極不穩(wěn)定薄煤層采區(qū)通風系統(tǒng)之優(yōu)化

顏天偉

（福建省天湖山能源實業(yè)有限公司，福建 永春 362617）

1 天湖山礦區(qū)煤田地質概況

天湖山礦區(qū)面積66km2，主要含煤段320m，含煤約40層，全為薄、極薄煤層，其中可采與局部可采煤層有8層，可采總厚度6.5m。地質構造極其復雜，褶皺、斷層發(fā)育，局部出現(xiàn)倒轉現(xiàn)象。在后期構造擠壓應力作用下，煤層常出現(xiàn)突然增厚及變薄現(xiàn)象，為不穩(wěn)定薄煤層，在背向斜軸部或某些低洼部位常擠壓成厚煤包（最厚可達4～5 m），在翼部煤層變薄成煤線甚至尖滅，煤層形態(tài)有串珠狀、雞窩狀、鋸齒狀、飛蝶狀等（見圖1）。

2 天湖山礦區(qū)開拓開采分析

天湖山礦區(qū)1956年建礦，目前有4對省屬生產礦井，年生產能力核定為0.57 Mt。因成煤后多次的地質構造變動，破壞了煤層原來的形態(tài)和連續(xù)性，使采區(qū)巷道布置更加復雜，開采難度加大（見圖2）。

圖1 60＃煤層局部構造示意

1）構造變動將地層擠壓成各種形態(tài)的背斜、向斜構造，煤層薄厚間隔無規(guī)則，難以形成正規(guī)的采面。

2）由于三級褶曲平緩，四級褶曲發(fā)育且波動頻率大，煤層在2個階段石門之間，同一區(qū)段2條石門無法跟蹤三級褶曲。由于煤層出現(xiàn)反傾且傾角比較大，煤層背（向）斜

圖2 含二采區(qū)675開拓開采巷道布置

軸部在某區(qū)域常出現(xiàn)閉合圈，采區(qū)開拓難以按煤層布置。

3）在背斜一翼幅度較小的次一級褶曲中，往往又是次級褶曲的向斜部份，因此采面往往無法再往上（下）布置完整的開切眼，上下區(qū)段難以溝通形成上出口，目前部份采用三角煤或殘留煤柱方式開采（也就是通常講巷道退采方式），配套的是局部通風機通風，不能形成全負壓通風。。

4）由于煤層賦存復雜，采煤面單產比較低，往往在一個采區(qū)內就布置了較多的采掘作業(yè)面以保持產能規(guī)模，也就是平常所說的“點多面廣”的采掘生產模式。

3 采區(qū)通風方面存在的主要問題及優(yōu)化實踐

3.1 采區(qū)副上（下）山集中回風的主要問題及優(yōu)化實踐

（1）現(xiàn)狀。采區(qū)開拓設計沿用的是較為規(guī)范的一對上山（下山）布置，理論上采區(qū)生產是上區(qū)段結束后才能進行下區(qū)段的生產，上區(qū)段的集中運輸巷作為下區(qū)段的回風巷，回風流集中到副上山到達風機排出地面。但現(xiàn)場實踐時有多區(qū)段多石門同時生產的現(xiàn)象，采掘面主要靠石門尾部貫通上區(qū)段同一位置石門的通風行人斜巷的串接進行回風。

（2）主要問題分析。一是通風網(wǎng)路復雜，各支路阻力相差較大，各用風地點風流的調節(jié)和風量的合理分配較困難；二是回風要經(jīng)過多區(qū)段的通風行人斜巷和石門尾部，需要經(jīng)過較長的已采區(qū)域，回風巷道維護難度大、費用高；三是由于各作業(yè)面回風巷道長且較為分散，單一風路回風量小風速低，容易在沿途造成瓦斯積聚；四是由于煤層賦存的復雜性和不斷打探巷找煤的特殊性，部份區(qū)域多次開采，雖然設置了通風構造物，但時有使用管理不正常現(xiàn)象，風流的穩(wěn)定性比較差。

