胡世洛 楊應迪副教授

(安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232000)

0 引言

我國煤炭資源儲量相對豐富，縱觀2021年，我國煤炭資源的消耗量在一次性消耗能源中占比達60%[1]。在煤炭資源的開采過程中，留護巷煤柱的后退式開采占據主流。但是這種開采方法需要預先掘出運輸大巷，前期的工程準備工作量大，經濟投入大，投產晚，且遺留的護巷煤柱造成開采浪費。無煤柱前進式開采工作面投產快，初期工程量和基建投資少，且開采度高[2-3]。但是前進式開采過程中，巷道中的風流更容易向采空區(qū)流入，容易引發(fā)礦井火災，對井下構筑物和井下工作人員的生命安全造成威脅。因此，通過研究一通三防技術，確保無煤柱前進式開采的安全進行，保障井下人員生命和財產安全，可以帶來較好的經濟收益[4-7]。

煤炭行業(yè)相關學者在研究無煤柱開采技術[8]的過程中，無煤柱開采原理及工藝、煤巖中的應力分布、頂板垮落數學模型方面是重點研究對象，而對該種開采工法下一通三防工作領域中存在的安全問題研究則略顯不足。波蘭學者TUTAK[9]分別模擬出U型前進式和U型后退式2種通風方式下的氧氣場和速度場，得出內源火災高風險區(qū)域風速大小為0.001 5～0.02 m/s，氧氣濃度的最小值大于8%，并且U型前進式內源火災高風險區(qū)域明顯大于U型后退式。現階段通過數值模擬來研究采空區(qū)漏風強度和漏風分布規(guī)律[10]，由于實際采空區(qū)高度復雜，再加上數值模擬是在諸多假設條件下完成的，而這些假設條件與實際情況有一定的偏差。因此所得結果在理論方面的價值更高。如果想要得到更加真實的結論，則需要結合工作面采空區(qū)的實際情況進一步對比研究，以提高數值模擬的準確性和實用性。

以檸條塔礦擬采N1217工作面為工程背景，針對無煤柱前進式開采工法下工作面的一通三防工作展開分析，為工作面的安全開采奠定理論基礎。

1 無煤柱前進式U型通風開采工作面工法介紹

1.1 N00工法發(fā)展歷程

何滿潮院士團隊對傳統111工法的長期研究提出切頂短臂梁理論[11]，該理論的誕生為煤礦井下礦壓災害防治提供新的技術思路?；谠摾碚摷捌潢P鍵技術，何滿潮院士團隊提出110工法[12]。何滿潮院士團隊在此基礎上進一步提出N00工法[13]，該工法可同時實現無煤柱開采和自成巷技術。

1.2 2GN00工法介紹

2GN00工法是在N00工法實驗研究基礎上，為了滿足雙側切頂留巷的目標提出的，是N00工法的進一步優(yōu)化和升級[14]。

2GN00工法示意圖，如圖1。該工法利用切頂短臂梁理論進行雙側留巷，提前切頂，利用礦壓做功，讓留巷側采空區(qū)盡早冒落壓實，及時形成設計的巷道，滿足二次使用要求，達到采留一體化作業(yè)，自采自留。從源頭上取消先掘進后采煤的長壁后退式采煤模式，極大地減少了回采巷道的掘進量、掘進工作面?zhèn)€數和作業(yè)人數，提高回采率[15-16]。

圖1 2GN00工法示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2GN00 construction method

2 工程背景

2.1 工作面概況

陜煤集團檸條塔煤曾在S1201工作面開展110工法生產試驗項目，并取得較好的實驗效果[17]。

檸條塔煤礦N1217工作面位于井田北翼2-2煤生產系統以西，N1213工作面西北側，為北翼盤區(qū)西部第9個工作面，與N1213工作面之間間隔了N1215工作面。N1217工作面走向長3 010m，傾斜長300m，面積903 000m2，工業(yè)儲量2.45Mt，可采儲量2.40Mt，工作面位置示意圖，如圖2。

圖2 N1217工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of N1217 working face

2.2 通風方式介紹

N1217工作面擬采用2GN00工法回采2-2煤層。相較N00工法而言，2GN00工法采用長壁前進式采煤方法，通風方式采用U型前進式。2GN00工法在回采初期不再單獨布置順槽或者盤區(qū)邊界巷道，通過前進式回采，利用切頂卸壓自動成巷技術形成工作面兩側順槽，其工作面布置，如圖3。

