金海洋礦區(qū)下部工作面均壓防滅火技術(shù)研究及應(yīng)用

孟凡銀

【摘 要】利用均壓防滅火理論，設(shè)計(jì)了金海洋礦區(qū)某礦回采工作面均壓防滅火系統(tǒng)并投入使用，有效防止了上覆煤層房柱式采空區(qū)CO及低濃度氧氣等有毒有害氣體的涌出，使下部回采工作面免受災(zāi)害影響，同時(shí)解決了本煤層采空區(qū)遺煤氧化自燃的威脅，具有一定推廣價(jià)值。

【Abstract】Through using the theory of pressure equalizing fire prevention and extinction， the pressure equalizing fire prevention and extinction system of a mining face in Jinhaiyang mining area is designed and put into use. It effectively prevents the emission of toxic and harmful gases such as CO and low concentration oxygen in the roof pillar goaf of overlying coal seam， and makes the lower mining face is free from disaster， and at the same time， the threat of the oxidation and spontaneous combustion of the residual coal in the goaf of this coal seam is solved. It has certain popularizing value.

【關(guān)鍵詞】下部回采；均壓防滅火系統(tǒng)；有毒有害氣體；遺煤氧化

【Keywords】the lower mining；the pressure equalizing fire prevention and extinction system ； toxic and harmful gases； residual coal oxidation

【中圖分類號(hào)】TD72 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）05-0156-03

1 引言

金海洋礦區(qū)所屬各煤礦為兼并重組整合礦井，井田內(nèi)含3#、4#、6#、9#和11#煤等5層煤，其中大多數(shù)礦井3#煤層蹬空不可采；4#煤層大部分在整合前被采空，存在大量小窯老空區(qū)。煤層賦存深度200m左右，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

6105工作面上覆為回采后的4102工作面采空區(qū)，6#煤層與4#煤層間距為8.56～19.72m，平均15m，由南向北逐漸變厚。頂板砂巖抗壓強(qiáng)度平均29.3MPa。

2 安全隱患

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和以往經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為該礦6105工作面在開采6#煤層時(shí)有如下安全隱患：①老空區(qū)積水隱患（已在工作面兩順槽切眼內(nèi)利用水壓致裂弱化頂板技術(shù)提前探放）；②頂板大面積突然垮落隱患（頂板隱患在開采前已采用水壓致裂弱化頂板技術(shù)處理）。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查發(fā)現(xiàn)，該礦在小煤窯開采時(shí)期形成數(shù)量眾多的大面積4#煤老空區(qū)，老空區(qū)域內(nèi)老巷、采空區(qū)呈網(wǎng)狀分布，遺留的老空區(qū)長30～60m，寬7～30m，高6～9m，大部分老空區(qū)頂板懸而未落。根據(jù)周邊礦井經(jīng)驗(yàn)，6#煤層工作面回采時(shí)，4#煤層老空區(qū)頂板可能大面積突然垮落，容易導(dǎo)致沖擊支架，損壞設(shè)備，出現(xiàn)颶風(fēng)以及有毒有害氣體涌入工作面等安全事故[1]。

③4#煤層火區(qū)隱患。該煤礦井田中東部存在406火區(qū)，在距406火區(qū)955m處于井田中西部的4103工作面順槽，掘進(jìn)期間曾經(jīng)在附近老巷密閉處監(jiān)測(cè)到濃度達(dá)1000ppm的CO氣體，在406火區(qū)東北方向289m的4#煤層大巷內(nèi)5號(hào)密閉處，CO濃度高達(dá)10000ppm，用紅外測(cè)溫儀測(cè)得火區(qū)附近煤壁溫度為97℃，說明406火區(qū)是個(gè)不完全封閉的活火區(qū)，其產(chǎn)生的有害氣體已經(jīng)在4#煤層老空區(qū)發(fā)生了大范圍擴(kuò)散，嚴(yán)重危及工作面人員安全。

3 采煤工作面均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)

3.1 均壓通風(fēng)防滅火原理

均壓通風(fēng)防滅火實(shí)質(zhì)上為風(fēng)窗-風(fēng)機(jī)增壓調(diào)節(jié)。所謂的增壓調(diào)節(jié)是指使兩調(diào)壓裝置中間的風(fēng)路上的風(fēng)流的壓能增加。為此，風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)窗的上風(fēng)側(cè)。正壓調(diào)節(jié)又可分為風(fēng)量不變和減少兩種[2]。