（3）優(yōu)化方案。生產礦井可以采取從上往下開掘采區(qū)邊界回風行人上山，與區(qū)段的集中運輸巷尾部聯(lián)通，把區(qū)段的回風直接引到采區(qū)邊界回風行人上山，使各區(qū)段風路成為并聯(lián)，不但可以布置更多的獨立通風的作業(yè)面，而且解決了回風行人斜巷串接造成通風線路長阻力大和回風巷維護困難的突出矛盾。如果是建設礦井，可用1條或2條邊界回風行人上山替換采區(qū)中央的副上山，但建井初期掘進量增加，會延長投產日期（見圖3）。

圖3 含二采區(qū)通風系統(tǒng)優(yōu)化改造示意

（4）優(yōu)化實踐。生產采區(qū)進行邊界回風行人上山掘進可以隨著生產往下區(qū)段延伸而逐段掘進聯(lián)通；也可以將臨近區(qū)段通過區(qū)段或石 門通風行人斜巷聯(lián)系起來再與邊界回風行人上山連通形成采區(qū)內部小系統(tǒng)，采區(qū)通風系統(tǒng)管理更加便捷，各區(qū)段作業(yè)面通風更加可靠，不但縮短了采掘面的通風線路，減少區(qū)段間的相互干擾與影響，而且便于采區(qū)內部的區(qū)域管理以及采區(qū)內部漏風通道的相對隔離與控制，提高了采區(qū)通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本思路在天湖山礦區(qū)后期礦井通風系統(tǒng)改造中應用較為普遍。

如圖3所示的含二采區(qū)改造后，主副上山都是進風，各區(qū)段的回風可視情況分別匯集到邊界回風上山進行回風，對能夠貫通上區(qū)段的采掘面直接從采面回風井直接匯入上區(qū)段回風石門（如+675m 二東和二西的采面回風由上出口經(jīng)+700m E2／W2石門匯入+700m 南集進入南翼邊界回風上山），對不能貫通上區(qū)段的采掘面則直接匯入邊界回風行人上山（如+625mE4／W4石門），或視情況將上下臨近區(qū)段通過石門尾部的回風斜巷連接建立區(qū)段小系統(tǒng)再匯集到邊界回風行人上山（如+650m E2→回風斜巷連接→+675mE2→回風斜巷→+700m E2→+700 m 南集→邊界回風上山），由采區(qū)回風巷至風井排出地面。改造效果見表1。

表1 含二采區(qū)通風改造前后對比

又如曲斗二號井，首采區(qū)上部煤層賦存差，而下部的+400m、+425m、+450m 區(qū)段探明了幾層煤局部可采，但由于通風解決不了，作業(yè)面難以鋪開，經(jīng)過改造后，可以多區(qū)段同時布置多個作業(yè)面進行掘進和采煤（見圖4）。

圖4 曲斗二號井首采區(qū)通風優(yōu)化示意

另外，含春礦三采區(qū)采取了補打風橋跨過副下山聯(lián)絡石門，利用一采區(qū)+575m W 石門作為三采區(qū)回風通道而形成邊界回風道回風，讓主副下山同時進風，不但解決了副下山既回風行人又運行架空乘人器的安全生產矛盾，而且縮短了回風道降低了通風阻力，既合理又更安全可靠（見圖5、圖6）。

（5）優(yōu)化前后效果分析。在投資方面：生產礦井優(yōu)化后，用一條專用回風上山代替眾多的石門尾部通風小井，節(jié)省了資金投入。若是建設礦井，還可以省去整條的副上山掘進工程量，效益更加明顯。

圖5 含春礦三采區(qū)車場示意

圖6 含春礦三采區(qū)絞車房改造后示意

在通風系統(tǒng)優(yōu)化方面：各區(qū)段回風直接進入邊界回風巷。一是縮短通風巷道長度，布置專用回風巷，增大通風巷道斷面，減少局部通風阻力，巷道布置在巖巷中，減少支架巷道長度，降低總體摩擦阻力系數(shù)，有效降低風阻，從而降低通風阻力，二是各區(qū)段并聯(lián)回風，風量穩(wěn)定性、安全性提高，調控性增強；三是還可以根據(jù)需要保留一些石門尾部的回風小井，在上區(qū)段再匯入邊界回風上山，較好解決作業(yè)面較多的通風問題，避免出現(xiàn)不符合規(guī)程的串聯(lián)通風。

