高瓦斯易燃煤層綜放面風量優化技術研究

梅 勇

0 引言

近年來，隨著國民經濟的不斷發展與采礦技術的提高，國內綜放面的規模和產量得到一定提高，工作面的日單產甚至最高達到了50 kt[1]。目前，國內相關礦井已采取布置單尾巷或雙尾巷的通風方式解決大采長綜放面瓦斯排放問題并取得一定成效，但高瓦斯易燃煤層在布置雙尾巷后使得工作面風量分配等回采參數隨之改變。因此，對大采長、布置雙尾高瓦斯綜放面風量進行優化，確保大采長高瓦斯易燃煤層綜放面高效安全生產。

1 大采長、雙尾巷K8202綜放面概況

K8202工作面位于陽煤集團三礦15號煤層，工作面走向長1 334 m，傾斜長260.4 m，面積0.347 km2。采用“四六”制作業制度，三班生產，一班檢修。年工作日為300 d。工作面循環進度為0.8 m，日循環個數4個，日進3.2 m，月進96 m。煤層平均厚度為6.39 m，工作面長 260.4 m，循環產量1661.89 t，日產量6 647.56 t，生產能力核定定為19.943萬t/月。工作面服務年限為14個月。通風系統如圖1所示。

綜放面正常回采期間絕對瓦斯涌出量 16.26 m3/min～65.16 m3/min之間。煤自燃傾向性為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。最短自燃發火期23 d，煤層自燃發火頻繁[2]。采空區自燃“三帶”分布為:散熱帶寬度為0 m～13 m左右，氧化帶寬度13 m～43 m左右。瓦斯與火共存，給工作面的安全生產造成巨大的威脅。

2 礦井通風系統的合理性、可靠性分析

分析礦井通風系統的合理性、可靠性，有利于工作面風量優化結果更加合理。

1)礦井通風方式及通風系統對礦井安全的保證程度和措施:陽煤三礦采用抽出式通風方式，此方式使井下風流處于負壓狀態，當主扇因故停止運轉時，井下風流壓力的提高可抑制采空區瓦斯的涌出，是國內外礦井最常用的一種方式。礦井采用分區式通風系統，各分區有獨立的通風線路，互不影響，并都設有專用回風巷道，通風設施齊全，該通風系統可保證井下各用風地點正常通風。本系統對于該礦井是合理的。2)礦井風量與通風網絡對安全的保證程度:礦井風量根據《煤礦安全規程》按實際需要量計算及分配，在生產過程中經常測量各用風地點風量及各種參數，及時調整風量。3)礦井安全出口及保證措施:4個安全出口，分別為副立井、聯合材料斜井、聯合進風井及東西畛進風井。安全出口內均設置行人臺階或梯子間可用于人員上下。4個井筒是井下通往地面的4個安全出口，只要進行定期檢查維修，這些安全出口的安全性就是有保障的。

3 K8202綜放面一般風量考察

3.1 K8202綜放面風量核算

K8202綜放面配風量根據工作面最大班工作人數、稀釋割煤及放煤后涌出的有害氣體，確保工作面有適宜作業的空氣環境。配風量按上述要求分別計算，并選取其中的最大值為工作面一般風量，核算結果[3]如下:

工作面同時工作最多人數:

其中，Q礦為工作面風量，m3/min;4為人均每分最低需風量，4 m3/min;N為工作面同時最多人數，N=120人。

工作面瓦斯涌出量:

其中，Q采為回采工作面實際需要風量，m3/min;qCH4為工作面平均絕對瓦斯涌出量，10 m3/min;K為工作面瓦斯涌出不均衡系數，一般取1.2～2.1，取K=1.55。

工作面氣溫與風速關系:

其中，Q采為工作面實際需風量總和，m3/min;V為工作面風速，取 V=2.0 m/s;S為工作面的平均斷面積，7.8 m2。

從以上分類計算中取其最大者，則Q采=1 550 m3/min。在工作面風量核算最大風量為2 000 m3/min以內。

3.2 K8202綜放面風量驗算

根據《煤礦安全規程》規定對綜放工作面所需風量進行驗算。其中工作面順槽最大凈斷面積S=13.5 m2，工作面巷道最小凈斷面積 S=8.36 m2。

1)按工作面滿足最低風速要求驗算:Q采≥0.25×60×8.36=125.4 m3/min，符合要求。2)按工作面滿足最高風速要求驗算:Q采≤4×60×13.5=3 240 m3/min，符合要求。故 K8202綜放面最大風量取1 550 m3/min，符合要求。

4 K8202綜放面風量優化技術研究

在風道斷面優化理論[4]基礎及礦井通風網絡優化理論[5]基礎上，結合通風量考察，本節對15號煤層大采長、雙尾巷高瓦斯易燃煤層綜放面K8202風量進行優化。

根據工作面實際情況，結合工作面歷史風量分配和瓦斯濃度情況，利用最優化軟件求解并分析得出工作面風量優化結果。K8202工作面2009年 6月 4日～2009年7月14日的最大風量、最小風量、平均風量、最大瓦斯濃度、最小瓦斯濃度、平均瓦斯濃度統計結果見表1。

表1 K8202工作面風量瓦斯統計表

K8202工作面最小瓦斯涌出量為50.32 m3/min，最大瓦斯涌出量為167.05 m3/min，平均瓦斯涌出量為 123.37 m3/min，平均瓦斯抽放率為89.98%。

工作面瓦斯涌出量計算公式:

其中，Q為工作面瓦斯涌出量，m3/min;ˉQ為工作面統計平均瓦斯涌出量，m3/min;C為工作面瓦斯涌出不均衡系數，取1.4。

按上式計算，工作面K8202的瓦斯涌出量為172.72 m3/min。

根據工作面的歷史瓦斯數據和風量數據，結合礦井實際情況對工作面風量進行優化。

按最優化軟件的要求，結合工作面風量優化基礎數據，采用全局最優化軟件對其進行優化，優化結果見表2。

表2 K8202工作面風量優化結果

5 結語

1)在考慮瓦斯涌出量的不均勻性，結合巷道允許的最大瓦斯濃度進行工作面風量優化，所取參數符合現場實際情況，優化結果是合理的。2)根據K8202工作面煤最短自然發火期與氧化帶到工作面的距離可以得出，保證綜放面自燃防治安全的最低月推進度為56 m。3)工作面自燃防治與瓦斯治理相反，工作面風量只要不高于該風量，就能達到煤層自燃防治效果。4)增大工作面的風量，會增加采空區、支架頂煤及尾巷附近松散煤體的自燃危險性，應加強自燃預測預報和防治工作。

[1] 游 浩，李寶玉，張福喜.陽泉礦區綜放面瓦斯綜合治理技術[M].北京:煤炭工業出版社，2008:3.

[2] 陽泉三礦K8202工作面煤樣最短自燃發火期實驗報告[R].重慶:煤炭科學研究總院重慶研究院，2009.

[3] 黃元平.礦井通風[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.

[4] 張國樞.礦井實用通風技術[M].北京:煤炭工業出版社，1992.

[5] 陳開巖.礦井通風系統優化理論及應用[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.