沿空留巷工作面“一進兩回”通風方式下采空區漏風規律研究

郭艷飛，郝 殿，李學臣，易書鋼

(焦作煤業(集團)有限責任公司 科學技術研究所，河南 焦作 454002)

沿空留巷在實現無煤柱開采、提高煤炭資源采出率的同時，可有效降低采掘比、緩解礦井采掘接替緊張局面，這是我國深部煤炭開采沿空護巷的主要發展方向[1]。然而，基于“切頂短壁梁理論”的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術所形成的采空區[2]，與用傳統回采工藝所形成的密閉采空區相比，呈開放狀態，導致工作面采空區漏風明顯增大，這給采空區遺煤自燃防治及瓦斯抽采措施的實施帶來一定的困難[3-4]。國內外學者針對不同煤層賦存，以及礦井通風情況下的漏風及其巷道圍巖裂隙開展了大量研究[5-10]，取得了許多成果。但有別于常規Y型通風“兩進一回”方式有利于解決工作面上隅角處的瓦斯超限[11-13]，古漢山礦1604工作面在運輸巷切頂留巷后采取“一進兩回”的通風方式，采空區風流流動、氣體分布情況具有明顯差異，進一步加劇了采空區有害氣體涌出的危險?；诖?，采用SF6示蹤氣體技術[14-15]，開展沿空留巷及Y型通風方式下工作面漏風及瓦斯涌出規律研究，正確判斷采空區風流流動方向，對指導礦井采取有效措施，加強采空區瓦斯抽采管理具有重要意義。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

1604工作面位于16采區西翼，北部為16021工作面(已回采)，南部為1606工作面(未回采)，西部為界碑斷層保護煤柱，東部為16西翼回風下山保護煤柱。工作面走向長度978～1 010 m，傾向長度155～173 m，煤層厚度4.7～6.2 m，平均厚5.5 m，煤層平均傾角13°。1604工作面相對位置關系及風流方向如圖1所示。

圖1 工作面位置及風流方向示意圖

為進一步提高煤炭資源采出率、緩解工作面采掘銜接緊張等問題，1604工作面在正常推進約70 m至1606工作面開切眼(已掘進成巷)位置后，采用切頂卸壓沿空留巷技術保留運輸巷形成1606工作面，作為接替工作面。同時，工作面通風方式由常規U型通風轉變為“一進兩回”Y型通風，運輸巷新鮮風流在工作面開切眼下部分流，一部分通過工作面開切眼及回風巷至16輔助回風巷(回風線路1)，另一部分通過沿空留巷段、1606開切眼、通風立眼及1606底抽巷至16回風巷(回風線路2)。

1.2 沿空留巷實施

1604運輸巷按照“切(超前預裂切縫)、補(頂板補強支護)、護(巷幫擋矸防護)、支(滯后臨時支護)”沿空留巷工藝流程[16]，在實施過程中沿空巷道變形可控，基本達到了無煤柱沿空留巷的目的。但隨著工作面推進,頂板下位巖層反復擾動，沿空留巷在工作面滯后開采影響下，出現一定程度的底鼓、變形，留巷側幫采用“金屬網+風筒布+塑料網+擋矸柱”的方式，僅起到阻隔采空區垮落巖石的作用，采空區全部暴露在巷道內，形成一種完全開放狀態[17]。

2 示蹤氣體考察采空區漏風及瓦斯涌出特征

2.1 測定方法及步驟

根據工作面通風方式特征，采用定點連續穩定恒量釋放方式，設計在運輸巷沿空留巷外段及工作面開切眼下部煤壁分別釋放SF6示蹤氣體，考察沿空留巷段及工作面開切眼風流流動方向。第一次考察，釋放點位于沿空留巷外段距離工作面開切眼6 m沿空側巷幫位置；第二次考察，釋放點位于工作面開切眼第10架煤壁位置?？疾炱陂g，分別在預定位置連續釋放SF6氣體直至測定結束，釋放速度均為15 L/min。SF6氣體釋放10 min后開展參數測定，沿傾向上每間隔5架進行一組測定，沿走向上每組分別測定架后、架間、架前及煤壁處風流瓦斯濃度(甲烷體積分數，下同)及SF6體積分數。根據2次考察測定結果繪制SF6體積分數、瓦斯濃度分布云圖，如圖2所示。

