均壓通風技術在治理綜采工作面回風隅角缺氧的應用

呂鵬飛，林 看，王少珂

(天地(榆林)開采工程技術有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

均壓通風技術是利用通風設施、風機、調壓設施和巷道等手段，通過改變某一區(qū)域的空氣壓力分布，來改變漏風方向或減少漏風的通風方法。針對神南礦區(qū)的淺埋、多煤層、厚煤層大采高工作面開采過程中產生的裂縫直達地表，造成采空區(qū)和地面導通，由于煤層氧化等因素，導致礦區(qū)內存在面積較大的低氧區(qū)，在通風負壓作用下進入工作面，造成缺氧等問題，對礦井的安全生產造成很大的威脅。因此，加強完善治理隅角缺氧技術問題至關重要。

1 概況

神南某礦批準可采煤層5層，煤層結構簡單，礦井采用斜井多水平開拓方式。設計生產能力1.5 Mt/a，走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂部。礦井通風方式為中央并列式，通風方法為機械抽出式。礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，屬Ⅰ類易自燃煤層。該礦4-3號煤層開采的24307工作面，其上部17 m垂高為4-2號煤層老采空區(qū)，57 m垂高為3-1號煤層老采空區(qū)。24307工作面北部為24309工作面(未回采)，南部為24305工作面采空區(qū)，西部為大巷，東部為礦界煤柱。24307工作面傾向長為200 m，走向長1 164 m，煤層厚度1.3～1.4 m，傾角為0°～1°，煤層穩(wěn)定，結構簡單。24307 工作面采用雙巷布置，一進一回“U”型通風，即主運順槽進風，回風順槽回風，如圖1所示。

圖1 24307工作面通風系統(tǒng)示意Fig.1 Ventilation system of 24307 working face

2 原因分析

2021年1月14日工作面推至760 m處，檢查發(fā)現(xiàn)24307回風隅角至工作面運輸機機尾氧氣含量低于18%，立即采取兩順隅角封堵、設置導風簾、增大工作面風量(562 m3/min調整到850 m3/min)。采取措施后，回風隅角氧氣很快升高到18%以上，但1 d后(1月15日后)，回風隅角氧氣含量下降至14%左右，制約工作面回采安全。

分析認為4-3號煤層開采的24307工作面，距4-2號煤層采空區(qū)僅僅17 m，距3-1號煤層采空區(qū)57 m。4-2號煤層和3-1號煤層采空區(qū)里有大量低氧氣體。24307工作面開采后，在煤層埋深淺的區(qū)域冒落、裂隙兩帶存在導通地表。在井下負壓的作用下，形成了地表→3-1號煤層采空區(qū)→4-2號煤層采空區(qū)→24307工作面的垂直漏風通道，使采空區(qū)大量低氧氣體下泄，導致24307工作面回風隅角氧氣濃度低于18%。這是造成工作面上隅角缺氧的重要原因。

3 均壓通風技術的方案

鑒于以上原因，為防止上部采空區(qū)低氧氣體下泄，決定采用均壓通風技術治理工作面回風隅角缺氧問題。

3.1 均壓風機選型

均壓風機的選擇主要根據(jù)均壓工作面所需風量和風壓來選擇。24307工作面在實施負壓通風時工作面風量為509 m3/min，工作面進、回風順槽和工作面的總長度為1 000 m，其通風阻力為900 Pa，因此選取的均壓風機的總風量必須大于509 m3/min，風壓大于900 Pa。由于在實施均壓通風時，有30%左右的風量要返回進風風門，只有70%的有效風量進入工作面，因此均壓風機的實際風量應為730 m3/min，根據(jù)風量和風壓需求，選取2臺BDYNO7.1型對旋式局部通風機，額定風量為500～750 m3/min，風壓為900～6 300 Pa，功率為2×45 kW的對旋式局部通風機，且為雙風機雙電源。

3.2 均壓通風方法

24307工作面實施均壓通風的方法如圖2所示：在工作面的主運順槽進風口處BDYNO7.1型對旋式局部通風機，φ800 mm風筒聯(lián)接均壓風機，穿過兩道均壓風門后再延長200 m，這樣可以減少風筒風流返流到均壓風門外。在回風順槽設置2道調壓風門，在調壓風門上設調節(jié)風窗和水柱計，也可設置負壓傳感器。