在實(shí)施均壓通風(fēng)之前風(fēng)路的壓能曲線圖為直線abcd，實(shí)施均壓通風(fēng)后，在風(fēng)機(jī)的作用下B點(diǎn)壓能提升對(duì)應(yīng)的壓能由b變?yōu)閎，由于風(fēng)路的風(fēng)量不變，BC段的摩擦阻力不變，C點(diǎn)的壓能由c變?yōu)閏。風(fēng)機(jī)提供的能量H與風(fēng)窗消耗的能量hw在數(shù)值上相等。

在實(shí)施均壓通風(fēng)之前風(fēng)路的壓能曲線圖為直線abcd，實(shí)施均壓通風(fēng)后，由于風(fēng)路的風(fēng)量減少，巷道摩擦阻力減少，A點(diǎn)的壓能由a增加為a；在風(fēng)量減少和風(fēng)機(jī)聯(lián)合的作用下B點(diǎn)壓能提升對(duì)應(yīng)的壓能由b變?yōu)閎；由于C處風(fēng)窗的安設(shè)大大增加了風(fēng)路的總阻力，所以由于風(fēng)路的風(fēng)量不變，BC段的摩擦阻力不變，C點(diǎn)的壓能由c變?yōu)閏，風(fēng)窗后變?yōu)閛，D點(diǎn)的壓能由d變?yōu)閐。風(fēng)機(jī)提供的能量H小于風(fēng)窗消耗的能量hw。

3.2 6105工作面均壓防滅火參數(shù)計(jì)算

3.2.1 6105工作面需風(fēng)量計(jì)算

6105工作面回采過程中，采用全風(fēng)壓“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，6105主運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)，6105輔運(yùn)順槽回風(fēng)。采煤工作面實(shí)際需風(fēng)量，應(yīng)按CH4、CO2涌出量和爆破后的有害氣體產(chǎn)生量以及工作面氣溫、風(fēng)速和人數(shù)等規(guī)定分別進(jìn)行計(jì)算，然后取最大值。經(jīng)計(jì)算，按工作面氣象條件和風(fēng)速計(jì)算出的風(fēng)量最大，結(jié)合該礦生產(chǎn)實(shí)際，6105回采工作面回采期間配風(fēng)量不小于1058m3/min。

3.2.2 6105工作面通風(fēng)阻力計(jì)算

6105工作面通風(fēng)阻力即副井到6105工作面通風(fēng)阻力，6105工作面正式投產(chǎn)后，工作面通風(fēng)線路為：副井→進(jìn)風(fēng)大巷→6#煤繞道→6#煤輔助運(yùn)輸大巷→6105運(yùn)輸順槽→6105切眼→6105回風(fēng)順槽→6105回風(fēng)聯(lián)巷→6#煤回風(fēng)大巷→6#煤回風(fēng)下山→集中回風(fēng)巷→回風(fēng)井。

由此可計(jì)算出，正常生產(chǎn)時(shí)在工作面風(fēng)量為1200m3/min的情況下，副井至6105工作面通風(fēng)阻力=141-69+135=207Pa。副井至6105工作面的通風(fēng)阻力207Pa即為6105工作面均壓通風(fēng)的壓力值。

3.3 均壓風(fēng)機(jī)選型

3.3.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

Q扇=Q×P+100=1200×1+100=1300m3/min （式1）

式中：Q扇—局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3/min；

P—局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)巷道風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)。風(fēng)筒百米漏風(fēng)系數(shù)為1.03，由于均壓風(fēng)機(jī)風(fēng)筒長度較短（約為30m），此處P近似取1；

100—溜煤眼、6105主運(yùn)順槽端頭調(diào)節(jié)墻、6104端頭調(diào)節(jié)墻漏風(fēng)和近似取100m3/min。

3.3.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓

均壓風(fēng)機(jī)全壓包含兩部分，一部分克服風(fēng)筒阻力，另外一部分提高風(fēng)筒出口處外部空氣的靜壓，即采取均壓通風(fēng)需要的壓力。根據(jù)均壓風(fēng)機(jī)風(fēng)筒設(shè)計(jì)長度、通風(fēng)機(jī)需要工作風(fēng)量、風(fēng)筒風(fēng)阻及均壓的大小，計(jì)算均壓通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓值。因?yàn)榈V井計(jì)劃使用4臺(tái)4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風(fēng)機(jī)作為均壓風(fēng)機(jī)，本方案對(duì)使用4臺(tái)4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

①風(fēng)筒阻力計(jì)算

風(fēng)筒風(fēng)阻是由摩擦風(fēng)阻、局部風(fēng)阻組成，其大小取決于風(fēng)筒的直徑、接頭方式、風(fēng)筒總長度、風(fēng)壓、單節(jié)風(fēng)筒長度、風(fēng)筒的材質(zhì)等，因無實(shí)測(cè)資料時(shí)，應(yīng)下式計(jì)算。

