西銘礦通風(fēng)系統(tǒng)與瓦斯治理的歷史沿革和展望

趙文曙

(西山煤電股份有限公司 西銘礦， 山西 太原 030052)

礦井通風(fēng)與瓦斯治理是一項極其復(fù)雜的綜合性、系統(tǒng)性工程，涉及到各方面的具體工作。礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是礦井總體設(shè)計的一個重要組成部分，它的基本任務(wù)是結(jié)合礦井開拓、開采設(shè)計，建立一個安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、便于管理的通風(fēng)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上計算各用風(fēng)地點所需風(fēng)量、總風(fēng)量和總風(fēng)壓，以利于選擇礦井通風(fēng)設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)選取的合理性關(guān)系到瓦斯治理的難易程度。本文以西銘礦歷史發(fā)展為軸線，闡明礦井通風(fēng)與瓦斯治理之間的相互關(guān)系。

1 礦井系統(tǒng)現(xiàn)況

西銘礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，兼顧了礦井中長期階段的通風(fēng)要求，當(dāng)前礦井采用“七進(jìn)三回”機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，分區(qū)混合式通風(fēng)方式，具有完整獨立的通風(fēng)系統(tǒng)。礦井目前總進(jìn)風(fēng)量36 297 m3/min,總回風(fēng)量36 623 m3/min，有效風(fēng)量34 664 m3/min，有效風(fēng)量率95.50%.

2 通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯治理的衍變

2.1 早期階段

西銘礦成立于1956年，初期的采煤方法有刀柱式、房柱式、巷柱式，采用爆破方式落煤，工作面較短、工藝簡單，出煤方式比較原始。采空區(qū)頂板利用回采工作面采場周邊或兩側(cè)的煤柱支撐，采后不隨工作面推進(jìn)及時處理采空區(qū)，造成大量的采場空洞，形成瓦斯庫，且生產(chǎn)時通風(fēng)系統(tǒng)多采用串聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)，管理復(fù)雜，常造成瓦斯積聚隱患。

建礦初期至1998年，由于采煤面多數(shù)為走向不超過1 000 m的儲量較小的工作面，采煤面瓦斯涌出量在8 m3/min以下，礦井采煤面通風(fēng)系統(tǒng)采用純“U”型系統(tǒng)，未采用任何的瓦斯抽采措施和手段，單純依靠風(fēng)排即可解決瓦斯隱患。礦井的絕對瓦斯涌出量多年保持在20～50 m3/min，瓦斯隱患對礦井的威脅程度不太突顯。掘進(jìn)面瓦斯涌出量在0.3 m3/min以下，巷道開拓掘進(jìn)期間，采用28 kW局部通風(fēng)機(jī)即可保證掘進(jìn)頭面能夠安全掘進(jìn)。

2.2 中期階段

1999—2012年，隨著采掘部署接替，工作面向西四采區(qū)、南二采區(qū)、小南四采區(qū)、南四采區(qū)延展，礦井瓦斯涌出量也呈現(xiàn)出跳躍式增長，礦井絕對瓦斯涌出量也增加至60～85 m3/min，單純依靠純“U”型通風(fēng)系統(tǒng)難以解決瓦斯問題，各類瓦斯安全隱患逐年增加，突出表現(xiàn)在：上隅角瓦斯時常出現(xiàn)超限積聚，檢測采空區(qū)內(nèi)局部區(qū)域瓦斯?jié)舛壬踔脸霈F(xiàn)“白板”現(xiàn)象，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛纫苍黾又?.50%～1.0%. 礦井通風(fēng)系統(tǒng)也變得更為復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化，部分下層煤工作面利用上層煤的采空區(qū)、空巷進(jìn)行不合理通風(fēng)，瓦斯不僅沒有得到治理，反而給煤層自然發(fā)火造成了隱患。北三采區(qū)下組煤9#煤開采時，曾發(fā)生49309采空區(qū)自然發(fā)火封閉工作面支架、設(shè)備事故，49308采煤面后部遺煤自燃產(chǎn)生一氧化碳威脅采煤面安全生產(chǎn)事故。