圖2 24307工作面均壓通風系統(tǒng)示意Fig.2 Pressure equalizing ventilation system of 24307 working face

根據(jù)經(jīng)驗，工作面比地表的壓力要低150～300 Pa，所以將工作面的壓力提高150～300 Pa。工作面回順風流為509 m3/min左右，風窗面積的調節(jié)達到既要使地表少向采空區(qū)漏風，又要使局部通風機風流少流向采空區(qū)，還必須使工作面上隅角微微向外出風，以便掌握采空區(qū)內氣體狀況。均壓區(qū)內所有風門均向里開，以便適應均壓風流的風壓。為保持均壓，在均壓系統(tǒng)中通向外部的聯(lián)絡巷道需全部構筑密閉。

3.3 均壓壓力設置

為保持工作面壓力與上部4-2號煤層采空區(qū)的壓力平衡，在工作面主運順槽向上部的4-2號煤層采空區(qū)打鉆孔1個，在鉆孔中設置水柱計。

工作面均壓壓力設置原則為：即要將上部有害氣體壓入上部采空區(qū)，又要使上隅角氣體輕微向外出氣，便于掌握本層采空區(qū)的氣體濃度。具體為：回風隅角氧濃度大于18%，并能監(jiān)測到少量的CO2氣體為準，根據(jù)經(jīng)驗，一般為150～300 Pa。

3.4 均壓系統(tǒng)運行注意事項

3.4.1 系統(tǒng)啟動前準備

當確定開啟均壓系統(tǒng)時，必須將24307工作面及其進回風巷內全部非本質安全型電氣設備開關打至零位，并撤出工作面及兩巷所有人員。

3.4.2 系統(tǒng)調試注意事項

開啟均壓通風機后，先關閉回風巷均壓風門，后關閉進風巷均壓調節(jié)風門，逐步調整通風系統(tǒng)。

密切關注并調整氣體參數(shù)：要密切關注工作面氣體參數(shù)變化，不斷調整均壓調節(jié)風門，確保工作面氣體正常與通風系統(tǒng)穩(wěn)定。調整的最終結果為：24307工作面主運順槽風量保持不低于設計風量(509 m3/min)，同時進、回風順槽均壓風門內外的壓差均保持在150～300 Pa，工作面與鄰近采空區(qū)壓能基本平衡。

測試運行并限制人員進入：啟動時，所有人員不得進入均壓區(qū)域。均壓系統(tǒng)試運行8 h以上并穩(wěn)定后，瓦檢員進入24307工作面檢查回風隅角、工作面及回風流氣體情況，確定CO<24×10-6、CO2<1.5%，O2>18%后，方可允許其他人員進入工作面作業(yè)。

3.4.3 系統(tǒng)故障處理

當均壓工作面主風機停運、備用風機開啟或均壓工作面主、備風機全部因停電停止運轉以及均壓風門受到破壞造成工作面泄壓，以上人員應采取以下措施。

均壓工作面主風機停運、備用風機開啟：①工作面人員發(fā)現(xiàn)風機運轉不正常時，安全員、瓦檢員及綜采隊跟班領導必須立即將工作面、進風順槽及回風順槽超前支護20 m范圍內所有人員沿進風順槽撤離到進風巷新鮮風流中，同時負責將回風順槽超前支護20 m范圍外及在回風流作業(yè)的所有人員沿回風順槽撤到新鮮風流中。②工作面人員全部撤出后，由瓦檢員、安全員和跟班領導核對人數(shù)，并在工作面運順、回順口設警攔人，禁止任何人員進入，向礦調度匯報。等待查明原因后，主、備風機全部恢復正常，方可恢復正常生產。

均壓工作面主、備風機全部因停電停止運轉：①工作面人員發(fā)現(xiàn)風機停止運轉后，安全員、瓦檢員及綜采隊跟班領導立即將工作面、進風順槽及回風順槽超前支護20 m范圍內所有人員沿進風順槽撤離到巷道新鮮風流中，同時負責將回風順槽超前支護20 m范圍外及在回風流作業(yè)所有人員沿回風順槽撤到巷道新鮮風流中。②看風機人員立即打開均壓風門，然后通知回順巷看護風門人員，看護風門人員在瓦檢員、通風工的配合下根據(jù)現(xiàn)場實測風量和氣體情況來決定打開均壓調節(jié)風門大小，形成全負壓通風系統(tǒng)。③工作面人員全部撤出后，由瓦檢員、安監(jiān)員和跟班領導核對人數(shù)，并在工作面巷口設警攔人，禁止任何人員進入，向礦調度匯報。

