綜采工作面回采過程通風與瓦斯管理研究

張 曄

（山西晉能集團安監局重大風險監察處，山西太原030000）

0 引言

近年來，我國煤炭采掘技術快速發展，煤炭生產效率大幅提升，同時，對生產安全性要求也越來越高。井下綜采工作面的瓦斯涌出仍是威脅正常生產和人身安全的重要因素，不同來源的瓦斯氣體如果無法及時排出，容易形成局部積聚，甚至引發瓦斯安全事故。井下通風是應對瓦斯濃度超限的重要手段，通過不斷向井下巷道和工作面壓入新鮮空氣，可顯著稀釋瓦斯濃度，并為井下作業人員提供新鮮風流，保障安全良好的工作環境。但是，由于井下巷道眾多，設備布置復雜，為保證形成有效通風，需對通風路徑、通風量等進行科學合理的設計，并加強對通風和瓦斯治理措施的管理，另外，還應對井下瓦斯濃度進行連續監測，從而為瓦斯管理提供實時的數據[1-4]，本文將以小常礦為例，對綜采工作面回采過程中的通風和瓦斯管理方法進行研究。

1 工作面概況

小常礦工作面采用綜合機械化低位放頂煤一次采全高全部垮落采煤法。工作面采高為3.2m，長度162m，最大控頂距為5.56m，最小控頂距為4.76m，推移步距0.8m。工作面為U型結構，運輸順槽（運巷）長1360m，回風順槽（風巷）長1360m，煤層厚度6.88m，容重1.38t/m3。

該工作面瓦斯含量為3.8～5.9m3/t，兩順槽掘進過程中瓦斯涌出量約為1.5m3/min，本煤層鉆孔過程中無噴孔、突出現象，瓦斯涌出比較穩定，預計回采過程中絕對瓦斯涌出量約為18m3/min，煤層堅固性系數為0.44，瓦斯放散初速度為13.79m/s，孔隙率為3.47%，煤層透氣性系數約為3.3m2/（MPa2d），瓦斯壓力約為0.3MPa，工作面現狀如圖1所示。

圖1 小常礦工作面綜合機械化采煤現狀

2 回采過程通風管理

2.1 通風系統路線設計

采煤工作面采用后退式回采U型通風系統，如圖1所示，其新鮮風流和污風流路線如下：新鮮風流有兩條路線路線：

1）新鮮風→副井→軌道大巷→繞道車場→采區軌道上山→運巷車場→運巷→采煤工作面；

2）新鮮風→副井→軌道大巷→軌皮聯巷→皮帶大巷→運巷→采煤工作面。

污風路線：

采煤工作面污風→風巷→回風聯巷→采區回風上山巷→上山總回→回風大巷（南總回風巷）→風井→地面。

圖2 通風系統風流路線圖

2.2 需風量計算

1）按環境條件計算。

式中：Q采為工作面需風量，單位m3/min；60為單位換算系數；70%為所研究工作面的有效通風斷面系數；v采為工作面進風的流速，在工作面溫度為20-23℃時，取v采=1.5m/s；S采為工作面的有效斷面面積，巷道高度為3.2m，寬度取最大和最小控頂距的平均值（5.56+4.76）/2=5.16m，則S采=16.512m2；K采高、K采面長分別為工作面采高調整系數和工作面長度調整系數，取K采高=K采面長=1.2。

則按環境條件計算，Q采=1497.97m3/min。

2）按工作面瓦斯涌出量計算。

式中：125為當工作面回風流中瓦斯濃度小于0.8%時的換算系數；QCH4為工作面的平均絕對瓦斯涌出量，經測定，所研究工作面QCH4=2.05m3/min；K采CH4為瓦斯涌出不均勻風量系數，對于綜采工作面，取K采CH4=2.0。

則按工作面瓦斯涌出量計算，Q采=512.5m3/min。

3）按工作面同時最多作業人數計算。

式中：Nmax為工作面同時作業的最大人數，Nmax=63；Q人為每個作業人員單位時間內的最大需風量，取Q人=4m3/min。

則按工作面同時最多作業人數計算，Q采=252 m3/min。

4）按工作面極限風速進行校驗計算。

根據《煤礦安全規程》規定，工作面的最大風速不大于4m/s，最小風速不小于0.25m/s。按最大風速計算如下：

式中：vmax為最大風速，vmax=4m/s；Smin為最小控頂面積，Smin=3.2×4.76=15.2m2。

按最小風速計算如下：

式中：vmin為最小風速，vmin=0.25m/s；Smax為最小控頂面積，Smax=3.2×5.56=17.8m2。

因此，按工作面允許最大和最小風速進行校驗計算，Q采的計算結果應滿足以下條件：

通過以上計算可知，工作面的需風量為1498m3/min。但是，受井下巷道內設備臨時布置、局部區域瓦斯涌出量等因素變化影響，實際需風量存在一定變化，應嚴格按照生產計劃安排進行風量分配。