Rp=6.5α×L/（d5）+（n×ζj0+∑ζbei+ζin）×[ρ/（2s2）]

=0.974335N. S2/m8 （式2）

式中：Rp—壓入式風(fēng)筒的總風(fēng)阻，N.S2/m8；

α—風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，取0.0025N.S2/m4；

L—風(fēng)筒長度，30m；d—風(fēng)筒直徑，1.0m；ρ—空氣密度，1.0kg/m3；

s—風(fēng)筒斷面積，0.785m2；n—風(fēng)筒接頭個(gè)數(shù)，風(fēng)筒長度按30m考慮，每節(jié)風(fēng)筒長度為10m，n取3；ζj0—風(fēng)筒接頭局部阻力系數(shù)，取0.1；

ζbei—風(fēng)筒拐彎局部阻力系數(shù)，拐彎角度為35°，取0.2；ζin—風(fēng)筒入口局部阻力系數(shù)，當(dāng)入口處完全修圓時(shí)，取0.1；不加修圓的直角入口時(shí)，取0.5～0.6，此處取0.1。

風(fēng)筒阻力計(jì)算：

hft =Rp×Q扇×Q掘=0.974335×（650/60）2=114Pa （式3）

式中：hft—均壓風(fēng)機(jī)風(fēng)筒阻力，Pa。

②均壓通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓

hf=hft+hj=114+207=321Pa

式中：hf——均壓風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，Pa。

hj——6105工作面均壓值，207Pa。

3.3.3 礦方預(yù)選風(fēng)機(jī)驗(yàn)證

礦井當(dāng)前閑置4臺(tái)FBD№8.0（2×45kW）局部通風(fēng)機(jī)，計(jì)劃將4臺(tái)風(fēng)機(jī)“兩兩并聯(lián)”起來使用。4臺(tái)同型號(hào)同廠家的局部通風(fēng)機(jī)，其曲線也相同。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的曲線，風(fēng)壓看作不變，對(duì)應(yīng)相同風(fēng)壓的風(fēng)量相加，可將均壓的風(fēng)壓值看作1臺(tái)均壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，均壓風(fēng)量的50%看作為1臺(tái)均壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)銘牌標(biāo)風(fēng)量為680～380m3/min，風(fēng)壓為600～7800Pa。井下空氣密度約1.0kg/m3，則風(fēng)機(jī)風(fēng)量為680～380m3/min，風(fēng)壓為500～6500Pa。按照風(fēng)筒消耗阻力114Pa，且提供均壓207Pa，即局扇的理想工作壓力為321Pa。

根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線，按照每臺(tái)均壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量為650m3/min，估算風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓為大于均壓通風(fēng)的風(fēng)壓321Pa。但由于6105工作面主運(yùn)順槽端頭處存在3處調(diào)節(jié)設(shè)施和1處溜煤眼，即6105主運(yùn)順槽調(diào)節(jié)墻、6104主運(yùn)順槽調(diào)節(jié)墻、6104主運(yùn)進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)門和6104溜煤眼，在實(shí)施均壓通風(fēng)的過程中，這3處調(diào)節(jié)設(shè)施及溜煤眼均會(huì)存在漏風(fēng)泄壓，需嚴(yán)格控制6105主運(yùn)順槽調(diào)節(jié)墻、6105主運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)門、6104主運(yùn)順槽調(diào)節(jié)墻、6104主運(yùn)進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)門和6104溜煤眼漏風(fēng)的情況下，6105工作面能夠達(dá)到理論的均壓通風(fēng)效果。

3.3.4 均壓通風(fēng)設(shè)施施工調(diào)試

①施工均壓設(shè)施前，通風(fēng)區(qū)密閉工提前備料，通風(fēng)設(shè)施的構(gòu)筑必須按質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化及操作標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行作業(yè)。

②6105主運(yùn)進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷均壓擋風(fēng)墻及均壓風(fēng)機(jī)安裝完畢后，開始根據(jù)均壓通風(fēng)要求按配風(fēng)計(jì)劃調(diào)節(jié)采面風(fēng)量。

③調(diào)風(fēng)前及時(shí)通知調(diào)度室和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，調(diào)風(fēng)時(shí)撤出采面所有人員，檢查砌筑通風(fēng)設(shè)施的完好情況。在6105主運(yùn)順槽測(cè)風(fēng)站和6105輔運(yùn)順槽回風(fēng)聯(lián)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗處各安裝1部臨時(shí)電話。均壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，關(guān)閉6105主運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷密閉墻平衡風(fēng)門，逐步調(diào)節(jié)6105輔運(yùn)順槽回風(fēng)聯(lián)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗的大小，同時(shí)在6105主運(yùn)順槽測(cè)風(fēng)站測(cè)量6105工作面風(fēng)量[3]。