圖2 工作面風流SF6體積分數及瓦斯濃度分布云圖

2.2 測定結果及分析

2.2.1 SF6氣體分布特征

1)第一次考察情況

工作面檢修期間，在沿空留巷外段釋放SF6氣體后，在工作面開切眼自下而上進行首輪測定，15 min后在開切眼第25架位置首次檢測到SF6氣體，在工作面開切眼中上部檢測SF6氣體濃度整體較低，但在工作面上隅角附近檢測得到最大值。氣體連續釋放40 min后，沿工作面開切眼自上而下進行復測，在開切眼第5～102架位置均不同程度檢測到SF6氣體，但第15架、65架及85架以上位置檢測濃度相對較高，且整體高于首次測定結果，同時在工作面上隅角附近檢測得到最大值。

SF6氣體運移主要受沿空留巷段風流作用，其涌出特征代表了沿空留巷段風流流動方向。由SF6氣體涌出情況可以看出，沿空留巷段存在明顯的漏風現象，風流經巷道上幫進入采空區后，短時間內便經工作面開切眼第25架以上不同位置涌入工作面，表明工作面架后一定距離采空區與工作面具有較為良好的連通性，風流在該區域流動阻力較小。隨著時間延長，SF6氣體釋放量增加，工作面檢測SF6體積分數明顯增大，說明SF6氣體在留巷段風流帶動下主要沿回風線路2運移的同時，在留巷段不同位置漏風作用下均向采空區內滲漏，并在采空區內持續向工作面方向運移，最終自開切眼中上部涌出。

2)第二次考察情況

工作面檢修期間，在開切眼下部煤壁釋放SF6氣體后，在開切眼風流的帶動下逐步擴散，沿傾向自下而上測定SF6濃度，呈現降低趨勢，但在回風巷端口位置附近快速升高；沿走向整體呈現靠近煤壁側SF6濃度高于采空區側，且工作面下部采空區側高于工作面上部，特別是第55架及85架以上位置，測定的SF6濃度較低。在每組參數測定期間，架間、架前、煤壁處SF6濃度相對穩定，架后則有較大范圍波動，且在上端頭架后溜煤槽處檢測的濃度最低，僅間斷檢測到微量SF6(其他架后溜煤槽無法進入測定)。

根據第二次考察結果，開切眼下部SF6氣體在風流中逐步混合，由煤壁向支架后方運移，架間、架后SF6氣體濃度呈現增大趨勢，但仍存在一定梯度，表明SF6氣體在開切眼第20～40架運移主要受開切眼風流作用，呈現向采空區流動特征；在開切眼中上部，SF6氣體濃度整體呈現逐漸下降趨勢，特別是架后、架間濃度迅速降低，SF6氣體主要沿工作面開切眼架前及煤壁運移，結合第一次考察結果，在開切眼中上部采空區氣體向工作面涌出量增大，一方面稀釋了架后及架間SF6氣體濃度，另一方面擠壓了SF6氣體擴散空間，即在工作面中上部受采空區、開切眼風流共同作用下，整體呈現由采空區向工作面涌出特征。

對比2次考察結果，對工作面風流流動方向表現出較高的一致性，但在架后區域卻存在一定差異，主要原因為工作面風流風速在走向上自開切眼至采空區逐漸降低，風流在架后區域混合形成紊流，架后測定數據為瞬時結果，存在較大波動所致。