礦井于2006年建立冀家溝地面高負(fù)壓瓦斯抽采泵站，2012年建立低負(fù)壓瓦斯抽采泵站，通過瓦斯抽采緩解了風(fēng)排瓦斯壓力。高負(fù)壓抽采系統(tǒng)安裝3臺2BEC72-1BG3型水環(huán)式真空泵，電機(jī)功率560 kW，最大吸氣量450 m3/min，其中1臺運(yùn)行，2臺備用；低濃度抽采系統(tǒng)安裝2臺2BEC-100型水環(huán)式真空泵，電機(jī)功率1 120 kW，最大吸氣量1 000 m3/min，其中1臺運(yùn)行，1臺備用；在南四盤區(qū)、西十二采區(qū)各建有1座移動抽采泵站，均安設(shè)有2臺2BEC-52型移動抽采泵，電機(jī)功率315 kW，最大吸氣量260 m3/min，1臺運(yùn)行，1臺備用。

2004年，開采南四采區(qū)時，為徹底治理上隅角瓦斯，通風(fēng)系統(tǒng)由單純的“U”型系統(tǒng)升級為“U+L”型系統(tǒng)。通過增加一條瓦斯治理巷、開掘采空區(qū)排瓦斯橫貫方式治理上隅角瓦斯，見圖1，在南四采區(qū)48707工作面開采期間，“U+L”系統(tǒng)首次應(yīng)用，瓦斯治理取得了一定的效果，同時發(fā)現(xiàn)還存在一些問題，主要是：橫貫間距嚴(yán)重影響上隅角瓦斯治理效果，橫貫間距控制在120 m以內(nèi)效果較好，超過120 m后，由于采空區(qū)跨塌冒落密實，后部橫貫回風(fēng)不暢，仍會造成上隅角瓦斯出現(xiàn)超限隱患。通過實踐應(yīng)用得出，最理想效果是控制在50～80 m，不易過寬。但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)，“U+L”型系統(tǒng)同樣存在采空區(qū)通風(fēng)問題，瓦斯治理可能取得較好的效果，但煤層自然發(fā)火隱患同樣存在。

圖1 回風(fēng)巷埋管抽采采空區(qū)瓦斯示意圖

48707工作面在開采過程中遇到橫貫間距超過130 m，上隅角瓦斯仍時常出現(xiàn)超限現(xiàn)象。2005年初，西銘礦在南四采區(qū)建立了一座移動抽采泵站，采用200 mm鐵管作為抽采管路，上隅角瓦斯經(jīng)埋管抽采，經(jīng)移動抽采泵排至南四采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)，通過采用移動抽采泵，上隅角瓦斯治理得到了抑制，短時期內(nèi)瓦斯降到了1.20%以下安全值。

2006年，西銘礦在小南四采區(qū)開始對下組煤8#煤層進(jìn)行本煤層鉆孔施工并進(jìn)行預(yù)抽，同時設(shè)計了底抽鉆場對下鄰近層9#煤層進(jìn)行預(yù)抽，并通過底抽鉆場巷道對采空區(qū)進(jìn)行抽采。同時，又在回風(fēng)側(cè)巷道施工頂板裂隙帶鉆場，布置穿層鉆孔對裂隙高位區(qū)域進(jìn)行抽采，采用多打孔、打深孔、全方位、立體化模式，瓦斯治理取得了較好的效果，采場空間的風(fēng)排瓦斯量降至工作面瓦斯涌出總量的40%以下，見圖2，圖3.

圖3 頂板穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯示意圖

2010年以前，西銘礦瓦斯抽采方法比較單一，只采用本煤層抽采和裂隙帶抽采技術(shù)，存在抽采率低、上隅角和回風(fēng)流瓦斯治理不徹底的問題。為從根本上解決瓦斯問題，西銘礦在南二采區(qū)48205采煤面試驗掘送了西山礦區(qū)第一條高抽巷，該高抽巷布置在8#煤層上覆頂板炭質(zhì)頁巖層中，距8#煤層頂板垂高38 m，內(nèi)錯平行于距皮帶順槽27 m(水平投影)，巷道全長565 m，采用DN630 mm抽采管路接入高瓦斯抽采系統(tǒng)。2010年11月11日開始試采，當(dāng)工作面推進(jìn)至34 m時，采空區(qū)頂板垮落冒落嚴(yán)實，抽采純量迅速提升至35 m3/min，上隅角瓦斯量迅速降低至0.82%以下。之后，抽采純量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，平均達(dá)到35 m3/min，最高可達(dá)到45 m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛冉抵?.50%以下，配風(fēng)量也由初采初放期間的3 500 m3/min 降低至2 598 m3/min，工作面回采至后半段時配風(fēng)量降低至1 900 m3/min左右。

