頂板灰巖抽采系統對礦井通風系統影響的研究

王云龍

(義棠煤業有限責任公司,山西 介休 032000)

通風系統和瓦斯抽采系統作為煤礦的兩大主要系統,為保障礦井的安全生產起到重要的作用,尤其是隨著采掘深度的加大,煤層瓦斯涌出量增大,抽采系統作為解決瓦斯問題的有效手段,在礦井普遍運用，準確地測量通風系統各用風地點的風量就顯得尤為重要。由于礦井內部涌出各種氣體及外部裂隙,一般情況下會導致總回風量大于總進風量,但由于各種緣由,會造成不同情況的出現。

1 礦井概況

山西義棠煤業有限責任公司(簡稱“義棠煤業”下同)井田面積17.726 km2,保有儲量1.4億t,可采儲量9 400萬t。批準可采煤層4層(1#，2#，9#，10#煤層),設計生產能力180 萬t/a。礦井分兩個水平開采,上組煤水平開采1#、2#煤層,下組煤水平開采9#、10#煤層。煤田內的斷層均為開放型斷層,屬于張性斷裂,落差較大(一般10 m以上),且井田內延伸長度大,這些斷層為瓦斯向上運移提供了通道。1#、2#煤層的上覆巖層含有中細粒砂巖、砂巖、砂質泥巖等,這樣的巖性組合不利于瓦斯的保存,導致1#、2#煤層瓦斯含量低。K2石灰巖上覆于9#煤層頂板,層位穩定,平均厚度8.14 m,受地質運動的影響,K2石灰巖及其上部的K3、K4灰巖節理發育,透氣性較好,利于9#、10#及11#煤層瓦斯的儲存;而K2、K3、K4灰巖之間夾雜灰泥巖或炭質泥巖,這些泥巖和炭質泥巖具有結構致密、透氣性差的特點,使瓦斯不能繼續向上逸散,致使灰巖充當了瓦斯的儲集層,導致9#、10#及11#煤層瓦斯含量含量低,K2、K3、K4灰巖中儲存了大量游離狀態的瓦斯[1-2]。礦井綜合柱狀圖見圖1。

圖1 礦井綜合柱狀圖Fig.1 Stratum histogram in the mine

根據華北科技學院編制的《礦井瓦斯涌出量預測報告》,1#、2#、9+10#煤層瓦斯含量預測最大值分別為4.5，3.5，4.6 m3/t。

義棠煤業通風方式為中央分列式,通風方法為機械抽出式,共布置5個井筒,四進一回。5個井筒包括行人斜井、主斜井、副斜井、2#進風立井進風,3#回風立井回風。風井工業廣場建有地面瓦斯抽采系統,分別為高濃度抽采系統和低濃度抽采系統。高濃度抽采系統范圍為下組煤西翼專用回風巷和瓦斯抽采巷；低濃度抽采系統抽采范圍為100507回采工作面上隅角和部分鉆孔,其中上隅角采取插管抽采。鉆孔全部為頂板鄰近層穿層鉆孔布置,抽采K2、K3石灰巖內瓦斯。

2 問題及原因分析

2.1 發現問題

隨著礦井采掘深度的延伸,生產過程中發現瓦斯涌出量增加,主要集中在下組煤西翼區域。為有效解決瓦斯安全隱患,充分利用瓦斯這一清潔能源,公司建立并使用地面瓦斯抽采系統,對礦井下組煤西翼區域進行瓦斯抽采。上組煤不符合抽采系統的建立標準,且通風系統能解決瓦斯問題,故未建立抽采系統。抽采系統運行之后,礦井測風統計發現,礦井總回風量小于總進風量,主要集中在下組煤西翼區域,異于礦井以往測量結果,給通風管理帶來困擾。同時,在下組煤西翼各采掘順槽頂板裂隙處都不同程度地出現吸氣現象,距離抽采鉆場越近,吸氣情況越發明顯。

2.2 原因分析及建立模型

2.2.1原因分析

發現這一情況后,首先排除了測量儀器的故障及人員測量失誤,確認總回風風量減少的事實。同時,統計礦井相關歷史數據資料，實地測量相關參數,結合本礦井較為特殊的抽采系統綜合分析,認為造成這一現象的主要原因是瓦斯抽采系統,其通過9+10#煤直接頂K2石灰巖內豐富的節理構造等通道,吸入礦井風量,造成礦井總回風風量減少[3]。

