郭艳飞，郝 殿，李学臣，易书钢
(焦作煤业(集团)有限责任公司 科学技术研究所，河南 焦作 454002)
沿空留巷在实现无煤柱开采、提高煤炭资源采出率的同时，可有效降低采掘比、缓解矿井采掘接替紧张局面，这是我国深部煤炭开采沿空护巷的主要发展方向[1]。然而，基于“切顶短壁梁理论”的切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术所形成的采空区[2]，与用传统回采工艺所形成的密闭采空区相比，呈开放状态，导致工作面采空区漏风明显增大，这给采空区遗煤自燃防治及瓦斯抽采措施的实施带来一定的困难[3-4]。国内外学者针对不同煤层赋存，以及矿井通风情况下的漏风及其巷道围岩裂隙开展了大量研究[5-10]，取得了许多成果。但有别于常规Y型通风“两进一回”方式有利于解决工作面上隅角处的瓦斯超限[11-13]，古汉山矿1604工作面在运输巷切顶留巷后采取“一进两回”的通风方式，采空区风流流动、气体分布情况具有明显差异，进一步加剧了采空区有害气体涌出的危险。基于此，采用SF6示踪气体技术[14-15]，开展沿空留巷及Y型通风方式下工作面漏风及瓦斯涌出规律研究，正确判断采空区风流流动方向，对指导矿井采取有效措施，加强采空区瓦斯抽采管理具有重要意义。
1.1 工作面基本情况
1604工作面位于16采区西翼，北部为16021工作面(已回采)，南部为1606工作面(未回采)，西部为界碑断层保护煤柱，东部为16西翼回风下山保护煤柱。工作面走向长度978～1 010 m，倾向长度155～173 m，煤层厚度4.7～6.2 m，平均厚5.5 m，煤层平均倾角13°。1604工作面相对位置关系及风流方向如图1所示。
图1 工作面位置及风流方向示意图
为进一步提高煤炭资源采出率、缓解工作面采掘衔接紧张等问题，1604工作面在正常推进约70 m至1606工作面开切眼(已掘进成巷)位置后，采用切顶卸压沿空留巷技术保留运输巷形成1606工作面，作为接替工作面。同时，工作面通风方式由常规U型通风转变为“一进两回”Y型通风，运输巷新鲜风流在工作面开切眼下部分流，一部分通过工作面开切眼及回风巷至16辅助回风巷(回风线路1)，另一部分通过沿空留巷段、1606开切眼、通风立眼及1606底抽巷至16回风巷(回风线路2)。
1.2 沿空留巷实施
1604运输巷按照“切(超前预裂切缝)、补(顶板补强支护)、护(巷帮挡矸防护)、支(滞后临时支护)”沿空留巷工艺流程[16]，在实施过程中沿空巷道变形可控，基本达到了无煤柱沿空留巷的目的。但随着工作面推进,顶板下位岩层反复扰动，沿空留巷在工作面滞后开采影响下，出现一定程度的底鼓、变形，留巷侧帮采用“金属网+风筒布+塑料网+挡矸柱”的方式，仅起到阻隔采空区垮落岩石的作用，采空区全部暴露在巷道内，形成一种完全开放状态[17]。
2.1 测定方法及步骤
根据工作面通风方式特征，采用定点连续稳定恒量释放方式，设计在运输巷沿空留巷外段及工作面开切眼下部煤壁分别释放SF6示踪气体，考察沿空留巷段及工作面开切眼风流流动方向。第一次考察，释放点位于沿空留巷外段距离工作面开切眼6 m沿空侧巷帮位置；
第二次考察，释放点位于工作面开切眼第10架煤壁位置。考察期间，分别在预定位置连续释放SF6气体直至测定结束，释放速度均为15 L/min。SF6气体释放10 min后开展参数测定，沿倾向上每间隔5架进行一组测定，沿走向上每组分别测定架后、架间、架前及煤壁处风流瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)及SF6体积分数。根据2次考察测定结果绘制SF6体积分数、瓦斯浓度分布云图，如图2所示。
图2 工作面风流SF6体积分数及瓦斯浓度分布云图
2.2 测定结果及分析
2.2.1 SF6气体分布特征
1)第一次考察情况
工作面检修期间，在沿空留巷外段释放SF6气体后，在工作面开切眼自下而上进行首轮测定，15 min后在开切眼第25架位置首次检测到SF6气体，在工作面开切眼中上部检测SF6气体浓度整体较低，但在工作面上隅角附近检测得到最大值。气体连续释放40 min后，沿工作面开切眼自上而下进行复测，在开切眼第5～102架位置均不同程度检测到SF6气体，但第15架、65架及85架以上位置检测浓度相对较高，且整体高于首次测定结果，同时在工作面上隅角附近检测得到最大值。