均壓風門受到破壞造成工作面泄壓：①看風門人員應立即通知工作面人員，工作面人員接到報警后，安全員、瓦檢員及綜采隊跟班領導立即將工作面、進風順槽及回風順槽超前支護20 m范圍內所有人員沿進風順槽撤離到巷道新鮮風流中，同時負責將回風順槽超前支護20 m范圍外及在回風流作業(yè)所有人員沿回風順槽撤到巷道風流中。并切斷均壓區(qū)域內所有非本質安全型電源。②看風機人員立即打開均壓風門，然后通知回順巷看護風門人員，看護風門人員在瓦檢員、通風工配合下根據(jù)現(xiàn)場實測風量和氣體情況決定打開均壓調節(jié)風門大小，形成全負壓通風系統(tǒng)。③由瓦檢員、安全員和跟班領導清點人數(shù)并向礦調度匯報，值班領導組織人員處理。同時設置警戒嚴禁人員進入工作面。④通風人員接到井下匯報時及時安排風門維修人員對均壓風門進行修復，修復風門前由瓦檢員對均壓風門前的各種氣體進行檢測，各種氣體都在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的范圍內，風門維修人員方可修復風門。

3.4.4 作業(yè)人員崗位職責

為了保證均壓系統(tǒng)穩(wěn)定，需要每班配備專職瓦檢員、安全員、均壓風機司機、均壓調節(jié)風門看護工、電鉗工、通風工各1名，具體崗位職責如下。

瓦檢員：對工作面、回風隅角、回風流中瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度等每班檢測3次。

安全員：全面負責安全生產監(jiān)督、監(jiān)管工作。

均壓風機司機：看護均壓風機和運輸順槽均壓風門，并觀察“U”型壓差計讀數(shù)，做好每班3次風機運行記錄及一次風門完好情況記錄。

均壓調節(jié)風門看護工：看護回風順槽2道均壓調節(jié)風門，并觀察U型壓差計讀數(shù)，做好一次風門完好情況記錄。

通風工：對工作面有害氣體、壓力、風量情況每班監(jiān)測3次，并做好記錄臺賬；有異常情況時要及時通知礦調度。

電鉗工：負責每日均壓風機維護。

3.4.5 其他重要事項

嚴禁同時打開兩道風門。

4 均壓系統(tǒng)運行效果分析

均壓通風技術實施前后工作面各項氣體參數(shù)，見表1、2。從表1和表2可以看出：采用均壓通風技術后工作面回風隅角CO、CO2氣體濃度明顯下降，甚至CO氣體降為0；工作面回風隅角O2濃度>18%；主運順槽、工作面、回風順槽壓力明顯上升；主運順槽、工作面、回風順槽風量明顯減少，均壓前回風順槽比主運順槽多105 m3/min，均壓后回風順槽比主運順槽少25 m3/min。通過瓦檢員、測風員連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)均壓通風技術實施后，各項參數(shù)值基本保持恒定。通過采用均壓通風技術進行治理，對采空區(qū)中的有毒有害氣體溢出現(xiàn)象能夠起到抑制作用，從而提高上隅角氧氣濃度，使低氧問題得到解決，實現(xiàn)了安全生產。

表1 采用均壓通風技術前工作面氣體參數(shù)Table 1 Gas parameters of working face before using pressure equalizing ventilation technology

表2 采用均壓通風技術后工作面氣體參數(shù)Table 2 Gas parameters of working face after using pressure equalizing ventilation technology

5 結語

因礦井為多煤層開采，井田周邊存在小窯采空區(qū)，采空區(qū)條件復雜、技術管理準度大，礦井始終堅持“預防為主，防治結合”的方針，加強氣體人工+在線監(jiān)測手段，超前分析評估。根據(jù)礦井低氧原因及礦井實際情況，因地制宜應用地面裂隙回填、密閉漏風處理、均壓通風、加快推進速度等技術手段和方法，取得了良好的隅角低氧治理效果，保證了礦井的安全生產，為治理隅角缺氧技術積累了經(jīng)驗。