工作面上隅角瓦斯超限治理技術及相關設備選型研究

上官鑫

（長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 047100）

引言

隨著煤礦生產技術的提高，煤炭產量逐年增加，煤礦開采條件逐漸復雜，不少工作面出現了瓦斯及有害氣體超限現象。因此有必要加強礦井的瓦斯及有害氣體防治管理，采取有效的瓦斯及有害氣體防治措施為煤礦的安全生產提供安全保障。本文針對經坊煤業3303工作面上隅角及回風巷瓦斯及有害氣體進行治理研究。

1 工程背景

經坊煤業3號煤層3303工作面從開切眼開始推進60m左右時，出現上隅角瓦斯超限現象，其中工作面上隅角 φ（CH4）為 0.9%、φ（CO2）為 2.2%，回風巷O2濃度（質量分數）為15%。

上隅角瓦斯和有害氣體的超限問題極大地制約了礦井的安全高效生產，應根據實際礦井地質條件及瓦斯的來源進行及時治理，采取經濟、合理、有效的方法解決上隅角瓦斯及有害氣體超限問題，對于煤礦的安全高效可持續性發展具有重要意義。

2 工作面上隅角有害氣體超限的處理方案

針對3303工作面開切眼推進60m后，上隅角出現瓦斯及有害氣體超限的問題[1]，通過分析上隅角瓦斯產生的原因，提出了以下四種處理瓦斯超限的方案。

2.1 設置采面隅角擋風簾

設置采面上隅角擋風簾。靠近回風巷一側布置不小于10的擋風簾，當進風巷內的風流經過工作面吹到擋風簾時，擋風簾起到改變風流方向的作用，引到風流吹向采煤工作面上隅角，進而將上隅角的瓦斯帶走[2]。

當工作面正常工作時，由于材料的運輸、行人以及支、回柱的影響，往往會造成擋風簾的破損，進而使其失去作用，從而造成工作面瓦斯的急劇增大，影響正常生產。

2.2 尾巷排放瓦斯

新掘進一條尾巷，輔助回風巷進行通風。當礦井風流經該工作面時，會在上隅角區域分成兩部分風流，一部分流入回風順槽，一部分流入尾巷，尾巷隨采隨落[3]。

此方法有較大缺點，主要表現為：增加了巷道掘進量，加大了經濟投入；同時會引發采空區風流增大，導致風流流經采空區時，易發生煤層自燃等現象，故經坊煤業3303工作面不適采用此方法。

2.3 安設專用抽出式風機

在采煤工作面上隅角處安裝礦用抽出式通風機，其主要原理是：在入風口處形成負壓區，由于兩側壓差不同，運輸順槽流經工作面的主風流會增大，以滿足風機抽出量的要求。此時，當上隅角積聚的瓦斯等有害氣體被稀釋后排入回風巷時，上隅角瓦斯濃度保證在一個安全值范圍內[4]。

2.4 采用均壓通風技術

經坊煤礦3號煤層工作面有害氣體來源于3303煤層采空區和上覆層2號煤層采空區，漏風通道壓差較大，根據該礦的實際情況，結合調節風窗和調節風機兩種治理瓦斯超限的手段，通過平衡上隅角兩側壓差來解決瓦斯濃度超標問題。結合兩種治理技術的壓力坡度曲線如下頁圖1所示。

局部通風機—調節風窗均壓的工作原理是：在進風內布置調壓風機，并且調壓風機的排風口兩側用兩到風門隔離，同時在回風巷內布置調節風窗，將需要升壓的位置控制在調節風機進風口處于調節風窗之間，此時，開動調壓風機，進而增大其控制地點的風壓，排走工作面集聚的瓦斯[5]。

經過以上分析，結合經坊煤礦實際及工作面現場情況，擬采用方案四均壓通風技術為排除上隅角瓦斯的方法，一旦采面上隅角出現瓦斯超限，立即采用均壓通風，通過增加工作面氣壓來平衡上隅角兩側壓差，及時檢測各區域是否有漏風現象，并積極進行處理。

圖1 調節風窗與調壓風機兩種方式下的壓力坡度線圖

3 均壓通風相關參數計算及設備選型

3.1 工作面風量計算

1）按工作面溫度、風速計算

式中：Qi為第i個工作面實際需要的風量，m3/min；Vi為第i個工作面風速，m/s（如表1所示，采煤工作面溫度一般在25℃左右所以風速取1.5m/s）；Si為第i個工作面的平均斷面積，m2，估算為6m2；Ki為第i個工作面面長調整系數，查表取1.1；計算得594 m3/min，即 9.9m3/s。

表1 采煤工作面空氣溫度與合適風速對應表

2）按人數計算

式中：Ni為第i個工作面同時最多工作人數，按相關規定為20人；則Qi=4×20=80m3/min。

3）按瓦斯涌出量計算

式中，q為工作面瓦斯絕對涌出量，m3/min，根據礦井瓦斯鑒定資料，取3.0m3/min；k1為備用風量系數，取1.5。則 Q＝100×3.0×1.5＝450m3/min＝7.5m3/s。

經計算，按工作面的氣溫和風速計算出的風量最大，結合煤礦生產實際，參考臨近礦井配風數據，為保證采空區不產生大量漏風現象，回采工作面風量確定為9.9m3/s，礦井實際生產過程中可根據瓦斯涌出和井下氣溫條件進行適當調整。

3.2 局部通風機選型

根據該礦井實際通風情況，同時考慮密閉墻處刮板輸送機口及采空區的漏風量，確定局部通風機的吸風量必須大于894m3/min，才能滿足工作面通風要求。綜上所述，本次研究工作面選用FBDNO-8-2×45 kW對旋局部通風機。

4 工作面上隅角瓦斯治理效果研究

為進一步分析和研究采用調節風窗與局部通風機聯合均壓技術防治3號層工作面有害氣體的效果、可靠性及穩定性，對均壓系統的相關參數進行了全面測定，進而對均壓系統的穩定性、可靠性進行了分析，得出如下結論：

啟動均壓通風系統后，為研究均壓通風系統的穩定性、可靠性，在隨后的24 h內，對上隅角、回風流中的CH4、CO2及CO濃度進行監測，通過現場實測，采用均壓通風技術后，工作面內的風壓明顯增大，從而有效地阻止了向工作面漏風通道兩側的壓差，迫使采空區或漏風通道內的瓦斯及有害氣體無法向回采工作面涌出。實測結果表明，采用均壓通風技術，即采用調節風窗和局部通風機聯合布置的均壓通風技術可有效降低回采工作面內瓦斯及有毒有害氣體的濃度，該技術具有可操作性。

5 結論

經坊煤礦3號煤層工作面有害氣體來源于3號煤層采空區和上覆層2號煤層采空區，漏風通道壓差較大，經過以上分析，結合經坊煤礦實際及工作面現場情況，確定最優的治理工作面上隅角有害氣體的方案為：調節風窗與局部通風機聯合使用的均壓通風技術，該方法可提高工作面壓力，平衡上隅角兩側壓差，進而減少采空區瓦斯向上隅角的涌出。本次設計選用面積為0.55 m2的調節風窗，型號為FBDNO-8-2×45 kW的對旋局部通風機。

經過現場監測，發現采用均壓通風技術后，有效降低了回采工作面內瓦斯及有毒有害氣體的濃度，證明該技術具有可操作性，應用效果良好。