圖3 2GN00工法工作面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of the working face of the 2GN00 construction method

3 無煤柱前進式U型通風工作面“一通三防”特性

3.1 通風系統特性

(1)風流運輸路線。N1217工作面采用負壓獨立通風系統，由工作面膠運順槽進風，工作面回風順槽回風，其污風直接進入2-2煤北翼回風大巷。其通風線路為：新鮮風流，進風井→北翼2-2煤膠運大巷、北翼2-2煤輔運大巷→N1217膠運順槽→N1217工作面；污風流，N1217工作面→N1217回風順槽→北翼2-2煤回風大巷→北翼回風斜井。工作面通風系統示意圖，如圖4。

圖4 N1217工作面通風系統圖Fig.4 Ventilation system diagram of N1217 working face

(2)N1217工作面通風系統安全性分析。2GN00工法開采工藝不留煤柱，開采預留靠近采空區(qū)側的巷道壁由垮落的碎石組成；此外，N1217工作面采用抽出式通風系統，回風留巷內氣壓將明顯低于工作面和進風巷氣壓。在氣壓差作用下，若因切頂卸壓成巷出現墻體接頂不實、墻體局部壓裂等問題，進風巷及工作面風流易流入采空區(qū)，加重采空區(qū)漏風程度，容易引起通風系統紊亂，從而進一步引發(fā)火災等安全事故。

(3)數值模擬分析。根據實際工程，建立2GN00工法擬開采工作面采空區(qū)物理模型，并利用FLUENT數值模擬軟件進行求解計算，得到采空區(qū)風速流線，如圖5。

圖5 采空區(qū)速度流線圖Fig.5 Velocity streamline diagram of goaf

由圖5可知，距開切眼約50m范圍內采空區(qū)的壓實情況較好，漏風范圍小，漏風量也相對較小。距開切眼50～250m，漏風范圍較大，采空區(qū)中部壓實情況較好，流入風流很大一部分流向靠近工作面處的采空區(qū)，漏風量較大。距開切眼250～300m，漏風情況復雜，漏風范圍大，有進風順槽和工作面雙面漏風加上中部風流偏移流經該部分使得此處采空區(qū)氧氣濃度大，極易發(fā)生煤自燃。

3.2 瓦斯災害特性

檸條塔煤礦礦井瓦斯絕對涌出量2.02m3/min，相對涌出量0.05m3/t，屬低瓦斯礦井。2-2煤層處于瓦斯風化帶，瓦斯含量較低，工作面開采過程中瓦斯涌出量較小。擬采工作面N1217的相鄰工作面最大瓦斯絕對涌出量0.03m3/min，瓦斯涌出量較低。

3.3 火災特性

3.3.1 礦井煤層自燃特性

根據陜西安技煤礦安全裝備檢測有限公司2019年04月29日出具的《煤塵爆炸性、煤自燃傾向性》鑒定報告，2-2煤層屬Ⅰ類容易自燃煤層。根據中煤科工集團重慶研究院有限公司2019年06月19日出具的《煤樣最短自然發(fā)火期實驗報告》，經實驗得出2-2煤層最短自然發(fā)火周期為36天。

3.3.2 自然發(fā)火性

2GN00工法開采工藝容易產生漏風，改變采空區(qū)遺煤氧化“三帶”分布特性，使散熱帶和自燃帶的寬度在靠近進風側較大，同時會增加自燃危險區(qū)域的寬度。如果漏風量、漏風風速、漏風通道及遺煤堆積等條件滿足，還會造成采空區(qū)內遺煤自燃。2GN00工法開采工藝可能導致的火災問題如下：

(1)反復漏風誘發(fā)煤自燃特性的改變。2GN00工法會在采空區(qū)兩側形成巷道，并分別用于進風巷和回風巷，會導致采空區(qū)一直處于漏風狀態(tài)，或者堵漏后再次發(fā)生漏風，使首次氧化的煤樣在隔絕氧氣后會再次接觸氧氣，改變煤的自燃特性。

(2)漏風規(guī)律及漏風通道多變，易誘發(fā)煤自燃。2GN00工法采用垮落的頂板作為留巷的主體，由于頂板垮落過程中容易產生破裂且結頂難，在開采初期，漏風速率和漏風量與傳統的開采工藝有很大差別。此外，采空區(qū)兩側在壓力差及采動影響下，采空區(qū)的其他位置也極易產生漏風通道，當漏風量、漏風風速及遺煤堆積等條件滿足時會造成采空區(qū)內遺煤自燃。