高抽巷的優(yōu)點是抽采量大，抽采效果好，缺點是全部為巖石巷道，掘進(jìn)送道工期長、施工難度大，費用高。部分礦區(qū)會因地質(zhì)條件和受上部采空區(qū)影響不便于掘送高抽巷。

2013年前后，西銘礦為治理鄰近層9#煤層瓦斯對8#煤層開采期間的影響，在南二采區(qū)48201采煤面掘送一條長達(dá)600 m的底抽巷，巷道全部采用架棚支護(hù)，施工9#煤層本煤層順層鉆孔，孔間距5 m，孔深205 m，孔徑113 mm，并提前進(jìn)行了不少于6個月的預(yù)抽采。但在48201采煤面初采初放后，受基本頂初次來壓和頂板周期來壓影響，在工作面推進(jìn)不足30 m時，底抽巷出現(xiàn)明顯的采動影響，棚梁、棚腿嚴(yán)重彎折，支護(hù)維護(hù)工程量加大，抽采管路、抽采鉆孔維護(hù)量也加大，孔口密封段受壓造成漏氣泄壓。隨著采煤面向前推進(jìn)328 m左右時，底抽巷受煤層采動影響巷道形變收縮、棚梁支護(hù)破壞范圍波及整條巷道，原巷道斷面由9 m2縮小至不足2 m2，人員已不能再安全進(jìn)入，鄰近層瓦斯抽采提前宣告結(jié)束。實踐證明，由于地質(zhì)條件限制，底抽巷不適用于近距離煤層群，不能保證預(yù)抽期和邊采邊抽，并且巷道支護(hù)是個明顯的難題。

2.3 現(xiàn)階段

西銘礦2018年瓦斯絕對涌出量105.92 m3/min，瓦斯相對涌出量為18.62 m3/t. 隨著盤區(qū)布置向深部發(fā)展，預(yù)計瓦斯涌出量會越來越大，預(yù)估算，在未來10年內(nèi)，礦井瓦斯絕對涌出量將會突破160～180 m3/min.

根據(jù)國家煤礦瓦斯治理要求，通風(fēng)系統(tǒng)變更為純“U”型或“Y”型系統(tǒng)。瓦斯管理難度明顯增加，采煤面難治理，掘進(jìn)面同樣也面臨著瓦斯治理問題。

采煤面回采期間瓦斯難治理，主要分為幾個特殊階段：1) 工作面初采初放期間，瓦斯絕對涌出量相對來說是最高的，如北七采區(qū)48709、48707、48705、48710等工作面。2) 遇向斜或背斜構(gòu)造，尤其是較大的向斜或背斜軸部，瓦斯異常涌出較為明顯，如西十二采區(qū)42209工作面前半部包裹落差較大的向斜軸部，在開采該段期間，最大瓦斯絕對涌出量達(dá)到26 m3/min，過向斜后，日常絕對瓦斯涌出量僅為7 m3/min左右，采用上隅角埋管抽采、裂隙帶抽采就可解決瓦斯問題，回風(fēng)流瓦斯控制在0.22%以下，上隅角瓦斯控制在0.39%以下，未出現(xiàn)瓦斯超限或積聚影響。3) 工作面推進(jìn)即將揭露陷落柱、斷層帶等地質(zhì)構(gòu)造時，一般在遇構(gòu)造前5～35 m，瓦斯呈現(xiàn)出馬鞍形規(guī)律增長，初期增長較快，中期穩(wěn)定一段時期，后期呈現(xiàn)衰減趨勢，直至揭露構(gòu)造為止，而在真正過構(gòu)造期間，瓦斯涌出量反而趨于正常值，過構(gòu)造后又呈現(xiàn)出前階段的規(guī)律，但瓦斯涌出變化幅度相比前一階段小很多，見圖4.