④當(dāng)6105進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷均壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，6105工作面壓力升高，6105主運(yùn)順槽端頭調(diào)節(jié)風(fēng)窗、6104主運(yùn)順槽端頭調(diào)節(jié)風(fēng)窗、6104主運(yùn)順槽聯(lián)巷風(fēng)門及6105輔運(yùn)順槽風(fēng)門的漏風(fēng)均會(huì)有所增加并降低均壓效果，應(yīng)合理減小漏風(fēng)面積，保證均壓效果。

⑤必須按規(guī)定安裝風(fēng)機(jī)的“三專兩閉鎖”和風(fēng)機(jī)間的閉鎖，每臺(tái)風(fēng)機(jī)必須按要求安設(shè)開停傳感器和聲光信號(hào)，保證信號(hào)齊全、靈敏、可靠，如果均壓風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)則燈亮鈴響。

⑥均壓風(fēng)機(jī)開啟后，進(jìn)入均壓通風(fēng)區(qū)域的所有人員在進(jìn)出風(fēng)門時(shí)，嚴(yán)禁將兩道風(fēng)門同時(shí)打開，人員通過后要立即關(guān)閉風(fēng)門，非通風(fēng)區(qū)的調(diào)風(fēng)人員嚴(yán)禁調(diào)節(jié)均壓通風(fēng)區(qū)域調(diào)節(jié)風(fēng)窗的大小。

⑦采面的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)壓差和風(fēng)量由通風(fēng)區(qū)測(cè)風(fēng)人員實(shí)測(cè)并記錄。

4 均壓通風(fēng)參數(shù)測(cè)試及效果分析

自2017年5月5日至8月15日，6105工作面回風(fēng)隅角CH4、CO氣體濃度均為0，O2和CO2氣體檢測(cè)情況如圖1和圖2所示。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，自6105工作面均壓防滅火系統(tǒng)啟動(dòng)以來，工作面氧氣濃度迅速上升，恢復(fù)正常，上覆上部4#煤層采空區(qū)泄漏氣體中CO2氣體迅速下降，且一直未發(fā)現(xiàn)有CH4和CO氣體涌出現(xiàn)象。

5月12日早班，由于上覆上部4#煤層采空區(qū)頂板冒落，對(duì)工作面造成沖擊，短時(shí)間加大6#煤層采空區(qū)氣體壓力，工作面出現(xiàn)短暫低氧、CO2濃度偏高現(xiàn)象，后迅速恢復(fù)正常，且無CH4和CO氣體涌出。

2017年5月13日至6月27日，工作面O2濃度均處于20.0%以上，CO2濃度均低于0.13%，且無CH4和CO氣體。

自6月28日起，根據(jù)6105工作面推進(jìn)距離，工作面上覆采空區(qū)已在上覆小窯采空區(qū)覆蓋范圍之外，即嘗試改為U型負(fù)壓通風(fēng)方式，立即工作面回風(fēng)隅角O2濃度迅速下降至18%，CO2濃度增長至1.23%。后該礦在調(diào)度室立即決定通知井下重新開啟6105工作面4臺(tái)4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風(fēng)機(jī)（兩用兩備），對(duì)工作面繼續(xù)實(shí)施均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)措施。系統(tǒng)恢復(fù)后，6105工作面回風(fēng)隅角O2濃度迅速恢復(fù)，自7月4日至8月15日，回風(fēng)隅角O2濃度持續(xù)位于19.6%～20.7%之間；回風(fēng)隅角CO2濃度除7月9日短暫出現(xiàn)0.8%的濃度之外，其余時(shí)間濃度均小于等于0.3%。

5 結(jié)論

通過2017年5月5日至10月6日氣體觀測(cè)結(jié)果，6105工作面均壓通風(fēng)參數(shù)測(cè)試及效果分析說明6105工作面均壓防滅火系統(tǒng)實(shí)施以來，有效的防止了上覆上部4#煤層房柱式采空區(qū)CO及低濃度氧氣等有毒有害氣體的涌出，杜絕了工作面來自上覆4#采空區(qū)有毒有害氣體以及本煤層采空區(qū)遺煤氧化自燃的威脅，同時(shí)也證明了均壓防滅火系統(tǒng)在6105工作面防治火災(zāi)安全隱患的有效性。

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