劉曉恒，師傳壯

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000)

近距離煤層小煤窯密布，井田煤層破壞嚴(yán)重,小煤窯空巷縱橫交錯,漏風(fēng)通道復(fù)雜,易形成大量隱蔽高溫區(qū)域,產(chǎn)生有毒有害氣體,一旦與生產(chǎn)區(qū)域溝通,嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。為此，許多專家對近距離煤層自然發(fā)火防治技術(shù)進行了研究，解決了實際問題。王永文[1]針對近距離煤層小煤窯密布井田漏風(fēng)通道復(fù)雜,采空區(qū)大面積連通,高溫區(qū)域難以準(zhǔn)確判定,單一手段治理火區(qū)困難的問題，通過分析火區(qū)成因，應(yīng)用各種防滅火技術(shù)，形成一套復(fù)雜成因自燃隱蔽災(zāi)害治理技術(shù)體系,為礦井安全、高效、綠色開采提供了保障。高峰[2]通過老巷探測、地面鉆探、井下探查等方式對火區(qū)進行探查,圈定了上覆4#煤層的井巷位置及自然發(fā)火的區(qū)域,并采取了井下密閉隔離、均壓通風(fēng)、地面注漿等綜合防控技術(shù)，有效預(yù)防和控制了采空區(qū)自燃。李強、鄔劍明等[3],通過采取預(yù)先打孔埋管監(jiān)測近距離煤層中上分層采空區(qū)氣體隨下分層工作面推進的分布規(guī)律及濃度,預(yù)測預(yù)報上分層采空區(qū)遺煤自燃情況，解決了中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦近距離煤層群開采下分層過程中極易引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問題。

汾西礦業(yè)集團柳灣煤礦屬近距離煤層開采，低瓦斯礦井，主采煤層自然傾向性為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸危險性。在長期的生產(chǎn)過程中礦井井田及周邊存在嚴(yán)重的私挖濫采現(xiàn)象，造成了大量位置不詳?shù)睦细G采空區(qū)。該礦61115綜放工作面所采太原組10+11#煤，放頂煤開采，煤層均厚5.43 m，煤層傾角3°左右，采用“U”型全風(fēng)壓通風(fēng)方式，瓦斯絕對涌出量0.43 m3/min. 工作面兩側(cè)均已回采，兩側(cè)煤柱留設(shè)20 m，上部為9#煤小煤窯采空破壞區(qū)，層間距約10 m. 在掘進期間材料巷、運輸巷多處與小窯空巷貫通導(dǎo)致CO涌出超限、氧氣濃度低于18%，雖然進行堵漏，但仍無法杜絕氣體異常涌出。為確保工作面回采期間的安全生產(chǎn)，防止有毒有害氣體侵入及煤層自燃，對工作面采用“風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)。

1 “風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)原理

“風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)是通過在工作面進、回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置局部通風(fēng)機、通風(fēng)構(gòu)筑物、測壓裝置等設(shè)施來實現(xiàn)的，“風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓示意圖見圖1，在工作面進風(fēng)側(cè)C處安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機，在回風(fēng)側(cè)D處安設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗，調(diào)壓設(shè)施的使用增加了C、D間風(fēng)流的壓能。其原理是在不影響礦井主要通風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)的情況下，控制井下工作面巷道間風(fēng)流流動狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)局部通風(fēng)系統(tǒng)中均壓范圍內(nèi)的壓能，使漏風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓差達到平衡，減少或防止漏風(fēng)，達到“堵風(fēng)防漏、以風(fēng)防火、以風(fēng)制火”的目的[4].

圖1 風(fēng)機-風(fēng)窗聯(lián)合均壓示意圖

2 “風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓設(shè)計方案

61115綜放工作面應(yīng)配風(fēng)量為650 m3/min，隨著工作面的推進，漏風(fēng)量及CO涌出量不斷增大，上隅角局部CO積聚，正常情況下CO濃度為0.018‰～0.024‰，但在放煤、移架或頂板冒落等異常涌出條件下，上隅角局部CO濃度可達0.05‰～0.06‰. 在61115工作面中部、進回風(fēng)隅角及兩巷前、中、后部設(shè)置的9個測風(fēng)點進行漏風(fēng)量測定，各點風(fēng)量見表1，發(fā)現(xiàn)主要漏風(fēng)點在工作面上隅角處，漏風(fēng)量約為80 m3/min.

