郭艷飛，郝 殿，李學(xué)臣，易書(shū)鋼

(焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002)

沿空留巷在實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采、提高煤炭資源采出率的同時(shí)，可有效降低采掘比、緩解礦井采掘接替緊張局面，這是我國(guó)深部煤炭開(kāi)采沿空護(hù)巷的主要發(fā)展方向[1]。然而，基于“切頂短壁梁理論”的切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)所形成的采空區(qū)[2]，與用傳統(tǒng)回采工藝所形成的密閉采空區(qū)相比，呈開(kāi)放狀態(tài)，導(dǎo)致工作面采空區(qū)漏風(fēng)明顯增大，這給采空區(qū)遺煤自燃防治及瓦斯抽采措施的實(shí)施帶來(lái)一定的困難[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同煤層賦存，以及礦井通風(fēng)情況下的漏風(fēng)及其巷道圍巖裂隙開(kāi)展了大量研究[5-10]，取得了許多成果。但有別于常規(guī)Y型通風(fēng)“兩進(jìn)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(yùn)輸巷切頂留巷后采取“一進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)、氣體分布情況具有明顯差異，進(jìn)一步加劇了采空區(qū)有害氣體涌出的危險(xiǎn)?；诖?，采用SF6示蹤氣體技術(shù)[14-15]，開(kāi)展沿空留巷及Y型通風(fēng)方式下工作面漏風(fēng)及瓦斯涌出規(guī)律研究，正確判斷采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)方向，對(duì)指導(dǎo)礦井采取有效措施，加強(qiáng)采空區(qū)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(qū)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?dāng)鄬颖Ｗo(hù)煤柱，東部為16西翼回風(fēng)下山保護(hù)煤柱。工作面走向長(zhǎng)度978～1 010 m，傾向長(zhǎng)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(duì)位置關(guān)系及風(fēng)流方向如圖1所示。

圖1 工作面位置及風(fēng)流方向示意圖

為進(jìn)一步提高煤炭資源采出率、緩解工作面采掘銜接緊張等問(wèn)題，1604工作面在正常推進(jìn)約70 m至1606工作面開(kāi)切眼(已掘進(jìn)成巷)位置后，采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)保留運(yùn)輸巷形成1606工作面，作為接替工作面。同時(shí)，工作面通風(fēng)方式由常規(guī)U型通風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙贿M(jìn)兩回”Y型通風(fēng)，運(yùn)輸巷新鮮風(fēng)流在工作面開(kāi)切眼下部分流，一部分通過(guò)工作面開(kāi)切眼及回風(fēng)巷至16輔助回風(fēng)巷(回風(fēng)線路1)，另一部分通過(guò)沿空留巷段、1606開(kāi)切眼、通風(fēng)立眼及1606底抽巷至16回風(fēng)巷(回風(fēng)線路2)。

1.2 沿空留巷實(shí)施

1604運(yùn)輸巷按照“切(超前預(yù)裂切縫)、補(bǔ)(頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù))、護(hù)(巷幫擋矸防護(hù))、支(滯后臨時(shí)支護(hù))”沿空留巷工藝流程[16]，在實(shí)施過(guò)程中沿空巷道變形可控，基本達(dá)到了無(wú)煤柱沿空留巷的目的。但隨著工作面推進(jìn),頂板下位巖層反復(fù)擾動(dòng)，沿空留巷在工作面滯后開(kāi)采影響下，出現(xiàn)一定程度的底鼓、變形，留巷側(cè)幫采用“金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布+塑料網(wǎng)+擋矸柱”的方式，僅起到阻隔采空區(qū)垮落巖石的作用，采空區(qū)全部暴露在巷道內(nèi)，形成一種完全開(kāi)放狀態(tài)[17]。

2 示蹤氣體考察采空區(qū)漏風(fēng)及瓦斯涌出特征

2.1 測(cè)定方法及步驟

根據(jù)工作面通風(fēng)方式特征，采用定點(diǎn)連續(xù)穩(wěn)定恒量釋放方式，設(shè)計(jì)在運(yùn)輸巷沿空留巷外段及工作面開(kāi)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(kāi)切眼風(fēng)流流動(dòng)方向。第一次考察，釋放點(diǎn)位于沿空留巷外段距離工作面開(kāi)切眼6 m沿空側(cè)巷幫位置；第二次考察，釋放點(diǎn)位于工作面開(kāi)切眼第10架煤壁位置?？疾炱陂g，分別在預(yù)定位置連續(xù)釋放SF6氣體直至測(cè)定結(jié)束，釋放速度均為15 L/min。SF6氣體釋放10 min后開(kāi)展參數(shù)測(cè)定，沿傾向上每間隔5架進(jìn)行一組測(cè)定，沿走向上每組分別測(cè)定架后、架間、架前及煤壁處風(fēng)流瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù)，下同)及SF6體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)2次考察測(cè)定結(jié)果繪制SF6體積分?jǐn)?shù)、瓦斯?jié)舛确植荚茍D，如圖2所示。

