近距離煤層老窯破壞井田均壓防治技術應用

劉曉恒，師傳壯

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司， 山西 介休 032000)

近距離煤層小煤窯密布，井田煤層破壞嚴重,小煤窯空巷縱橫交錯,漏風通道復雜,易形成大量隱蔽高溫區域,產生有毒有害氣體,一旦與生產區域溝通,嚴重威脅礦井的安全生產。為此，許多專家對近距離煤層自然發火防治技術進行了研究，解決了實際問題。王永文[1]針對近距離煤層小煤窯密布井田漏風通道復雜,采空區大面積連通,高溫區域難以準確判定,單一手段治理火區困難的問題，通過分析火區成因，應用各種防滅火技術，形成一套復雜成因自燃隱蔽災害治理技術體系,為礦井安全、高效、綠色開采提供了保障。高峰[2]通過老巷探測、地面鉆探、井下探查等方式對火區進行探查,圈定了上覆4#煤層的井巷位置及自然發火的區域,并采取了井下密閉隔離、均壓通風、地面注漿等綜合防控技術，有效預防和控制了采空區自燃。李強、鄔劍明等[3],通過采取預先打孔埋管監測近距離煤層中上分層采空區氣體隨下分層工作面推進的分布規律及濃度,預測預報上分層采空區遺煤自燃情況，解決了中煤平朔煤業有限責任公司井工二礦近距離煤層群開采下分層過程中極易引起上覆采空區遺煤自燃等問題。

汾西礦業集團柳灣煤礦屬近距離煤層開采，低瓦斯礦井，主采煤層自然傾向性為Ⅱ類自燃，煤塵具有爆炸危險性。在長期的生產過程中礦井井田及周邊存在嚴重的私挖濫采現象，造成了大量位置不詳的老窯采空區。該礦61115綜放工作面所采太原組10+11#煤，放頂煤開采，煤層均厚5.43 m，煤層傾角3°左右，采用“U”型全風壓通風方式，瓦斯絕對涌出量0.43 m3/min. 工作面兩側均已回采，兩側煤柱留設20 m，上部為9#煤小煤窯采空破壞區，層間距約10 m. 在掘進期間材料巷、運輸巷多處與小窯空巷貫通導致CO涌出超限、氧氣濃度低于18%，雖然進行堵漏，但仍無法杜絕氣體異常涌出。為確保工作面回采期間的安全生產，防止有毒有害氣體侵入及煤層自燃，對工作面采用“風機-風窗”聯合均壓防治技術。

1 “風機-風窗”聯合均壓防治技術原理

“風機-風窗”聯合均壓防治技術是通過在工作面進、回風巷內設置局部通風機、通風構筑物、測壓裝置等設施來實現的，“風機-風窗”聯合均壓示意圖見圖1，在工作面進風側C處安設調壓風機，在回風側D處安設調節風窗，調壓設施的使用增加了C、D間風流的壓能。其原理是在不影響礦井主要通風機正常運轉的情況下，控制井下工作面巷道間風流流動狀態，通過調節局部通風系統中均壓范圍內的壓能，使漏風通道兩端的風壓差達到平衡，減少或防止漏風，達到“堵風防漏、以風防火、以風制火”的目的[4].

圖1 風機-風窗聯合均壓示意圖

2 “風機-風窗”聯合均壓設計方案

61115綜放工作面應配風量為650 m3/min，隨著工作面的推進，漏風量及CO涌出量不斷增大，上隅角局部CO積聚，正常情況下CO濃度為0.018‰～0.024‰，但在放煤、移架或頂板冒落等異常涌出條件下，上隅角局部CO濃度可達0.05‰～0.06‰. 在61115工作面中部、進回風隅角及兩巷前、中、后部設置的9個測風點進行漏風量測定，各點風量見表1，發現主要漏風點在工作面上隅角處，漏風量約為80 m3/min.

表1 61115工作面各測點風量表

根據聯合均壓防治原理，結合61115工作面實際情況，在工作面進風聯巷安設調壓風機，進、回風巷C、D兩點分別兩組調壓風窗，見圖2.

圖2 工作面均壓系統布置示意圖

2.1 調壓范圍的確定

61115工作面采用均壓系統，通過增大工作面風壓，使其與漏風通道風壓平衡，減小漏風通道的漏風量，達到減小有毒有害氣體侵入及防治自然發火的目的。為達到預期效果，在采用“風機-風窗”聯合均壓技術前，需確定工作面增壓值(范圍)，但由于采空區漏風通道復雜，且多與地表裂隙溝通，直接測定漏風通道阻力比較困難，又因為采空區漏風通道與進風井進風形成了并聯通風網絡(圖3)，故選擇與其并聯的“進風井→漏風點”通風支路進行阻力計算[5].

