金海洋礦區下部工作面均壓防滅火技術研究及應用

孟凡銀

（中煤集團山西華昱能源有限公司，山西朔州036900）

1 引言

金海洋礦區所屬各煤礦為兼并重組整合礦井，井田內含3#、4#、6#、9#和11#煤等5層煤，其中大多數礦井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。煤層賦存深度200m左右，煤層結構簡單。

6105工作面上覆為回采后的4102工作面采空區，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。頂板砂巖抗壓強度平均29.3MPa。

2 安全隱患

根據現場條件和以往經驗，分析認為該礦6105工作面在開采6#煤層時有如下安全隱患：①老空區積水隱患（已在工作面兩順槽切眼內利用水壓致裂弱化頂板技術提前探放）；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處理）。現場實地勘查發現，該礦在小煤窯開采時期形成數量眾多的大面積4#煤老空區，老空區域內老巷、采空區呈網狀分布，遺留的老空區長30～60m，寬7～30m，高6～9m，大部分老空區頂板懸而未落。根據周邊礦井經驗，6#煤層工作面回采時，4#煤層老空區頂板可能大面積突然垮落，容易導致沖擊支架，損壞設備，出現颶風以及有毒有害氣體涌入工作面等安全事故[1]。

③4#煤層火區隱患。該煤礦井田中東部存在406火區，在距406火區955m處于井田中西部的4103工作面順槽，掘進期間曾經在附近老巷密閉處監測到濃度達1000ppm的CO氣體，在406火區東北方向289m的4#煤層大巷內5號密閉處，CO濃度高達10000ppm，用紅外測溫儀測得火區附近煤壁溫度為97℃，說明406火區是個不完全封閉的活火區，其產生的有害氣體已經在4#煤層老空區發生了大范圍擴散，嚴重危及工作面人員安全。

3 采煤工作面均壓通風防滅火技術

3.1 均壓通風防滅火原理

均壓通風防滅火實質上為風窗-風機增壓調節。所謂的增壓調節是指使兩調壓裝置中間的風路上的風流的壓能增加。為此，風機安裝在風窗的上風側。正壓調節又可分為風量不變和減少兩種[2]。

在實施均壓通風之前風路的壓能曲線圖為直線abcd，實施均壓通風后，在風機的作用下B點壓能提升對應的壓能由b變為b’，由于風路的風量不變，BC段的摩擦阻力不變，C點的壓能由c變為c’。風機提供的能量H與風窗消耗的能量hw在數值上相等。

在實施均壓通風之前風路的壓能曲線圖為直線abcd，實施均壓通風后，由于風路的風量減少，巷道摩擦阻力減少，A點的壓能由a增加為a’；在風量減少和風機聯合的作用下B點壓能提升對應的壓能由b變為b’；由于C處風窗的安設大大增加了風路的總阻力，所以由于風路的風量不變，BC段的摩擦阻力不變，C點的壓能由c變為c’，風窗后變為o，D點的壓能由d變為d’。風機提供的能量H小于風窗消耗的能量hw。

3.2 6105工作面均壓防滅火參數計算

3.2.1 6105工作面需風量計算

6105工作面回采過程中，采用全風壓“U”型通風系統，6105主運順槽進風，6105輔運順槽回風。采煤工作面實際需風量，應按CH4、CO2涌出量和爆破后的有害氣體產生量以及工作面氣溫、風速和人數等規定分別進行計算，然后取最大值。經計算，按工作面氣象條件和風速計算出的風量最大，結合該礦生產實際，6105回采工作面回采期間配風量不小于1058m3/min。

3.2.2 6105工作面通風阻力計算

6105工作面通風阻力即副井到6105工作面通風阻力，6105工作面正式投產后，工作面通風線路為：副井→進風大巷→6#煤繞道→6#煤輔助運輸大巷→6105運輸順槽→6105切眼→6105回風順槽→6105回風聯巷→6#煤回風大巷→6#煤回風下山→集中回風巷→回風井。

由此可計算出，正常生產時在工作面風量為1200m3/min的情況下，副井至6105工作面通風阻力=141-69+135=207Pa。副井至6105工作面的通風阻力207Pa即為6105工作面均壓通風的壓力值。

3.3 均壓風機選型

3.3.1 風機風量

式中：Q扇—局部通風機工作風量，m3/min；

P—局部通風機供風巷道風筒漏風系數。風筒百米漏風系數為1.03，由于均壓風機風筒長度較短（約為30m），此處P近似取1；

100—溜煤眼、6105主運順槽端頭調節墻、6104端頭調節墻漏風和近似取100m3/min。

3.3.2 風機風壓

均壓風機全壓包含兩部分，一部分克服風筒阻力，另外一部分提高風筒出口處外部空氣的靜壓，即采取均壓通風需要的壓力。根據均壓風機風筒設計長度、通風機需要工作風量、風筒風阻及均壓的大小，計算均壓通風機工作風壓值。因為礦井計劃使用4臺4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風機作為均壓風機，本方案對使用4臺4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風機進行驗證。