圖2 工作面風(fēng)流SF6體積分?jǐn)?shù)及瓦斯?jié)舛确植荚茍D

2.2 測(cè)定結(jié)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(kāi)切眼自下而上進(jìn)行首輪測(cè)定，15 min后在開(kāi)切眼第25架位置首次檢測(cè)到SF6氣體，在工作面開(kāi)切眼中上部檢測(cè)SF6氣體濃度整體較低，但在工作面上隅角附近檢測(cè)得到最大值。氣體連續(xù)釋放40 min后，沿工作面開(kāi)切眼自上而下進(jìn)行復(fù)測(cè)，在開(kāi)切眼第5～102架位置均不同程度檢測(cè)到SF6氣體，但第15架、65架及85架以上位置檢測(cè)濃度相對(duì)較高，且整體高于首次測(cè)定結(jié)果，同時(shí)在工作面上隅角附近檢測(cè)得到最大值。

SF6氣體運(yùn)移主要受沿空留巷段風(fēng)流作用，其涌出特征代表了沿空留巷段風(fēng)流流動(dòng)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(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)流經(jīng)巷道上幫進(jìn)入采空區(qū)后，短時(shí)間內(nèi)便經(jīng)工作面開(kāi)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(qū)與工作面具有較為良好的連通性，風(fēng)流在該區(qū)域流動(dòng)阻力較小。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，SF6氣體釋放量增加，工作面檢測(cè)SF6體積分?jǐn)?shù)明顯增大，說(shuō)明SF6氣體在留巷段風(fēng)流帶動(dòng)下主要沿回風(fēng)線路2運(yùn)移的同時(shí)，在留巷段不同位置漏風(fēng)作用下均向采空區(qū)內(nèi)滲漏，并在采空區(qū)內(nèi)持續(xù)向工作面方向運(yùn)移，最終自開(kāi)切眼中上部涌出。

2)第二次考察情況

工作面檢修期間，在開(kāi)切眼下部煤壁釋放SF6氣體后，在開(kāi)切眼風(fēng)流的帶動(dòng)下逐步擴(kuò)散，沿傾向自下而上測(cè)定SF6濃度，呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但在回風(fēng)巷端口位置附近快速升高；沿走向整體呈現(xiàn)靠近煤壁側(cè)SF6濃度高于采空區(qū)側(cè)，且工作面下部采空區(qū)側(cè)高于工作面上部，特別是第55架及85架以上位置，測(cè)定的SF6濃度較低。在每組參數(shù)測(cè)定期間，架間、架前、煤壁處SF6濃度相對(duì)穩(wěn)定，架后則有較大范圍波動(dòng)，且在上端頭架后溜煤槽處檢測(cè)的濃度最低，僅間斷檢測(cè)到微量SF6(其他架后溜煤槽無(wú)法進(jìn)入測(cè)定)。

根據(jù)第二次考察結(jié)果，開(kāi)切眼下部SF6氣體在風(fēng)流中逐步混合，由煤壁向支架后方運(yùn)移，架間、架后SF6氣體濃度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但仍存在一定梯度，表明SF6氣體在開(kāi)切眼第20～40架運(yùn)移主要受開(kāi)切眼風(fēng)流作用，呈現(xiàn)向采空區(qū)流動(dòng)特征；在開(kāi)切眼中上部，SF6氣體濃度整體呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，特別是架后、架間濃度迅速降低，SF6氣體主要沿工作面開(kāi)切眼架前及煤壁運(yùn)移，結(jié)合第一次考察結(jié)果，在開(kāi)切眼中上部采空區(qū)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(kuò)散空間，即在工作面中上部受采空區(qū)、開(kāi)切眼風(fēng)流共同作用下，整體呈現(xiàn)由采空區(qū)向工作面涌出特征。

對(duì)比2次考察結(jié)果，對(duì)工作面風(fēng)流流動(dòng)方向表現(xiàn)出較高的一致性，但在架后區(qū)域卻存在一定差異，主要原因?yàn)楣ぷ髅骘L(fēng)流風(fēng)速在走向上自開(kāi)切眼至采空區(qū)逐漸降低，風(fēng)流在架后區(qū)域混合形成紊流，架后測(cè)定數(shù)據(jù)為瞬時(shí)結(jié)果，存在較大波動(dòng)所致。