圖4 過構(gòu)造期間瓦斯涌出量變化曲線圖

掘進(jìn)期間，尤其是開采西部擴(kuò)區(qū)下山開拓區(qū)域，瓦斯涌出量也逐漸增加。因此，西銘礦采取了掘進(jìn)面瓦斯抽采措施，抽采鉆孔布置見圖5，鉆孔參數(shù)見表1.

圖5 掘進(jìn)面抽采鉆孔布置示意圖

根據(jù)《西銘礦煤層瓦斯基本參數(shù)測定報告》，該礦各煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)均大于0.05 d-1，煤層透氣性系數(shù)在1.5～8.3 m2/MPa2·d，根據(jù)開采層預(yù)抽瓦斯難易程度分類表(表2)可知，各煤層均屬可以抽采到較難抽采類型，通過采取一些強(qiáng)化抽采措施，開采層瓦斯抽采還是可行的，見圖6.

表2 開采層預(yù)抽瓦斯難易程度分類表

1—抽放瓦斯管 2—注漿管 3—砂(泥漿)充填物 4—觀測管 5—密閉墻圖6 密閉采空區(qū)插管抽采示意圖

在引進(jìn)澳大利亞威利郞沃長米定向鉆機(jī)后，西銘礦不再掘送高抽巷，通過采用定向鉆機(jī)施工頂板高位裂隙孔代替高抽巷，取得了較好的瓦斯治理效果。

3 展 望

1) 礦井主要通風(fēng)機(jī)房實現(xiàn)無人值守，設(shè)備全部實現(xiàn)在線監(jiān)測和故障診斷，使用最低的耗電量保證安全、合理的需風(fēng)量，將風(fēng)量在線監(jiān)測融入監(jiān)控系統(tǒng)，促進(jìn)節(jié)能減排，推進(jìn)故障診斷技術(shù)智能化，最終實現(xiàn)不停風(fēng)機(jī)倒機(jī)。

2) 推進(jìn)主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)控制智能化發(fā)展，使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行在工況點合理、低功耗、高效能區(qū)段，最終實現(xiàn)節(jié)能降耗目的，尤其是多風(fēng)井并列運(yùn)行的礦井，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)融入智能化控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)全礦井通風(fēng)機(jī)安全高效運(yùn)行。

3) 利用好通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，建立穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)。保證系統(tǒng)正常生產(chǎn)時期能夠滿足安全生產(chǎn)需要，災(zāi)變時期能夠保證主要通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、通風(fēng)設(shè)施靈活、風(fēng)流快速調(diào)控可靠，進(jìn)一步使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管理向現(xiàn)代化、科學(xué)化、精確化方向發(fā)展。

4) 將工業(yè)4.0智能制造技術(shù)引入通風(fēng)設(shè)備制造中，提高設(shè)備的精加工水平，改善通風(fēng)設(shè)備質(zhì)量，最大限度地降低能耗，提高設(shè)備效率，通過技術(shù)攻關(guān)，解決通風(fēng)機(jī)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配問題，實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)個性化定制，提高通風(fēng)設(shè)備的自動化、信息化水平，讓人工智能技術(shù)應(yīng)用在通風(fēng)管理工作中。

5) 加強(qiáng)通風(fēng)災(zāi)變系統(tǒng)研究，得出通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與礦井災(zāi)害之間的耦合關(guān)系。研制發(fā)明可靠性高、自動化程度高、能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的風(fēng)流調(diào)控設(shè)施，研究通風(fēng)智能化分析決策技術(shù)，及時掌握災(zāi)變信息，實現(xiàn)快速決策能力，為應(yīng)急救援提供技術(shù)保障。

6) 采用千米鉆機(jī)實現(xiàn)長鉆孔定向鉆進(jìn)，對上、下鄰近層瓦斯進(jìn)行提前預(yù)抽采。對未開拓的區(qū)域，采用從地面施工長距離的穿層“L”型或“U”型大直徑鉆孔，采用多打分支的方法進(jìn)行地面直接抽采，預(yù)抽采時間保證在5年以上。

4 結(jié) 語

通過上述通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯治理方法的研究分析，期望能夠在通風(fēng)系統(tǒng)改造、瓦斯治理方法創(chuàng)新方面實現(xiàn)大提升、大轉(zhuǎn)變，真正實現(xiàn)本質(zhì)安全型通風(fēng)系統(tǒng)、本質(zhì)安全型瓦斯治理礦井。