(3)自燃三帶發(fā)生變化。2GN00工法條件下，由于采空區(qū)時刻暴露在進、回風巷道內，很難避免完全不漏風情況的出現，在這種情況下，自燃三帶的變化將出現較難預測的情況。在開采初期，漏風速率和漏風量很大，形成散熱帶，但是隨著堵漏措施的實施，漏風量逐漸減小，會使同一區(qū)域過渡到氧化帶，從而誘發(fā)煤自燃。

3.4 粉塵災害特性分析

N1217工作面設計采用一次采全高工藝，生產能力的提升也帶來極為嚴重的粉塵污染問題。同時，N1217工作面采用2GN00工法后，通風系統采用U型前進式通風方式，工作面推進過程中在采空區(qū)兩側采用爆破切頂工序形成留巷，隨之也帶來新的粉塵問題：

(1)工作面塵源特征及運移規(guī)律的改變。N1217工作面采用2GN00工法后會在采空區(qū)兩側形成巷道，作為進、回風巷道，采煤工作面通風工況與后退式開采發(fā)生改變，此過程中爆破切頂、巷道支護、截割等工序產生的粉塵污染物在井下受限空間內的擴散及沉積規(guī)律也會隨之改變，對降塵、隔爆裝置的合理布置可能存在一定影響。

(2)N1217工作面存在煤塵爆炸風險。根據陜西安技煤礦安全裝備檢測有限公司鑒定報告，測定結果為：煤塵爆炸時，焰長均≥400mm，具有爆炸性。煤礦井下可能引起煤塵爆炸的火源有電氣火花、摩擦起火、電焊火花等。采用2GN00工法后工作面風流會在采空區(qū)兩側形成風壓差，容易誘發(fā)煤自燃，并且爆破切頂工序也可能產生火焰。因此，在工作面生產期間不允許空氣中煤塵達到爆炸濃度。

4 無煤柱前進式U型通風工作面“一通三防”技術措施

4.1 通風保障措施

N1217工作面回采通風系統安全保障主要是從工作面配風量計算、實施與監(jiān)控保障入手，在確保工作面風量滿足需風要求、通風系統阻力滿足規(guī)范要求、主要通風機運行在安全區(qū)間、通風網絡結構科學合理、風量風質達到規(guī)程要求的前提下，進而保障工作面回采期間的工作面局部通風系統與礦井通風系統的安全可靠，擬定的具體措施如下：

(1)工作面空間關系與通風網絡結構關系。利用礦井工程平面圖和通風系統圖繪制礦井三維立體圖，結合三維礦山軟件分析N1217工作面采空區(qū)與同煤層采空區(qū)、近煤層采空區(qū)，以及與地表之間的空間位置關系，找出與N1217工作面采空區(qū)及巷道相互關聯的所有通道。

(2)工作面及系統需配風優(yōu)化模型及最佳風量的確定。將2GN00工法采空區(qū)分為壓實段、封堵段、未封堵段，利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)數值模擬技術確定不同階段的采空區(qū)漏風系數?？茖W計算全礦井的需風量，合理分配礦井的風量，可以提高礦井有效風量率，達到降低采空區(qū)壓差，繼而達到降低采空區(qū)漏風量的目的。

(3)工作面通風系統及控風體系建立。根據分段式漏風系數劃分機理，結合工作面推進速度及采空區(qū)封堵進度，劃定分級監(jiān)測區(qū)域，為各區(qū)域配備壓力、風速、溫度、密度等相關通風參數的傳感器，實時監(jiān)測相應區(qū)域的風量和風質情況。根據通風網絡實時解算，基于礦井智能通風技術和N1217工作面控風模型，采用礦井通風系統遠程集中管控系統對主要通風機、局部通風機及相關通風設施進行遠程調控，對N1217工作面進行風量自動調校，保障回采期間通風系統穩(wěn)定可靠。

4.2 瓦斯防治措施

因2-2煤層處于瓦斯風化帶，瓦斯含量較低，工作面開采過程中瓦斯涌出量較小，礦井可以采用以風排為主，安全監(jiān)測監(jiān)控、人工巡檢等措施相結合的瓦斯綜合防治措施。

