，取值60(現(xiàn)場交接班時(shí)人數(shù))。

帶入公式(3)得到Q采3=240 m3/min。

綜上分析，取上述計(jì)算結(jié)果最大值，從而確定采面合理風(fēng)量Q采=844.2 m3/min。

3.2.4 風(fēng)量校核

采面內(nèi)風(fēng)速應(yīng)控制在0.25 m/s～4.0 m/s，從而計(jì)算求得的采面風(fēng)量應(yīng)在159.9 m3/min～2 558.4 m3/min。通過理論計(jì)算得到的采面合理供風(fēng)量為844.2 m3/min，風(fēng)量可以滿足《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于采面通風(fēng)要求。因此4206綜采配風(fēng)量取值844.2 m3/min是合理的。

3.3 有效風(fēng)量率計(jì)算

采面通風(fēng)時(shí)有效風(fēng)量率Pe可通過公式(4)計(jì)算。

(4)

帶入相關(guān)參數(shù)計(jì)算求得，在4206進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)有效風(fēng)量率達(dá)到96.2%，高于一般的煤柱留巷工作面，表明在4206采面采用切頂留巷后雖然留巷段存在一定程度的漏風(fēng)，但是由于采空區(qū)上覆巖層及時(shí)跨落，消除了煤柱旁的松散三角區(qū)，從而有效提升了采面進(jìn)風(fēng)巷有效風(fēng)量率。

4206采面有效風(fēng)量率為92.4%、回風(fēng)巷有效風(fēng)量率為90.3%，相對于進(jìn)風(fēng)巷有效風(fēng)量率有所降低，主要是由于采用沿空留巷巷道存在一定的漏風(fēng)，但是由于留巷段距離較短所以造成采面、回風(fēng)巷有效風(fēng)量率降低程度較小。但是4206綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷、采面、回風(fēng)巷有效風(fēng)量率滿足《規(guī)程》相關(guān)要求。4206采面采用沿空留巷時(shí)采面漏風(fēng)量較小，絕大部分風(fēng)流經(jīng)過采面從回風(fēng)巷流出，僅有極少一部分風(fēng)流流入到采空區(qū)內(nèi)，通風(fēng)利用率較高。

3.4 采面通風(fēng)阻力計(jì)算

通風(fēng)時(shí)采面通風(fēng)阻力hf可采用公式(5)計(jì)算。

hf=RQ2

(5)

式中，R表示通風(fēng)摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Q表示通風(fēng)風(fēng)量，m3/min。

通過上述公式計(jì)算得到4206工作面進(jìn)風(fēng)巷、采面以及回風(fēng)巷風(fēng)阻分別為324 Pa、323 Pa、352 Pa，具體工作面進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)以及回風(fēng)段風(fēng)阻比值為0.324∶0.323∶0.352，與較為合理的3∶3∶4接近。采面采用沿空留巷技術(shù)后可以在一定程度上降低采面通風(fēng)阻力，提高通風(fēng)效率，能夠滿足采面正常通風(fēng)需要。

4 結(jié)語

1)4206綜采工作面采用沿空留巷技術(shù)，文中對留巷工作面通風(fēng)可靠性進(jìn)行分析。采面采用沿空留巷技術(shù)后由于采空區(qū)頂板覆巖不會出現(xiàn)由于煤柱支撐而導(dǎo)致難以垮落問題，從而降低采空區(qū)內(nèi)松散三角區(qū)面積，降低通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)量，從而滿足采面高效通風(fēng)需要。

2)從瓦斯治理、采面溫度、有效風(fēng)量率、通風(fēng)阻力等方面分析沿空留巷采面通風(fēng)情況，采面采用沿空留巷后采面采面通風(fēng)阻力分布較為合理，通風(fēng)有效率較高。4206綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)具有較高的可靠性，可以滿足煤炭開采需要。