礦井Y型通風系統設計與通風阻力測定研究

楊 剛 楊明杰

(1. 河南能源化工集團義馬煤業集團股份有限公司，河南省三門峽市，472300； 2.河南省豫西建設工程有限責任公司，河南省三門峽市，472300)

近年來，隨著煤炭產量與采出效率的大幅提升，工作面上隅角瓦斯積聚及超限的治理一直是煤礦安全領域關注的焦點。相比傳統U或U+L通風方式，Y型通風采用“兩進一回”通風方式，可優化瓦斯流動方向，允許新鮮風流以較高的速度不間斷沖刷上隅角，從而極大緩解瓦斯積聚問題，因此，Y型通風方式開始在高瓦斯礦井下煤炭開采過程中大范圍推廣使用。大量研究表明，Y型通風技術成敗的關鍵在于能否實現沿空巷道圍巖特別是充填墻體的穩定性控制，為此國內外專家學者在沿空巷道人工墻體設計方面做了大量研究。然而由于煤礦地質生產條件的千差萬別，煤巖體應力及變形特征均表現出不同的規律，充填墻體設計亦明顯不同。此外，詳細掌握風阻、風流和風速的分布情況對于評價通風系統可靠性具有重要意義，專家學者在煤礦通風阻力測定方法亦進行了卓有成效的研究，然而對于Y型通風系統下通風阻力與風流遷移規律的研究較少。

本文結合義煤集團躍進煤礦7828工作面具體地質生產條件，開展Y型通風系統設計，首先確定充填墻體構筑材料與合理沿空巷道支護設計，通過對巷道變形情況和風阻變化情況實時監測，評價了Y型通風系統的可行性，實現通風安全和礦井安全生產，對于類似礦井Y型通風設計具有重要借鑒意義。

1 工程概況

1.1 試驗工作面地質生產條件

義煤集團躍進煤礦位于河南省義馬礦區西部，礦井東西長9.9 km，南北寬5 km，面積39.5 km2。主采7#煤層，煤層埋深470.9～526.7 m，平均埋深498.8 m，煤層直接頂為2.4 m厚的泥巖，灰黑色，堅硬性脆，節理發育含黃鐵礦結核，堅固性系數為4；基本頂為10.5 m厚細砂巖，深灰色，堅硬，水平層理發育，堅固性系數為5；底板為1.3 m厚粉砂巖，含植物化石，發育一層厚度為0.05～0.25 m煤線，堅固性系數為4；老底為5.5 m厚中砂巖，堅硬性脆，堅固性系數為6。

7828工作面位于八采區二階段軌道下山東翼，走向長度800 m，傾斜長度60 m，采用MG150/345-WDK采煤機割煤、裝煤，采煤機截深0.6 m，上下端頭自開缺口，使用SGZ630/264W型刮板輸送機運煤，ZY3200/09/18型液壓支架支護頂板。

1.2 Y型通風系統設計

為解決以往U通風方式下存在的上隅角及回采巷道瓦斯超限問題，擬在7828工作面開展Y型通風技術研究。根據Y型通風技術要求和7828工作面具體地質生產條件，采用由7828運輸平巷(進風)、7828回風平巷(進風)與沿空留巷(回風)組成的“兩進一回”式通風系統，如圖1所示。在Y型通風方式下，工作面生產造成的瓦斯或粉塵可以被由7828運輸平巷流入的主風流不斷稀釋，同時上隅角積聚瓦斯被由7828回風平巷流入的副風流帶走，最后通過沿空留巷流入采區回風巷道，從而在根本上解決瓦斯超限問題。

根據Y型通風設計和工作面瓦斯涌出情況，確定通風線路和風量如下：7828運輸巷進風量Q1為1150 m3/min，回風巷進風量Q2為650 m3/min，沿空巷道回風量Q3為1800 m3/min。

圖1 7828工作面Y型通風方式布置圖

2 沿空巷道圍巖穩定性控制

Y型通風系統的構筑是通過施工人工墻體并對其實施有效支護，從而將沿空巷道保留下來作為回風巷道，實現“兩進一回”通風線路，其成敗的關鍵在于沿空巷道圍巖穩定性控制，具體包括充填墻體材料、沿空巷道圍巖支護等方面。

2.1 充填墻體構筑材料

已有研究表明，要實現充填墻體對上覆巖層的有效支撐，充填墻體應具有早強和可塑性的特點，首先，充填墻體應具有較高的強度和快速增阻的特性，以便墻體短時間內達到較高的支護阻力，避免巖層破斷回轉運動引發巷道劇烈下沉；其次，為避免覆巖后期劇烈下沉誘發的沿空巷道圍巖不可逆大變形，充填墻體還應具備一定可縮性。

根據上述要求，選擇ZKD新型高水材料構筑充填墻體，其由甲、乙兩種原料構成，結合7828工作面具體地質生產條件和室內試驗，確定材料水灰比為1.8～2.1∶1。該新型高水材料各齡期的抗壓強度如下：6 h抗壓強度1.8 MPa，1 d抗壓強度4.0 MPa，3 d抗壓強度5.1 MPa，7 d抗壓強度6.0 MPa，28 d抗壓強度26.0 MPa。

機床廠原有的主電路需要完善的二次回路控制保護，其中的斷路器起到主要保護作用，斷路器控制回路的主要功能是對斷路器進行通、斷操作。原有的二次回路過于簡單，不能顯示斷路器分、合狀態，也沒有相應的報警、指示信號，并且當發生過流時，不能及時控制斷路器跳閘，給生產工作帶來不便，新的斷路器控制回路要能夠解決上述問題。