2.2.2 瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

綜采放頂煤工藝開(kāi)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(qū)遺煤瓦斯涌出。對(duì)比2次風(fēng)流瓦斯?jié)舛瓤疾烨闆r，測(cè)定結(jié)果分布情況基本一致：在傾向上自下而上逐漸增大的同時(shí)，在走向上自采空區(qū)至工作面煤壁呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，特別是在工作面中上部表現(xiàn)較為明顯。結(jié)合工作面風(fēng)流測(cè)定分析結(jié)果，煤壁、落煤涌出瓦斯主要沿工作面風(fēng)流向上運(yùn)移，涌入回風(fēng)巷，僅少量由工作面下部漏入采空區(qū)；架后放煤釋放瓦斯在靠近采空區(qū)側(cè)紊亂風(fēng)流作用下，在開(kāi)切眼下部涌入采空區(qū)，在開(kāi)切眼中上部則涌入工作面；受整個(gè)沿空留巷段漏風(fēng)影響,采空區(qū)瓦斯(特別是深部高濃度瓦斯)將持續(xù)向工作面方向運(yùn)移，并由工作面中上部涌入工作面。

對(duì)比工作面下部各測(cè)點(diǎn)風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄?.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(kāi)切眼下端口與中部測(cè)定結(jié)果差值的2倍，作為工作面瓦斯涌出量，以開(kāi)切眼下端口與上隅角測(cè)定結(jié)果差值減去工作面瓦斯涌出量，作為采空區(qū)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(qū)瓦斯涌出量為1.65 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的75%。工作面生產(chǎn)期間，架后放煤瞬時(shí)涌出瓦斯將在漏風(fēng)影響下，由采空區(qū)進(jìn)一步向工作面涌出，采空區(qū)瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出主要來(lái)源。

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

3 采空區(qū)漏風(fēng)動(dòng)態(tài)變化

3.1 采空區(qū)漏風(fēng)通道動(dòng)態(tài)變化

1604工作面回采至出現(xiàn)初次來(lái)壓后，基本頂呈現(xiàn)“O-X”狀態(tài)，隨工作面不斷推進(jìn)至留巷位置，已連續(xù)回采70余m，基本頂呈現(xiàn)半個(gè)“O-X”狀態(tài)周期性破斷。受實(shí)體煤側(cè)的支撐作用，開(kāi)切眼位置、運(yùn)輸巷(里段未留巷)及回風(fēng)巷側(cè)基本頂懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷后，并不能完全壓實(shí)，最終形成采空區(qū)殘留邊界[18]，該區(qū)域與留巷段風(fēng)流能夠直接導(dǎo)通，成為長(zhǎng)期有效風(fēng)流通道。而開(kāi)切眼上部基本頂周期性破斷滯后于工作面開(kāi)采，與綜放支架共同形成大量風(fēng)流通道，此部分通道隨工作面推進(jìn)將一直存在，成為采空區(qū)涌出風(fēng)流、留巷段漏風(fēng)風(fēng)流與工作面開(kāi)切眼風(fēng)流相互交匯的主要區(qū)域。工作面上端頭附近基本頂“弧三角板”結(jié)構(gòu)的支撐作用，在回風(fēng)巷風(fēng)流作用下使上隅角成為采空區(qū)風(fēng)流主要涌出位置。

而留巷沿空側(cè)由于超前預(yù)裂切頂，形成短臂梁結(jié)構(gòu)，頂板最終沿?fù)蹴反胧┬纬上飵?，其圍巖結(jié)構(gòu)變化與采空區(qū)中部頂板變化較為一致，主要分為3個(gè)階段：直接頂切頂垮落階段、基本頂切頂斷裂移動(dòng)階段、上覆巖層再平衡階段[19]。沿工作面向采空區(qū)深部方向依次為松散區(qū)、壓實(shí)區(qū)、穩(wěn)定區(qū)，其漏風(fēng)通道(孔隙率)依次減小。采空區(qū)頂板垮落分布如圖3所示。

圖3 采空區(qū)頂板垮落分布示意圖

隨著工作面推進(jìn)，沿空留巷暴露在采空區(qū)側(cè)的面積不斷增大，盡管其增加部分主要為深部逐漸壓實(shí)、穩(wěn)定區(qū)域，在未采取有效封堵措施的情況下，整體漏風(fēng)通道仍呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

3.2 留巷初期漏風(fēng)量分布情況

根據(jù)留巷期間巷道表面位移檢測(cè)情況[20]，距工作面煤壁60 m為松散區(qū)，60～110 m為逐漸壓實(shí)區(qū)，110 m以遠(yuǎn)為穩(wěn)定區(qū)。在工作面推進(jìn)至運(yùn)輸巷沿空留巷長(zhǎng)度約30 m位置時(shí)，沿空留巷段采空區(qū)尚處于松散區(qū)范圍，對(duì)工作面進(jìn)、回風(fēng)路線進(jìn)行風(fēng)量測(cè)定考察。1604回風(fēng)巷風(fēng)量、1606開(kāi)切眼風(fēng)量、高位抽采巷抽采混合量之和與1604運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量基本吻合，符合風(fēng)量平衡定律，說(shuō)明測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作面風(fēng)流分布示意圖