表1 61115工作面各測點風(fēng)量表

根據(jù)聯(lián)合均壓防治原理，結(jié)合61115工作面實際情況，在工作面進風(fēng)聯(lián)巷安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機，進、回風(fēng)巷C、D兩點分別兩組調(diào)壓風(fēng)窗，見圖2.

圖2 工作面均壓系統(tǒng)布置示意圖

2.1 調(diào)壓范圍的確定

61115工作面采用均壓系統(tǒng)，通過增大工作面風(fēng)壓，使其與漏風(fēng)通道風(fēng)壓平衡，減小漏風(fēng)通道的漏風(fēng)量，達到減小有毒有害氣體侵入及防治自然發(fā)火的目的。為達到預(yù)期效果，在采用“風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓技術(shù)前，需確定工作面增壓值(范圍)，但由于采空區(qū)漏風(fēng)通道復(fù)雜，且多與地表裂隙溝通，直接測定漏風(fēng)通道阻力比較困難，又因為采空區(qū)漏風(fēng)通道與進風(fēng)井進風(fēng)形成了并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)(圖3)，故選擇與其并聯(lián)的“進風(fēng)井→漏風(fēng)點”通風(fēng)支路進行阻力計算[5].

圖3 工作面采用均壓系統(tǒng)前后通風(fēng)支路網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)井下巷道通風(fēng)阻力計算公式：

其中各測點的空氣密度按下式計算：

式中：

P1、P2—回采面漏風(fēng)通道起末兩測點風(fēng)流的絕對靜壓，Pa；

Z1、Z2—兩測點的標(biāo)高，m；

v1、v2—回采面漏風(fēng)通道起末兩測點風(fēng)流的風(fēng)速，m/s；

ρ′—兩測點風(fēng)流密度的平均值，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

t—測點空氣的溫度，℃；

h自—漏風(fēng)通道自然風(fēng)壓，冬季與地面主要通風(fēng)方向相同，夏季與地面主要通風(fēng)機方向相反，秋季和春季方向不定，Pa，一般最大為100～200.

經(jīng)實測工作面主要漏風(fēng)點上隅角處P2、Z2、t2、v2值分別為92 686 Pa、850 m、17 ℃、0.88 m/s；進風(fēng)井口處P1、Z1、t1值分別為90 776 Pa、1 050 m、10 ℃；v1取漏風(fēng)通道起點風(fēng)流的風(fēng)速，0；h自取150 Pa.

利用上述公式計算可得出h最大=310 Pa、h最小=110 Pa. 因此，61115綜放工作面漏風(fēng)通道阻力最大為310 Pa、最小為110 Pa，增壓范圍為110～310 Pa.

2.2 調(diào)壓風(fēng)機的選型

工作面選擇調(diào)壓風(fēng)機時應(yīng)滿足調(diào)壓風(fēng)機的最小風(fēng)壓、最小風(fēng)量應(yīng)大于工作面最大增壓值310 Pa、工作面需風(fēng)量650 m3/min.故選用兩臺FBD№7.1/2×45 kW的風(fēng)機，風(fēng)壓范圍為670～1 350 Pa，風(fēng)量850～939 m3/min.

2.3 調(diào)壓風(fēng)門及風(fēng)窗的安設(shè)

在61115材料巷、運輸巷內(nèi)各安設(shè)3道調(diào)壓風(fēng)門，其間距均為15 m，對前兩道調(diào)壓風(fēng)門進行閉鎖。運巷安設(shè)調(diào)壓風(fēng)門時必須對皮帶處進行全部封閉，以減少漏風(fēng)提高均壓效果。在調(diào)壓風(fēng)門上施工1 m×1 m插板式調(diào)節(jié)風(fēng)窗，安設(shè)位置為距頂板500 mm，用以調(diào)節(jié)工作面風(fēng)量及壓差，并在兩巷均壓風(fēng)門附近各安設(shè)“U”型水柱計。

2.4 建立工作面的監(jiān)控系統(tǒng)