SF6气体运移主要受沿空留巷段风流作用，其涌出特征代表了沿空留巷段风流流动方向。由SF6气体涌出情况可以看出，沿空留巷段存在明显的漏风现象，风流经巷道上帮进入采空区后，短时间内便经工作面开切眼第25架以上不同位置涌入工作面，表明工作面架后一定距离采空区与工作面具有较为良好的连通性，风流在该区域流动阻力较小。随着时间延长，SF6气体释放量增加，工作面检测SF6体积分数明显增大，说明SF6气体在留巷段风流带动下主要沿回风线路2运移的同时，在留巷段不同位置漏风作用下均向采空区内渗漏，并在采空区内持续向工作面方向运移，最终自开切眼中上部涌出。
2)第二次考察情况
工作面检修期间，在开切眼下部煤壁释放SF6气体后，在开切眼风流的带动下逐步扩散，沿倾向自下而上测定SF6浓度，呈现降低趋势，但在回风巷端口位置附近快速升高；
沿走向整体呈现靠近煤壁侧SF6浓度高于采空区侧，且工作面下部采空区侧高于工作面上部，特别是第55架及85架以上位置，测定的SF6浓度较低。在每组参数测定期间，架间、架前、煤壁处SF6浓度相对稳定，架后则有较大范围波动，且在上端头架后溜煤槽处检测的浓度最低，仅间断检测到微量SF6(其他架后溜煤槽无法进入测定)。
根据第二次考察结果，开切眼下部SF6气体在风流中逐步混合，由煤壁向支架后方运移，架间、架后SF6气体浓度呈现增大趋势，但仍存在一定梯度，表明SF6气体在开切眼第20～40架运移主要受开切眼风流作用，呈现向采空区流动特征；
在开切眼中上部，SF6气体浓度整体呈现逐渐下降趋势，特别是架后、架间浓度迅速降低，SF6气体主要沿工作面开切眼架前及煤壁运移，结合第一次考察结果，在开切眼中上部采空区气体向工作面涌出量增大，一方面稀释了架后及架间SF6气体浓度，另一方面挤压了SF6气体扩散空间，即在工作面中上部受采空区、开切眼风流共同作用下，整体呈现由采空区向工作面涌出特征。
对比2次考察结果，对工作面风流流动方向表现出较高的一致性，但在架后区域却存在一定差异，主要原因为工作面风流风速在走向上自开切眼至采空区逐渐降低，风流在架后区域混合形成紊流，架后测定数据为瞬时结果，存在较大波动所致。
2.2.2 瓦斯浓度分布特征
综采放顶煤工艺开采条件下，工作面瓦斯涌出主要包括煤壁、落煤、放煤及采空区遗煤瓦斯涌出。对比2次风流瓦斯浓度考察情况，测定结果分布情况基本一致：在倾向上自下而上逐渐增大的同时，在走向上自采空区至工作面煤壁呈现逐渐降低趋势，特别是在工作面中上部表现较为明显。结合工作面风流测定分析结果，煤壁、落煤涌出瓦斯主要沿工作面风流向上运移，涌入回风巷，仅少量由工作面下部漏入采空区；
架后放煤释放瓦斯在靠近采空区侧紊乱风流作用下，在开切眼下部涌入采空区，在开切眼中上部则涌入工作面；
受整个沿空留巷段漏风影响,采空区瓦斯(特别是深部高浓度瓦斯)将持续向工作面方向运移，并由工作面中上部涌入工作面。
对比工作面下部各测点风流瓦斯浓度平均值0.068%，工作面上部平均值为0.139%，约为工作面下部的2倍；
若以开切眼下端口与中部测定结果差值的2倍，作为工作面瓦斯涌出量，以开切眼下端口与上隅角测定结果差值减去工作面瓦斯涌出量，作为采空区瓦斯涌出量，则检修期间工作面瓦斯涌出量为0.54 m3/min、采空区瓦斯涌出量为1.65 m3/min，采空区瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的75%。工作面生产期间，架后放煤瞬时涌出瓦斯将在漏风影响下，由采空区进一步向工作面涌出，采空区瓦斯涌出为工作面瓦斯涌出主要来源。
因此，1604工作面在沿空留巷及Y型通风条件下，工作面风流分别自沿空留巷上帮及开切眼下部漏入采空区，并由开切眼上部涌入工作面；
沿空留巷段漏风风流加大了采空区瓦斯涌出量及涌出范围，采空区瓦斯为工作面瓦斯涌出主要来源，漏风作用进一步增大了采空区瓦斯治理难度。
3.1 采空区漏风通道动态变化
1604工作面回采至出现初次来压后，基本顶呈现“O-X”状态，随工作面不断推进至留巷位置，已连续回采70余m，基本顶呈现半个“O-X”状态周期性破断。受实体煤侧的支撑作用，开切眼位置、运输巷(里段未留巷)及回风巷侧基本顶悬臂梁结构破断后，并不能完全压实，最终形成采空区残留边界[18]，该区域与留巷段风流能够直接导通，成为长期有效风流通道。而开切眼上部基本顶周期性破断滞后于工作面开采，与综放支架共同形成大量风流通道，此部分通道随工作面推进将一直存在，成为采空区涌出风流、留巷段漏风风流与工作面开切眼风流相互交汇的主要区域。工作面上端头附近基本顶“弧三角板”结构的支撑作用，在回风巷风流作用下使上隅角成为采空区风流主要涌出位置。