2.2.2 瓦斯濃度分布特征

綜采放頂煤工藝開采條件下，工作面瓦斯涌出主要包括煤壁、落煤、放煤及采空區遺煤瓦斯涌出。對比2次風流瓦斯濃度考察情況，測定結果分布情況基本一致：在傾向上自下而上逐漸增大的同時，在走向上自采空區至工作面煤壁呈現逐漸降低趨勢，特別是在工作面中上部表現較為明顯。結合工作面風流測定分析結果，煤壁、落煤涌出瓦斯主要沿工作面風流向上運移，涌入回風巷，僅少量由工作面下部漏入采空區；架后放煤釋放瓦斯在靠近采空區側紊亂風流作用下，在開切眼下部涌入采空區，在開切眼中上部則涌入工作面；受整個沿空留巷段漏風影響,采空區瓦斯(特別是深部高濃度瓦斯)將持續向工作面方向運移，并由工作面中上部涌入工作面。

對比工作面下部各測點風流瓦斯濃度平均值0.068%，工作面上部平均值為0.139%，約為工作面下部的2倍；若以開切眼下端口與中部測定結果差值的2倍，作為工作面瓦斯涌出量，以開切眼下端口與上隅角測定結果差值減去工作面瓦斯涌出量，作為采空區瓦斯涌出量，則檢修期間工作面瓦斯涌出量為0.54 m3/min、采空區瓦斯涌出量為1.65 m3/min，采空區瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的75%。工作面生產期間，架后放煤瞬時涌出瓦斯將在漏風影響下，由采空區進一步向工作面涌出，采空區瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出主要來源。

因此，1604工作面在沿空留巷及Y型通風條件下，工作面風流分別自沿空留巷上幫及開切眼下部漏入采空區，并由開切眼上部涌入工作面；沿空留巷段漏風風流加大了采空區瓦斯涌出量及涌出范圍，采空區瓦斯為工作面瓦斯涌出主要來源，漏風作用進一步增大了采空區瓦斯治理難度。

3 采空區漏風動態變化

3.1 采空區漏風通道動態變化

1604工作面回采至出現初次來壓后，基本頂呈現“O-X”狀態，隨工作面不斷推進至留巷位置，已連續回采70余m，基本頂呈現半個“O-X”狀態周期性破斷。受實體煤側的支撐作用，開切眼位置、運輸巷(里段未留巷)及回風巷側基本頂懸臂梁結構破斷后，并不能完全壓實，最終形成采空區殘留邊界[18]，該區域與留巷段風流能夠直接導通，成為長期有效風流通道。而開切眼上部基本頂周期性破斷滯后于工作面開采，與綜放支架共同形成大量風流通道，此部分通道隨工作面推進將一直存在，成為采空區涌出風流、留巷段漏風風流與工作面開切眼風流相互交匯的主要區域。工作面上端頭附近基本頂“弧三角板”結構的支撐作用，在回風巷風流作用下使上隅角成為采空區風流主要涌出位置。

而留巷沿空側由于超前預裂切頂，形成短臂梁結構，頂板最終沿擋矸措施形成巷幫，其圍巖結構變化與采空區中部頂板變化較為一致，主要分為3個階段：直接頂切頂垮落階段、基本頂切頂斷裂移動階段、上覆巖層再平衡階段[19]。沿工作面向采空區深部方向依次為松散區、壓實區、穩定區，其漏風通道(孔隙率)依次減小。采空區頂板垮落分布如圖3所示。

圖3 采空區頂板垮落分布示意圖

隨著工作面推進，沿空留巷暴露在采空區側的面積不斷增大，盡管其增加部分主要為深部逐漸壓實、穩定區域，在未采取有效封堵措施的情況下，整體漏風通道仍呈現增大趨勢。

3.2 留巷初期漏風量分布情況

根據留巷期間巷道表面位移檢測情況[20]，距工作面煤壁60 m為松散區，60～110 m為逐漸壓實區，110 m以遠為穩定區。在工作面推進至運輸巷沿空留巷長度約30 m位置時，沿空留巷段采空區尚處于松散區范圍，對工作面進、回風路線進行風量測定考察。1604回風巷風量、1606開切眼風量、高位抽采巷抽采混合量之和與1604運輸巷進風量基本吻合，符合風量平衡定律，說明測定結果準確可靠。測定結果如圖4所示。

