綜采工作面通風方式及防滅火技術研究

鄯夢濤

(陽泉市上社二景煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100)

引 言

煤炭在我國能源結構中占據主導地位，近年來，隨著采煤工藝及技術的不斷改進和綜采設備自動化水平及可靠性的不斷提升，工作面的采煤效率得到不斷提升。隨著開采空間的不斷增大，使得工作面的遺煤量不斷增加，進而導致工作面瓦斯的涌出量相當嚴重。尤其是針對高瓦斯突出的煤層群而言，其本身瓦斯含量就高，使得礦井發生火災事故的概率越發增大。此外，受到采空區上覆巖運動規律和綜采技術的影響，使得采空區煤炭自燃的概率仍然很高，導致煤礦火災事故的發生[1]。為確保綜采工作面的安全生產，預防工作面火災事故的發生也是非常重要的。本文著重闡述了綜采工作面的防滅火技術。

1 工作面通風方式及防滅火技術

1.1 工作面通風方式

工作面良好的通風方式是控制其瓦斯濃度的主要措施，尤其是針對高瓦斯礦井而言，必須保證其通風系統的安全性、穩定性以及連續性。目前，我國煤礦生產所采用的通風方式包括有U型、Y型、W型、E型以及Z型等，且應用最為廣泛的通風方式包括有U型和Y型。

1.1.1 U型通風方式

U型通風方式的優勢在于其成本低、構造簡單，主要適用于瓦斯含量相對較低的工作面且煤層自燃概率相對較低的工作面。U型通風方式的劣勢在于其在應用時存在通風阻力大、采空區漏風嚴重以及隅角范圍內的瓦斯很難得到解決的問題[2]。U型通風方式的布置圖如圖1所示。

圖1 U型通風方式的布置圖

如圖1所示，U型通風方式包括有后退式U型和前進式U型兩種構造。

1.1.2 Y型通風方式

Y型通風方式的一般構造為巷道上下為主次進風，次巷道一次采空區的單巷道為回風。Y型通風方式的優勢在于可避免隅角處瓦斯的聚集，提高工作面風流的效率，保證工作面原煤的高效生產[3]。Y型通風方式的劣勢在于在回風巷道內容易造成瓦斯聚集。Y型通風方式的布置圖如圖2所示。

圖2 Y型通風方式的布置示意圖

1.2 工作面防滅火技術研究

一般情況下，采空區為發生火災概率最高的場地，由于防火措施不當有可能導致礦井火災保持幾年或者幾十年。目前，應用于工作面防滅火的技術主要包括灌漿、注氮等。

灌漿滅火是將配制好的灌漿材料通過鉆孔注入注漿點，從而達到預防或者消滅工作面火災的目的。該滅火技術應用最早也應用時間最長，目前仍然被使用。

注氮滅火是將惰性氣體氮氣通過輸氣管道注入至指定位置，降低該處的氧氣濃度，從而達到抑制煤炭氧化、預防自燃的目的。

均壓滅火的主體思路是采用多種措施對采空區的氣流及風壓進行控制，使得采空區漏風現象得到解決，從而實現對煤自燃現象的抑制。

泡沫滅火是將液相、氣相以及固相的材料組合，抑制采空區煤層自燃從而達到防火的目的。該滅火方式主要適用于采空區堵漏，且具有成本低以及無污染的優勢[4]。

2 工作面火災防治數值模擬

為確保后續所設計的防滅火方案能夠有效達到預防火災和滅火的目的，需準確掌握綜采工作面采空區的相關特性，具體包括有工作面采空區的漏風風速場、氧濃度、瓦斯濃度等、本文采用基于FLUENT軟件對采空區相關特性進行數值模擬分析?；贔LUENT搭建模型所參照的參數如表1所示。

表1 數值模擬模型參數設置

2.1 采空區漏風風速場仿真結果分析

經仿真分析可知，主進風巷和輔助進風巷的風速較大，可達到0.1 m/s；距離工作面較近的采空區以及上下隅角范圍內采空區的風速較大。而且，距離工作面越遠的位置，其漏風范圍在不斷擴大[5]。

2.2 采空區氧濃度仿真結果分析

經仿真分析可知，受到漏風范圍的影響，在進風、回風巷以及工作面附近采空區的氧濃度值最高，可達到25%。而且，距離主進風巷道80 m采空區氧濃度變化不大，而次進風巷采空區氧濃度變化較大。此外，在工作面采空區較深的位置和受進風流影響的位置氧濃度變化趨勢一致，且濃度值在8%左右。

2.3 采空區瓦斯濃度仿真結果分析

隨著工作面采空區的不斷深入，瓦斯濃度值由5%一直增大到40%；主進風和次進風巷道以及工作側采空區域受到漏風風流的影響，使得瓦斯濃度得到稀釋。而且，距離主進風巷道80 m采空區瓦斯濃度變化不大，而次進風巷采空區瓦斯濃度變化較大?？傊?，受到漏風風流稀釋的作用及尾抽作用的影響，瓦斯濃度在采空區走向隨梯度增加而減少。

3 工作面防滅火設計及驗證

3.1 工作面滅火系統設計

綜合從成本、效果等方面對比分析灌漿、注氮、均勻等防滅火手段的優劣勢，我礦選用灌漿和注氮聯合的方式實現對綜采工作面火災的預防和處理。

3.1.1 灌漿滅火系統的運送流程

地面灌漿站→灌漿鉆孔管路(直徑為200 mm)→回風大巷(管路直徑為200 mm)→采空區回風上山(管路直徑為150 mm)→回風聯巷(管路直徑為100 mm)→工作面注漿點。

灌漿所采用的材質為黃土，且水土比例為1:5，所配置灌漿的密度為1.3×103 kg/m3，流入工作面灌漿的壓力為10.9 MPa。

3.1.2 注氮系統的運送流程

工作面注氮硐室-西翼回風大巷(管路直徑為200 mm)→東翼回風大巷(管路直徑為200 mm)→回風上山(管路直徑為150 mm)→回風聯巷(管路直徑為100 mm)→工作面注氮點。

工作面所采用注氮機組的關鍵參數如表2所示。

表2 注氮機組關鍵參數

3.2 工作面防滅火效果驗證

為加快綜采工作面的推進速度，除了采用上述注氮和灌漿滅火手段外，還采用相應的堵漏風的措施，從而達到抑制工作面采空區煤層自燃現象的目的。而且，在回風巷和U型通風上隅角未檢測到瓦斯聚集的現象，從而提高了工作面掘進的效率和生產的安全性。

此外，在回采過程中回風巷內的瓦斯濃度與總回風量的監測結果如第103頁圖3所示。

如圖3所示，在回采過程匯總回風巷內瓦斯的濃度一直低于0.6%，且保持在0.33%左右，滿足《煤炭安全規程》的相關要求。

4 結語

綜采工作面的通風方式是決定工作面瓦斯濃度的關鍵，在實際生產中需根據工作面瓦斯含量、地質條件以及煤層特點選用最為合適的通風方式。對于工作面采空區而言，由于通風不暢和遺煤的增加增加了采空區火災發生的概率，嚴重威脅著煤礦安全生產。為此，需綜合分析不同防滅火技術的特點，為工作面設計單一或者聯合滅火措施，預防火災的發生。

圖3 回風巷瓦斯濃度與總回風量