建立完善的工作面監(jiān)控系統(tǒng)，包括安全監(jiān)測監(jiān)控、束管監(jiān)測、風(fēng)門閉鎖監(jiān)測、壓差監(jiān)測，實現(xiàn)對工作面氣體濃度、風(fēng)量、壓差的全方位實時監(jiān)測與傳輸，在調(diào)度室即可隨時掌握工作面均壓區(qū)域氣體濃度及壓差動態(tài)變化情況。

2.5 調(diào)壓期間安全技術(shù)措施

開啟61115材料巷的調(diào)壓風(fēng)機后，先關(guān)閉材料巷調(diào)壓調(diào)節(jié)風(fēng)門，后關(guān)閉運輸巷調(diào)壓風(fēng)門，逐步調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積。要密切關(guān)注工作面氣體參數(shù)變化，不斷調(diào)整調(diào)壓調(diào)節(jié)風(fēng)門，確保工作面氣體正常與通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。調(diào)整的最終結(jié)果為進風(fēng)順槽風(fēng)量保持不低于設(shè)計風(fēng)量(應(yīng)配風(fēng)量650 m3/min)，進風(fēng)側(cè)風(fēng)量要略大于回風(fēng)側(cè)風(fēng)量25 m3/min；同時進、回風(fēng)順槽調(diào)壓風(fēng)門內(nèi)外的壓差均保持在110～310 Pa，工作面與鄰近采空區(qū)壓能基本平衡，各種氣體濃度均符合《煤礦安全規(guī)程》及相關(guān)規(guī)定。

綜上所述，調(diào)壓風(fēng)機、調(diào)節(jié)風(fēng)窗及其輔助設(shè)施的安設(shè)，使工作面形成了一個相對封閉的均壓區(qū)域。通過調(diào)節(jié)均壓區(qū)域的調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟大小對工作面的風(fēng)壓及風(fēng)量進行調(diào)整，增加工作面的風(fēng)流壓力，使工作面與采空區(qū)漏風(fēng)通道的壓差達到平衡，減少采空區(qū)漏風(fēng)量及有害氣體的涌出。

3 聯(lián)合均壓防治系統(tǒng)的效果分析

61115工作面在02:00啟用調(diào)壓風(fēng)機，通過關(guān)閉兩巷調(diào)壓風(fēng)門，調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積控制均壓效果，每2 h對工作面上隅角氣體進行監(jiān)測，檢驗工作面均壓防治效果，上隅角的CO氣體濃度變化趨勢見圖4. 均壓防治系統(tǒng)啟用后，工作面上隅角CO濃度從0.024‰降至0.002‰左右(表2)，工作面漏風(fēng)量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右(表2). 此外，在與61115工作面相鄰近的采空區(qū)密閉內(nèi)也未檢測到自然發(fā)火標(biāo)志性氣體。該聯(lián)合均壓防治方案的實施不僅限制了采空區(qū)有毒有害氣體進入工作面，減少了工作面的漏風(fēng)量，對預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火也有積極的作用。

圖4 工作面均壓系統(tǒng)啟用前后上隅角CO變化趨勢圖

表2 工作面均壓系統(tǒng)啟用前后上隅角CO濃度、材運巷壓力變化對照表

4 應(yīng)用效果

均壓防治系統(tǒng)啟用后，工作面上隅角CO濃度從24×10-6下降至2×10-6左右，工作面漏風(fēng)量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右，有效限制了采空區(qū)有毒有害氣體進入工作面，減少了工作面的漏風(fēng)量。

5 結(jié) 論

柳灣煤礦采用“風(fēng)機-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)后有效解決了工作面漏風(fēng)，上隅角CO濃度超限。該技術(shù)的核心是通過增加調(diào)壓設(shè)施間工作面壓能，使其與漏風(fēng)通道末端風(fēng)流的絕對壓力相平衡，阻斷漏風(fēng)通道通風(fēng)支路的形成，減少漏風(fēng)。由于均壓系統(tǒng)的平衡隨大氣壓變化及工作面推進情況時刻變化，在使用該技術(shù)時必須每班關(guān)注工作面氣體、壓差及風(fēng)量變化，根據(jù)實際情況進行風(fēng)量及壓差調(diào)整，確保均壓系統(tǒng)可靠有效。調(diào)壓風(fēng)機因故停風(fēng)或調(diào)壓設(shè)施遭到破壞時，工作面必須強制停產(chǎn)并撤出人員。