2.2.2建立模型及說明

1)根據原有分析,建立本礦井通風系統簡單模型示意圖,見圖2。

圖2 現礦井通風系統示意圖Fig.2 Current ventilation system of the mine

礦井進風經過井下各用風地點后,再加上礦井本身涌出的各種氣體,通過回風立井排出礦井,但部分風量通過巷道裂隙、管路破口等通道進入瓦斯抽采系統排出礦井[4]。其數學公式為:

Qj+Qy=Qh+Qc，

Qc=Qj+Qy-Qh.

(1)

式中:Qj為礦井總進風風量,m3/min;Qy為礦井內部涌出各種氣體量,m3/min;Qh為礦井總回風風量,m3/min;Qc為礦井抽采系統吸風量,m3/min。

2)數值的解釋說明。首先,公式(1)中各風量數值均為標況值,標況參數選定為壓力101.3 kPa,溫度20 ℃。實測數據需進行換算[5]。依據理想氣態平衡方程pV=nRT,換算公式為:

(2)

式中:Qo為標況風量,m3/min;Q為實測風量,m3/min;t為測風地點風流溫度,℃;p為測風地點大氣壓力,kPa。

其次,礦井抽采系統吸風量的計算公式如下:

Qc=Qz-Qb.

(3)

式中:Qc為礦井抽采系統吸風量,m3/min;Qz為礦井抽采系統總抽采混量,m3/min;Qb為礦井煤層(或鄰近層)補給瓦斯量,m3/min。不同煤層或巖層的瓦斯補給濃度有所差異,需根據不同的瓦斯賦存條件及瓦斯來源進行具體分析。

最后,礦井內部涌出各種氣體量需根據各礦井歷史測風數據進行統計分析,通過計算得出其值。

2.3 實踐計算

2.3.1數據的采集

1)儀器及地點選取。為保證本次測量數據的準確性,需保證測量數據儀器完好。抽采系統數據依據KJ350型礦井瓦斯抽采在線監測系統,該系統定期進行人工檢測校對,數據可靠有效。通風系統數據依據人工檢測,儀器主要包括風表、空盒氣壓表、干球溫度計。

2)數據整理匯總。11月22日,兩組人員進行井下風量測量,記錄各地點測量風量及相關參數,并讀取抽采在線監測數據。具體數據如表1、表2所示。

2.3.2驗算分析

1)礦井總進回風驗算。根據礦井歷史風量測量數據,礦井涌出氣體量取150 m3/min,查表帶入數值,得Qc=Qj+Qy-Qh=438.8 m3/min。

通過對比發現,該數值與抽采系統吸入空氣量實際檢測值427.94 m3/min接近。考慮到測量數據誤差,基本可認為二者相等模型處理。

2)下組煤總進回風驗算。根據礦井歷史風量測量數據,礦井涌出氣體量取110 m3/min,查表帶入數值，得Qc=Qj+Qy-Qh=436.0 m3/min。

通過對比發現,該數值與抽采系統吸入空氣量實際檢測量427.94 m3/min接近。考慮到測量數據誤差,基本可認為二者相等,模型處理。

表1 11月22日瓦斯抽采系統參數Table 1 Parameters of gas drainage system (Nov. 22)

表2 11月22日礦井風量數據Table 2 Air volume of the mine (Nov. 22)

3)上組煤總進回風驗算。根據礦井歷史風量測量數據,礦井涌出氣體量取40 m3/min,查表帶入數值，得Qc=Qj+Qy-Qh=2.8 m3/min。

通過計算可知,上組煤由于未建立瓦斯抽采系統,故其總進回風基本符合一般規律。

綜合上述,礦進的漏風主要是在下組煤水平,原因是地面瓦斯抽采系統吸入漏風造成的。

3 結論

通過實地測量并分析可知,直接頂灰巖抽采對巷道通風系統有著較為明顯的影響,其通過裂隙等通道吸入礦井風量,造成礦井有效風量減少，抽采系統運行效率降低，可能引起煤層自燃等情況。故一經發現類似情況,需及時進行全面排查,及時堵漏,確保通風系統、抽采系統的可靠運行。