圖4 工作面風流分布示意圖

由圖4可見，運輸巷風流自開切眼分風后，沿空留巷段呈現風量遞減的趨勢，最里端測點風量和開切眼風量基本一致，風流沿巷道上幫漏入采空區，累計漏風量約為100 m3/min；工作面開切眼自下而上呈現先減小后增大趨勢，風流自開切眼下部漏入采空區，而后自工作面開切眼中上部由采空區涌入工作面，開切眼漏風量為150 m3/min左右，總漏風量約占進風量的15%。

3.3 漏風量動態變化

在留巷段長度30～70 m時，連續測定沿空留巷段風量變化情況，跟蹤考察漏風量動態變化。留巷段分風量及漏風量均呈現先增高后下降趨勢，在留巷長度35 m時達到最大值，40 m之后呈緩慢下降趨勢。而最終風量(1606開切眼風量)則整體呈現下降趨勢，在留巷40 m之后下降幅度趨緩。留巷段風量變化情況如圖5所示。

圖5 留巷段風量變化情況

結合1604工作面采空區漏風通道變化情況，留巷階段初次來壓之前(留巷長度35 m之前)，留巷側基本頂尚未完全斷裂下移，同時未留巷段采空區仍處于松散狀態，此時留巷段與采空區及其殘留邊界導通性達到最大狀態。隨工作面推進，留巷階段初次來壓之后，采空區逐漸被壓實，留巷段與采空區殘留邊界導通性削弱。因此，留巷段分風量、漏風量在初次來壓之前達到峰值，隨后逐漸下降。

同時，根據風量守恒和風壓守恒定律，在不考慮漏風及高位巷抽采的情況下，對1604工作面“一進兩回”通風方式下風流風量進行計算，按照工作面回采期間風量1 700 m3/min計算，在工作面留巷初期，回風巷風流風量Q1為1 118 m3/min，沿空留巷段風流風量Q2為582 m3/min。隨著工作面推進，運輸巷及回風巷長度不斷減小，回風線路1風流阻力逐漸減小，風量逐漸增大，回風線路2風流則相反，按照工作面回采至終采線計算，Q1為1 270 m3/min，Q2為430 m3/min。受漏風影響沿空巷道實際分風量大于計算值，但整體隨工作面推進呈下降趨勢。在分風量下降影響下，隨工作面推進留巷段漏風通道雖不斷增大，漏風量卻呈緩慢下降趨勢，但下降幅度有限，沿空留巷段漏風將持續影響采空區瓦斯運移。

4 結論

1)采用示蹤氣體法定性分析了沿空留巷“一進兩回”通風方式下工作面采空區風流流動方向，工作面風流分別自沿空留巷上幫及開切眼下部漏入采空區，并由開切眼上部涌入工作面。沿空留巷段漏風風流加大了采空區瓦斯涌出量及涌出范圍，采空區瓦斯為工作面瓦斯涌出主要來源，漏風作用進一步增大了采空區瓦斯治理難度。

2)采取風量測定方法定量分析了沿空留巷漏風動態變化，沿空留巷段漏風通道隨工作面推進整體呈增大趨勢，但漏風量在留巷階段初次來壓前達到峰值，而后受巷道風流阻力變化影響，留巷段分風量、漏風量均呈緩慢下降趨勢。

3)礦井應針對留巷段圍巖變化特點，在壓實區及穩定區采取噴漿、在松散區采取風布遮擋等措施，以有效減少沿空留巷段漏風，降低采空區瓦斯向工作面涌出。