由圖4可見(jiàn)，運(yùn)輸巷風(fēng)流自開(kāi)切眼分風(fēng)后，沿空留巷段呈現(xiàn)風(fēng)量遞減的趨勢(shì)，最里端測(cè)點(diǎn)風(fēng)量和開(kāi)切眼風(fēng)量基本一致，風(fēng)流沿巷道上幫漏入采空區(qū)，累計(jì)漏風(fēng)量約為100 m3/min；工作面開(kāi)切眼自下而上呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，風(fēng)流自開(kāi)切眼下部漏入采空區(qū)，而后自工作面開(kāi)切眼中上部由采空區(qū)涌入工作面，開(kāi)切眼漏風(fēng)量為150 m3/min左右，總漏風(fēng)量約占進(jìn)風(fēng)量的15%。

3.3 漏風(fēng)量動(dòng)態(tài)變化

在留巷段長(zhǎng)度30～70 m時(shí)，連續(xù)測(cè)定沿空留巷段風(fēng)量變化情況，跟蹤考察漏風(fēng)量動(dòng)態(tài)變化。留巷段分風(fēng)量及漏風(fēng)量均呈現(xiàn)先增高后下降趨勢(shì)，在留巷長(zhǎng)度35 m時(shí)達(dá)到最大值，40 m之后呈緩慢下降趨勢(shì)。而最終風(fēng)量(1606開(kāi)切眼風(fēng)量)則整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在留巷40 m之后下降幅度趨緩。留巷段風(fēng)量變化情況如圖5所示。

圖5 留巷段風(fēng)量變化情況

結(jié)合1604工作面采空區(qū)漏風(fēng)通道變化情況，留巷階段初次來(lái)壓之前(留巷長(zhǎng)度35 m之前)，留巷側(cè)基本頂尚未完全斷裂下移，同時(shí)未留巷段采空區(qū)仍處于松散狀態(tài)，此時(shí)留巷段與采空區(qū)及其殘留邊界導(dǎo)通性達(dá)到最大狀態(tài)。隨工作面推進(jìn)，留巷階段初次來(lái)壓之后，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，留巷段與采空區(qū)殘留邊界導(dǎo)通性削弱。因此，留巷段分風(fēng)量、漏風(fēng)量在初次來(lái)壓之前達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。

同時(shí)，根據(jù)風(fēng)量守恒和風(fēng)壓守恒定律，在不考慮漏風(fēng)及高位巷抽采的情況下，對(duì)1604工作面“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式下風(fēng)流風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，按照工作面回采期間風(fēng)量1 700 m3/min計(jì)算，在工作面留巷初期，回風(fēng)巷風(fēng)流風(fēng)量Q1為1 118 m3/min，沿空留巷段風(fēng)流風(fēng)量Q2為582 m3/min。隨著工作面推進(jìn)，運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷長(zhǎng)度不斷減小，回風(fēng)線路1風(fēng)流阻力逐漸減小，風(fēng)量逐漸增大，回風(fēng)線路2風(fēng)流則相反，按照工作面回采至終采線計(jì)算，Q1為1 270 m3/min，Q2為430 m3/min。受漏風(fēng)影響沿空巷道實(shí)際分風(fēng)量大于計(jì)算值，但整體隨工作面推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。在分風(fēng)量下降影響下，隨工作面推進(jìn)留巷段漏風(fēng)通道雖不斷增大，漏風(fēng)量卻呈緩慢下降趨勢(shì)，但下降幅度有限，沿空留巷段漏風(fēng)將持續(xù)影響采空區(qū)瓦斯運(yùn)移。

4 結(jié)論

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

2)采取風(fēng)量測(cè)定方法定量分析了沿空留巷漏風(fēng)動(dòng)態(tài)變化，沿空留巷段漏風(fēng)通道隨工作面推進(jìn)整體呈增大趨勢(shì)，但漏風(fēng)量在留巷階段初次來(lái)壓前達(dá)到峰值，而后受巷道風(fēng)流阻力變化影響，留巷段分風(fēng)量、漏風(fēng)量均呈緩慢下降趨勢(shì)。

3)礦井應(yīng)針對(duì)留巷段圍巖變化特點(diǎn)，在壓實(shí)區(qū)及穩(wěn)定區(qū)采取噴漿、在松散區(qū)采取風(fēng)布遮擋等措施，以有效減少沿空留巷段漏風(fēng)，降低采空區(qū)瓦斯向工作面涌出。