圖3 工作面采用均壓系統前后通風支路網絡圖

根據井下巷道通風阻力計算公式：

其中各測點的空氣密度按下式計算：

式中：

P1、P2—回采面漏風通道起末兩測點風流的絕對靜壓，Pa；

Z1、Z2—兩測點的標高，m；

v1、v2—回采面漏風通道起末兩測點風流的風速，m/s；

ρ′—兩測點風流密度的平均值，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

t—測點空氣的溫度，℃；

h自—漏風通道自然風壓，冬季與地面主要通風方向相同，夏季與地面主要通風機方向相反，秋季和春季方向不定，Pa，一般最大為100～200.

經實測工作面主要漏風點上隅角處P2、Z2、t2、v2值分別為92 686 Pa、850 m、17 ℃、0.88 m/s；進風井口處P1、Z1、t1值分別為90 776 Pa、1 050 m、10 ℃；v1取漏風通道起點風流的風速，0；h自取150 Pa.

利用上述公式計算可得出h最大=310 Pa、h最小=110 Pa. 因此，61115綜放工作面漏風通道阻力最大為310 Pa、最小為110 Pa，增壓范圍為110～310 Pa.

2.2 調壓風機的選型

工作面選擇調壓風機時應滿足調壓風機的最小風壓、最小風量應大于工作面最大增壓值310 Pa、工作面需風量650 m3/min.故選用兩臺FBD№7.1/2×45 kW的風機，風壓范圍為670～1 350 Pa，風量850～939 m3/min.

2.3 調壓風門及風窗的安設

在61115材料巷、運輸巷內各安設3道調壓風門，其間距均為15 m，對前兩道調壓風門進行閉鎖。運巷安設調壓風門時必須對皮帶處進行全部封閉，以減少漏風提高均壓效果。在調壓風門上施工1 m×1 m插板式調節風窗，安設位置為距頂板500 mm，用以調節工作面風量及壓差，并在兩巷均壓風門附近各安設“U”型水柱計。

2.4 建立工作面的監控系統

建立完善的工作面監控系統，包括安全監測監控、束管監測、風門閉鎖監測、壓差監測，實現對工作面氣體濃度、風量、壓差的全方位實時監測與傳輸，在調度室即可隨時掌握工作面均壓區域氣體濃度及壓差動態變化情況。

2.5 調壓期間安全技術措施

開啟61115材料巷的調壓風機后，先關閉材料巷調壓調節風門，后關閉運輸巷調壓風門，逐步調整調節風窗的面積。要密切關注工作面氣體參數變化，不斷調整調壓調節風門，確保工作面氣體正常與通風系統的穩定。調整的最終結果為進風順槽風量保持不低于設計風量(應配風量650 m3/min)，進風側風量要略大于回風側風量25 m3/min；同時進、回風順槽調壓風門內外的壓差均保持在110～310 Pa，工作面與鄰近采空區壓能基本平衡，各種氣體濃度均符合《煤礦安全規程》及相關規定。

綜上所述，調壓風機、調節風窗及其輔助設施的安設，使工作面形成了一個相對封閉的均壓區域。通過調節均壓區域的調節風窗開啟大小對工作面的風壓及風量進行調整，增加工作面的風流壓力，使工作面與采空區漏風通道的壓差達到平衡，減少采空區漏風量及有害氣體的涌出。

3 聯合均壓防治系統的效果分析

61115工作面在02:00啟用調壓風機，通過關閉兩巷調壓風門，調整調節風窗面積控制均壓效果，每2 h對工作面上隅角氣體進行監測，檢驗工作面均壓防治效果，上隅角的CO氣體濃度變化趨勢見圖4. 均壓防治系統啟用后，工作面上隅角CO濃度從0.024‰降至0.002‰左右(表2)，工作面漏風量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右(表2). 此外，在與61115工作面相鄰近的采空區密閉內也未檢測到自然發火標志性氣體。該聯合均壓防治方案的實施不僅限制了采空區有毒有害氣體進入工作面，減少了工作面的漏風量，對預防采空區自然發火也有積極的作用。

圖4 工作面均壓系統啟用前后上隅角CO變化趨勢圖

表2 工作面均壓系統啟用前后上隅角CO濃度、材運巷壓力變化對照表

4 應用效果

均壓防治系統啟用后，工作面上隅角CO濃度從24×10-6下降至2×10-6左右，工作面漏風量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右，有效限制了采空區有毒有害氣體進入工作面，減少了工作面的漏風量。

5 結 論

柳灣煤礦采用“風機-風窗”聯合均壓防治技術后有效解決了工作面漏風，上隅角CO濃度超限。該技術的核心是通過增加調壓設施間工作面壓能，使其與漏風通道末端風流的絕對壓力相平衡，阻斷漏風通道通風支路的形成，減少漏風。由于均壓系統的平衡隨大氣壓變化及工作面推進情況時刻變化，在使用該技術時必須每班關注工作面氣體、壓差及風量變化，根據實際情況進行風量及壓差調整，確保均壓系統可靠有效。調壓風機因故停風或調壓設施遭到破壞時，工作面必須強制停產并撤出人員。