在通風安全管理方面，解決了回風道作為主要行人通道、在回風道中運行機械的多重矛盾，避免了區(qū)段車場設置風流調節(jié)風門的使用管理難的問題，提高了礦井通風安全保障程度。

在施工工期方面，生產礦井專用邊界回風上山可以隨著采區(qū)生產的下延，邊生產，邊逐段施工，影響不大，但建設礦井初期投資工期略長，原來投產前只要施工一條副上山，現(xiàn)在要施工兩條邊界回風上山，而且在邊界施工，施工難度較大。

3.2 采區(qū)絞車房回風系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化實踐

（1）存在的通風問題。采區(qū)絞車房基本上是設置在礦井進風巷附近，回風巷與進風巷采用風門隔離，由于聯(lián)絡石門短而兩道風門間距不足，在運輸過程中經(jīng)常會造成風門同時被打開的現(xiàn)象，為了確保采區(qū)風流穩(wěn)定，現(xiàn)場實際是把一組風門分別設置在絞車房回風道的兩側，造成絞車房風道不暢通，風流不穩(wěn)定，通風效果差、溫度普遍較高。

（2）優(yōu)化方案實踐。補打專用回風道貫通采區(qū)總回風巷直接排風，實現(xiàn)絞車房與機電硐室直接回風，解決風門管理難、風流不穩(wěn)定、通風狀況差等問題。

含春礦三采區(qū)絞車房改造前后通風系統(tǒng)如圖5、圖6所示。含春礦三采區(qū)絞車房回風道通風不暢，采區(qū)變電所進、回風道都是與采區(qū)回風道連接，風路不暢，通風困難。經(jīng)過多方論證與方案比較，2013 年在絞車房通風道與+575m 風橋間補打了專用回風巷，配套建立通道口風門與聯(lián)絡石門隔斷，且在專用回風巷設置調節(jié)風窗進行調控，經(jīng)現(xiàn)場風量測定，絞車房的通風量可以達到61～90 m3／min以上，并可按需調控，保障了通風安全，改造前后對比見表2。

表2 絞車房通風改造前后對比

3.3 采區(qū)主副上山聯(lián)絡巷存在的通風問題及優(yōu)化實踐

（1）主副上山聯(lián)絡巷主要通風問題分析。礦井采區(qū)主副上山（下山）設計基本上都是采用同深度平行布置，為了減少副上山與區(qū)段車場連接通道的工程量，采取最近距離的直接貫通區(qū)段車場，找不到合適的位置建造隔斷通風構造物，如曲斗二號井區(qū)段車場頭設置風門，經(jīng)常因過礦車或沒有關閉或被撞壞失效而造成風流短路。

（2）優(yōu)化實踐。在采區(qū)開拓布置中，改變現(xiàn)有2 條上山或下山集中布置的模式，采取軌道運輸上山布置在采區(qū)中央堅硬煤層底板內，而副上山則布置在采區(qū)中央煤層頂板堅硬的巖層內，并且應根據(jù)區(qū)段中部車場的設計長度而同步前置作為提前量起坡，可以使副上山與各區(qū)段的聯(lián)絡行人通道合理地布置在區(qū)段車場以外的地點，不但可以合理設置通風構筑物進行風流管理，而且工程量也不會增加多少。含春二采區(qū)主副上山錯開布置，副上山提前30 m起坡，各區(qū)段的聯(lián)絡巷便可方便地布置在車場外的區(qū)段聯(lián)絡石門中（見圖7、圖8）。

圖8 優(yōu)化后的區(qū)段車場設計示意

4 結語

天湖山礦區(qū)煤層賦存極為復雜，筆者在天湖山礦區(qū)長期從事礦井通風管理，特別是在礦井采區(qū)后期通風系統(tǒng)改造與完善的實踐中，積累了一些經(jīng)驗，對天湖山礦區(qū)的開拓開采通風設計有較好的指導意義，希望能對其它類似的礦區(qū)提供有益的參考與借鑒。