而留巷沿空侧由于超前预裂切顶，形成短臂梁结构，顶板最终沿挡矸措施形成巷帮，其围岩结构变化与采空区中部顶板变化较为一致，主要分为3个阶段：直接顶切顶垮落阶段、基本顶切顶断裂移动阶段、上覆岩层再平衡阶段[19]。沿工作面向采空区深部方向依次为松散区、压实区、稳定区，其漏风通道(孔隙率)依次减小。采空区顶板垮落分布如图3所示。
图3 采空区顶板垮落分布示意图
随着工作面推进，沿空留巷暴露在采空区侧的面积不断增大，尽管其增加部分主要为深部逐渐压实、稳定区域，在未采取有效封堵措施的情况下，整体漏风通道仍呈现增大趋势。
3.2 留巷初期漏风量分布情况
根据留巷期间巷道表面位移检测情况[20]，距工作面煤壁60 m为松散区，60～110 m为逐渐压实区，110 m以远为稳定区。在工作面推进至运输巷沿空留巷长度约30 m位置时，沿空留巷段采空区尚处于松散区范围，对工作面进、回风路线进行风量测定考察。1604回风巷风量、1606开切眼风量、高位抽采巷抽采混合量之和与1604运输巷进风量基本吻合，符合风量平衡定律，说明测定结果准确可靠。测定结果如图4所示。
图4 工作面风流分布示意图
由图4可见，运输巷风流自开切眼分风后，沿空留巷段呈现风量递减的趋势，最里端测点风量和开切眼风量基本一致，风流沿巷道上帮漏入采空区，累计漏风量约为100 m3/min；
工作面开切眼自下而上呈现先减小后增大趋势，风流自开切眼下部漏入采空区，而后自工作面开切眼中上部由采空区涌入工作面，开切眼漏风量为150 m3/min左右，总漏风量约占进风量的15%。
3.3 漏风量动态变化
在留巷段长度30～70 m时，连续测定沿空留巷段风量变化情况，跟踪考察漏风量动态变化。留巷段分风量及漏风量均呈现先增高后下降趋势，在留巷长度35 m时达到最大值，40 m之后呈缓慢下降趋势。而最终风量(1606开切眼风量)则整体呈现下降趋势，在留巷40 m之后下降幅度趋缓。留巷段风量变化情况如图5所示。
图5 留巷段风量变化情况
结合1604工作面采空区漏风通道变化情况，留巷阶段初次来压之前(留巷长度35 m之前)，留巷侧基本顶尚未完全断裂下移，同时未留巷段采空区仍处于松散状态，此时留巷段与采空区及其残留边界导通性达到最大状态。随工作面推进，留巷阶段初次来压之后，采空区逐渐被压实，留巷段与采空区残留边界导通性削弱。因此，留巷段分风量、漏风量在初次来压之前达到峰值，随后逐渐下降。
同时，根据风量守恒和风压守恒定律，在不考虑漏风及高位巷抽采的情况下，对1604工作面“一进两回”通风方式下风流风量进行计算，按照工作面回采期间风量1 700 m3/min计算，在工作面留巷初期，回风巷风流风量Q1为1 118 m3/min，沿空留巷段风流风量Q2为582 m3/min。随着工作面推进，运输巷及回风巷长度不断减小，回风线路1风流阻力逐渐减小，风量逐渐增大，回风线路2风流则相反，按照工作面回采至终采线计算，Q1为1 270 m3/min，Q2为430 m3/min。受漏风影响沿空巷道实际分风量大于计算值，但整体随工作面推进呈下降趋势。在分风量下降影响下，随工作面推进留巷段漏风通道虽不断增大，漏风量却呈缓慢下降趋势，但下降幅度有限，沿空留巷段漏风将持续影响采空区瓦斯运移。
1)采用示踪气体法定性分析了沿空留巷“一进两回”通风方式下工作面采空区风流流动方向，工作面风流分别自沿空留巷上帮及开切眼下部漏入采空区，并由开切眼上部涌入工作面。沿空留巷段漏风风流加大了采空区瓦斯涌出量及涌出范围，采空区瓦斯为工作面瓦斯涌出主要来源，漏风作用进一步增大了采空区瓦斯治理难度。
2)采取风量测定方法定量分析了沿空留巷漏风动态变化，沿空留巷段漏风通道随工作面推进整体呈增大趋势，但漏风量在留巷阶段初次来压前达到峰值，而后受巷道风流阻力变化影响，留巷段分风量、漏风量均呈缓慢下降趋势。
3)矿井应针对留巷段围岩变化特点，在压实区及稳定区采取喷浆、在松散区采取风布遮挡等措施，以有效减少沿空留巷段漏风，降低采空区瓦斯向工作面涌出。
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