2.2 沿空巷道支護設計

為了保證沿空巷道長期穩定，結合相關理論和工程實踐，分別提出巷道掘進與沿空留巷期間支護方案。

(1)掘進期間巷道支護方案如圖2所示。巷道斷面為3100 mm×1900 mm，頂板選用直徑18 mm螺紋鋼高強錨桿，長度1800 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm，使用1卷Z2360錨固，錨桿預緊力矩不低于80 kN，靠兩幫錨桿向外側傾斜15°；兩幫選用直徑16 mm螺紋鋼高強錨桿，長度1600 mm，錨桿間排距為1100 mm×800 mm，使用1卷Z2360錨固，錨桿預緊力矩不低于80 kN，靠頂板處錨桿向上傾斜15°。

圖2 掘進期間巷道支護方案

(2)留巷期間充填墻體加固方案如圖3所示。充填墻體高度為2100 mm，寬度為2500 mm，為防止其在頂板壓力下發生壓縮變形，采用錨栓進行對穿加固，錨栓選用直徑為18 mm螺紋鋼，間排距為1100 mm×2000 mm，同排兩根錨栓選用W型鋼帶連接。同時，在工作面前方20 m范圍及滯后5～30 m范圍內，架設由1.2 m鉸接頂梁及單體液壓支柱組成的走向梁進行加強支護。

圖3 充填墻體加固方案

3 Y型通風效果分析

為分析7828工作面Y型通風系統工況，依次對采空區內瓦斯分布情況、工作面通風阻力分布特征及沿空巷道圍巖變形規律進行分析，為Y型通風系統科學性評價提供基礎數據。

3.1 采空區風壓模擬分析

為了分析對比Y型通風與U型通風方式下采空區壓力場分布特征，建立相應物理力學模型，其中Y型通風物理模型如圖4所示。

圖4 Y型通風物理模型

圖5 U型和Y型通風方式下壓力場分布特征

由圖5可知，在U型通風方式下，采空區壓力沿工作面走向方向呈逐漸降低趨勢，在回風巷處達到最小值；在Y型通風方式下，采空區壓力沿著對角線方向逐漸降低，并在沿空留巷尾部達到最小值；U型通風方式能位最低點位于上隅角區域，而Y型通風方式下沿空留巷處于負壓狀態，使得采空區風流流向巷道，漏風量約為U型通風下的 1.5 倍，從而可有效避免瓦斯超限問題。

3.2 通風阻力監測

為了全面掌握Y型通風系統通風阻力、風量和風速變化規律，對7828工作面3條巷道進行風量、風速和通風阻力的觀測與分析，其步驟如下：

(1)根據通風線路長度和現場地質生產條件，確定合理測站位置；

(2)采用JYF-1型精密數字式氣壓計監測各測站風流的絕對壓力和相對靜壓差，并記錄測定時間；

(3)采用KG3088 風速傳感器測量各測站風速變化，并計算平均風速；

(4)用皮尺測量各測站巷道參數，計算巷道斷面面積和周長；

(5)基于上述各個測量值，結合經驗公式計算各測段的通風阻力和自然風壓；根據Y型通風系統中各段巷道的作用，將其分為進風段、用風段和回風段，得到7828工作面各個區段通風阻力分布，如表2所示。把實測的礦井通風阻力同其計算值進行對比，誤差值在5%內，說明此次測定精度符合要求。

表2 通風阻力監測表

從監測結果可知，進風段阻力為562.42 Pa，占26.9%；用風段阻力為420.13 Pa，占20.1%；回風段阻力為1108.43 Pa，占53%。可見，在Y型通風方式下，回風線路大幅縮減，巷道維護狀況良好，可保證充足有效斷面，通風阻力在合理范圍之內。

3.3 沿空巷道圍巖變形現場監測

巷道表面位移是反映巷道圍巖穩定狀況的綜合指標。沿空巷道構筑完成后，隨著工作面的推進，巷道圍巖發生變形和移動。沿空巷道頂底板及兩幫移近量與距工作面距離的關系如圖6所示。

由圖6可知，頂底板移近量、兩幫移近量在工作面推過后即開始較大幅度增長，直至工作面推過50 m后，巷道變形才逐漸趨于平緩，頂底板移近量達到475 mm，兩幫移近量達到410 mm；之后，巷道變形趨于緩慢增長，直至保持基本恒定，工作面推過120 m后，頂底板最大移近量達到521 mm，兩幫最大移近量達到443 mm，巷道變形在合理范圍內，可以滿足巷道通風需求。

圖6 沿空巷道頂底板及兩幫移近量與距工作面距離關系圖

4 結論

(1)7828工作面采用“兩進一回” 式通風系統，7828運輸巷進風量Q1為1150 m3/min，回風巷進風量Q2為650 m3/min，沿空巷道回風量Q3為1800 m3/min。

(2)沿空巷道充填墻體應同時具備早強和可塑性的特點，根據試驗工作面地質條件，確定選用ZKD新型高水材料構筑充填墻體。

(3)對Y通風系統通風阻力情況進行現場監測，監測結果表明，進風段阻力為562.42 Pa，占26.9%；用風段阻力為420.13 Pa，占20.1%；回風段阻力為1108.43 Pa，占53%。可見，在Y型通風方式下，回風線路大幅縮減，巷道維護狀況良好，可保證充足有效斷面，通風阻力在合理范圍之內。