4.3 防滅火措施

(1)反復漏風誘發(fā)煤自燃特性的危險性分析。結合現有煤自燃傾向性、發(fā)火期以及110工法和N00工法獲得的采空區(qū)自然發(fā)火危險性數據，分析采用2GN00工法后，反復漏風導致持續(xù)的通風供氧條件下，誘發(fā)煤自燃特性的危險性。

(2)采空區(qū)自燃三帶演化規(guī)律。采用現場埋設抽氣管路，通過管路抽取采空區(qū)氣樣，送入氣相色譜儀進行分析，采集采空區(qū)距工作面不同距離處氣樣，研究O2、CO、CO2等氣體濃度隨工作面推進距離的動態(tài)變化規(guī)律；通過埋設的溫度探頭測定采空區(qū)溫度變化情況，測試采空區(qū)距工作面不同距離處遺煤溫度，研究采空區(qū)中煤溫在工作面推進過程中的動態(tài)變化規(guī)律；根據N1217工作面采空區(qū)內部溫度、氣體濃度隨著工作面推進的變化規(guī)律，確定工作面采空區(qū)自燃三帶并計算工作面最低推進速度。最后結合CFD數值模擬技術，加以定性驗證。

(3)采空區(qū)監(jiān)測與預警技術。建立由束管監(jiān)測系統、人工取樣分析系統、傳感器檢測系統組成的采空區(qū)預警監(jiān)測系統和以光纖傳感為主體的采空區(qū)溫度監(jiān)測預警系統。

(4)采空區(qū)多層次煤自燃防控技術。N1217工作面前進式開采中最大的問題是漏風誘發(fā)煤自燃，故采空區(qū)煤自燃防控技術以堵漏為主，注漿、注氮及噴灑阻化劑為輔，采取多層次采空區(qū)煤自燃綜合防控技術。在開采前期，采空區(qū)未封堵或者已經封堵，但是其封堵效果未經驗證，此時采空區(qū)漏風量較大，則應注漿增強采空區(qū)的密閉性。在開采后期，采空區(qū)封堵措施良好，采用注氮的方式降低采空區(qū)氧氣濃度，防治采空區(qū)煤自燃。

4.4 粉塵防治措施

(1)工作面塵源特征及運移規(guī)律。結合現場調研的實際數據，利用CFD數值模擬軟件，采用基于同位網格的壓力耦合方程組的半隱式(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE)方法對采煤工作面粉塵分布規(guī)律進行數值模擬，得到粉塵在采煤工作面的擴散規(guī)律，保障工作面防塵技術措施的有效落實。

(2)工作面煤塵爆炸特性及防控措施。采煤生產作業(yè)期間產生的大量粉塵，一部分隨著通風流帶出工作面，另一部分在巷道中沉積下來。根據檸條塔礦N1217采煤工作面生產過程中塵源特征分析結果，結合巷道通風參數開展實驗室試驗，研究煤塵起爆的臨界狀態(tài)參數與環(huán)境指標參數之間的耦合變化關系。分析塵源爆炸危險程度及煤塵沉積的可能位置，采取高效降塵、除塵技術對生產過程中產生的粉塵進行捕集，完善現有工作面防爆措施及制度，極大程度上降低工作面煤塵發(fā)生爆炸的危險性。

5 結論

(1)無煤柱前進式U型通風工作面漏風面廣、漏風量大，在進行漏風通道的精準定位以及采用分段式控風措施后，可以保障工作面擁有足夠風量的同時減少風量的浪費。

(2)2GN00工法開采工藝下，采空區(qū)遺煤自燃是最大的隱患。在進行堵漏風的基礎上，采用“煤自然特性分析—采空區(qū)三帶劃分—監(jiān)測預警—遺煤自燃防控”的方式，避免無煤柱前進式U型通風工作面的火災發(fā)生。

(3)N1217工作面瓦斯含量較低且U型通風系統可以較好清理工作面涌出的瓦斯，不存在重大的瓦斯事故隱患，做好瓦斯監(jiān)控即可。

(4)無煤柱前進式開采工作面需要進行雙側切頂，在此過程中采取的爆破切頂工藝使得產塵量有所增加。在防治措施上依舊采取“分析—尋源—降塵—監(jiān)測”體系，與傳統工藝相比并無太大區(qū)別。