①風筒阻力計算

風筒風阻是由摩擦風阻、局部風阻組成，其大小取決于風筒的直徑、接頭方式、風筒總長度、風壓、單節風筒長度、風筒的材質等，因無實測資料時，應下式計算。

式中：Rp—壓入式風筒的總風阻，N.S2/m8；

α—風筒摩擦阻力系數，取0.0025N.S2/m4；

L—風筒長度，30m；d—風筒直徑，1.0m；ρ—空氣密度，1.0kg/m3；

s—風筒斷面積，0.785m2；n—風筒接頭個數，風筒長度按30m考慮，每節風筒長度為10m，n取3；ζj0—風筒接頭局部阻力系數，取0.1；

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

風筒阻力計算：

式中：hft—均壓風機風筒阻力，Pa。

②均壓通風機工作風壓

式中：hf——均壓風機工作風壓，Pa。

3.3.3 礦方預選風機驗證

礦井當前閑置4臺FBD№8.0（2×45kW）局部通風機，計劃將4臺風機“兩兩并聯”起來使用。4臺同型號同廠家的局部通風機，其曲線也相同。兩臺風機并聯運行的曲線，風壓看作不變，對應相同風壓的風量相加，可將均壓的風壓值看作1臺均壓風機的風壓，均壓風量的50%看作為1臺均壓風機的風量。

風機銘牌標風量為680～380m3/min，風壓為600～7800Pa。井下空氣密度約1.0kg/m3，則風機風量為680～380m3/min，風壓為500～6500Pa。按照風筒消耗阻力114Pa，且提供均壓207Pa，即局扇的理想工作壓力為321Pa。

根據風機性能曲線，按照每臺均壓風機風量為650m3/min，估算風機工作風壓為大于均壓通風的風壓321Pa。但由于6105工作面主運順槽端頭處存在3處調節設施和1處溜煤眼，即6105主運順槽調節墻、6104主運順槽調節墻、6104主運進風聯巷風門和6104溜煤眼，在實施均壓通風的過程中，這3處調節設施及溜煤眼均會存在漏風泄壓，需嚴格控制6105主運順槽調節墻、6105主運順槽進風聯巷風門、6104主運順槽調節墻、6104主運進風聯巷風門和6104溜煤眼漏風的情況下，6105工作面能夠達到理論的均壓通風效果。

3.3.4 均壓通風設施施工調試

①施工均壓設施前，通風區密閉工提前備料，通風設施的構筑必須按質量標準化及操作標準的要求進行作業。

②6105主運進風聯巷均壓擋風墻及均壓風機安裝完畢后，開始根據均壓通風要求按配風計劃調節采面風量。

③調風前及時通知調度室和有關領導，調風時撤出采面所有人員，檢查砌筑通風設施的完好情況。在6105主運順槽測風站和6105輔運順槽回風聯巷調節風窗處各安裝1部臨時電話。均壓風機運轉后，關閉6105主運順槽進風聯巷密閉墻平衡風門，逐步調節6105輔運順槽回風聯巷調節風窗的大小，同時在6105主運順槽測風站測量6105工作面風量[3]。

④當6105進風聯巷均壓風機啟動后，6105工作面壓力升高，6105主運順槽端頭調節風窗、6104主運順槽端頭調節風窗、6104主運順槽聯巷風門及6105輔運順槽風門的漏風均會有所增加并降低均壓效果，應合理減小漏風面積，保證均壓效果。

⑤必須按規定安裝風機的“三專兩閉鎖”和風機間的閉鎖，每臺風機必須按要求安設開停傳感器和聲光信號，保證信號齊全、靈敏、可靠，如果均壓風機停轉則燈亮鈴響。

⑥均壓風機開啟后，進入均壓通風區域的所有人員在進出風門時，嚴禁將兩道風門同時打開，人員通過后要立即關閉風門，非通風區的調風人員嚴禁調節均壓通風區域調節風窗的大小。

⑦采面的進風、回風壓差和風量由通風區測風人員實測并記錄。

4 均壓通風參數測試及效果分析

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

由監測結果可知，自6105工作面均壓防滅火系統啟動以來，工作面氧氣濃度迅速上升，恢復正常，上覆上部4#煤層采空區泄漏氣體中CO2氣體迅速下降，且一直未發現有CH4和CO氣體涌出現象。

5月12日早班，由于上覆上部4#煤層采空區頂板冒落，對工作面造成沖擊，短時間加大6#煤層采空區氣體壓力，工作面出現短暫低氧、CO2濃度偏高現象，后迅速恢復正常，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。

圖1 46105工作面回風隅角O2濃度分布曲線

圖2 6105工作面回風隅角CO2濃度分布曲線

自6月28日起，根據6105工作面推進距離，工作面上覆采空區已在上覆小窯采空區覆蓋范圍之外，即嘗試改為U型負壓通風方式，立即工作面回風隅角O2濃度迅速下降至18%，CO2濃度增長至1.23%。后該礦在調度室立即決定通知井下重新開啟6105工作面4臺4FBD№8.0（2×45kW）的局部通風機（兩用兩備），對工作面繼續實施均壓通風防滅火技術措施。系統恢復后，6105工作面回風隅角O2濃度迅速恢復，自7月4日至8月15日，回風隅角O2濃度持續位于19.6%～20.7%之間；回風隅角CO2濃度除7月9日短暫出現0.8%的濃度之外，其余時間濃度均小于等于0.3%。

5 結論

通過2017年5月5日至10月6日氣體觀測結果，6105工作面均壓通風參數測試及效果分析說明6105工作面均壓防滅火系統實施以來，有效的防止了上覆上部4#煤層房柱式采空區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#采空區有毒有害氣體以及本煤層采空區遺煤氧化自燃的威脅，同時也證明了均壓防滅火系統在6105工作面防治火災安全隱患的有效性。