2.3 通風系統管理措施

為確保通風安全，在日常生產中，應重點從以下幾個方面加強通風系統管理：

1）注意定期檢查和保護風門、風窗、風障等通風設施，嚴禁人為破壞，及時修復；

2）應及時清理巷道中堆積的各種雜物，確保通風斷面不小于原巷道斷面的2/3；

3）避免在風量集中、斷面較小的巷道內存放設備、坑木等，風巷內的備用材料應緊靠巷道外幫疏散放置；

4）兩巷測風站及風巷車場嚴禁堆放物料等，同時，風巷車場兩道風門嚴禁強行打開，嚴禁同時打開；

5）加強通風系統的日常檢查和工作面風量、風速的測量，并根據需要及時調整風量[5,6]。

3 回采過程瓦斯管理

除保證科學合理的通風外，還應重視對瓦斯的管理，施行瓦斯治理措施，加強瓦斯濃度監測。

3.1 回風上隅角瓦斯治理

對于本文所研究U型工作面，回風上隅角瓦斯管理難度較大，易出現局部區域瓦斯濃度超限，針對這一情況，相應瓦斯治理措施如下：

1）應減少工作面兩端頭漏風，即防止進風隅角新鮮風流向采空區漏風，以及回風隅角采空區向工作面漏風，在工作面回采后，風運兩巷頂板及時退錨，確保工作面兩端頭頂板及時冒落；

2）進一步減小回風隅角漏風，應在工作面機尾搭設兩道風障，一道風障傾斜搭設于靠近巷尾的正規架前立柱與煤墻之間，另一道搭設于第一套排尾架處煤墻與支架后立柱之間；

3）進一步減少進風隅角漏風，應在工作面端頭、端尾每班實施聯合放頂作業，且每日使用沙袋在工作面機尾老塘側砌筑全斷面填堵墻，將采空區與工作面機尾予以隔離；

4）采煤工作面必須做到三直（煤壁直、支架直、煤溜直），風、運兩巷倒退距離保持一致，嚴禁采煤工作面在回風上偶角出現銳角現象。加強放頂煤工作，盡可能減少采空區的留煤，以減少采空區的瓦斯量；

5）嚴格控制采煤機割煤速度和放頂煤速度，均衡生產，遇瓦斯有增高趨勢時，必須及時放慢采煤機牽引速度；

3.2 瓦斯抽采鉆場布置

由于煤層的瓦斯含量較高，因此采用布置抽采鉆場的方式降低回采煤層中的瓦斯含量。綜采工作面瓦斯抽放鉆場屬嵌入式設計，位于回風巷巷道里幫側，處于回風流左翼。每隔52m布置一處瓦斯抽采鉆場，鉆場形狀如圖3所示，為直角梯形，外寬度7.4m，內寬度4m，深度4m，鉆場的斜邊與正巷夾角為50°，在回風巷掘進時施工成型。抽采鉆場形狀見圖3。

圖3 瓦斯抽采鉆場形狀

3.3 瓦斯濃度監測

在落實上述瓦斯治理措施基礎上，還應建立完善的瓦斯監測系統，包括瓦斯傳感器、監測站等的布置。在工作面機尾上隅角、工作面機尾回風10m處、回風巷中部、距回風巷回風聯巷口10-15m處，分別安裝型號KJG16B型瓦斯傳感器。傳感器的監測濃度范圍為0-4%，應在傳感器位置懸掛說明牌。另外，應注意傳感器的懸掛距離要求：離切頂線以外800mm，距巷頂不大于300mm，距巷道側壁大于200mm且小于800mm。

當傳感器監測到的工作面回風流中瓦斯濃度達到0.8%，或者電動機、開關附近20m范圍內風流中瓦斯達到1.2%時，必須停止區域內所有作業，撤出人員，切斷電源，進行瓦斯處理。在采煤機機身上安設機載式瓦斯斷電儀，當采煤機附近瓦斯濃度達到0.8%時，發出聲、光報警信號，達到1.2%時，自動閉鎖采煤機電源，當降到0.8%以下時，方可復電。

4 結論

為保證井下工作面形成有效通風，需對通風路徑、通風量等進行合理的設計，并加強對通風和瓦斯治理措施的管理，針對這一問題，本文以小常礦為例，首先介紹了工作面結構和瓦斯概括，然后分別從通風系統路線設計、需風量計算等角度研究了回采過程的通風管理，并從回風上隅角瓦斯治理、瓦斯抽采鉆場布置和瓦斯濃度監測等方面研究了回采過程的瓦斯管理措施，本文研究內容對綜采工作面回采過程中的通風與瓦斯管理具有積極參考價值。