礦井瓦斯治理及通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

蔡 帥

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和操作人員的關(guān)注。瓦斯超標(biāo)、透水事故、機(jī)械故障等均是威脅煤礦安全生產(chǎn)的因素。其中，瓦斯超標(biāo)極易導(dǎo)致綜采工作面發(fā)生爆炸事故，危害巨大。在實際生產(chǎn)中，通常主要采用兩項舉措保證工作面的瓦斯?jié)舛葷M足《煤炭安全規(guī)程》的具體指標(biāo)，包括瓦斯治理和有效的通風(fēng)系統(tǒng)[1]。但是，隨著工作面的推進(jìn)，工作面瓦斯的涌出量存在增大的情況，為保證生產(chǎn)的安全性需要對原通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的同時采取更加高效的瓦斯治理方案。本文將結(jié)合實際生產(chǎn)對綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并提出更高效的瓦斯治理措施。

1 工程概況

B 礦當(dāng)前的生產(chǎn)能力為400 萬t/年，該煤礦采用立井水平開拓的方式進(jìn)行開采，可開采的煤層包括有5 號、12 號、8 號和9 號。其中，5 號和12 號煤層采用走向長壁開采方式進(jìn)行開采；8 號和9 號煤層采用綜采放頂煤開采方式進(jìn)行開采；整個礦井工作面頂板采用全部陷落法進(jìn)行管理。經(jīng)探測可知；給煤礦煤層的厚度范圍為9.13～12.80 m，煤層的平均厚度為10.50 m；工作面煤層的傾角范圍為8°～32°，煤層平均傾角為25°；礦井煤層瓦斯最大涌出量的絕對值為29.67 m3/min，瓦斯相對涌出量為5.31 m3/t。總的來講，隨著工作面的不斷推進(jìn)，礦井所面臨的通風(fēng)難度越來越大，瓦斯的涌出量且對應(yīng)的災(zāi)害風(fēng)險明顯增加[2]。因此，急需該煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并在當(dāng)前瓦斯治理的基礎(chǔ)上采取更加高效的治理措施。

以該煤礦的8 號和9 號煤層為例開展系列研究。首先分別對8 號和9 號煤層的基本情況進(jìn)行測定分析，并得出如表1 所示的結(jié)果。

表1 8 號和9 號煤層瓦斯參數(shù)測定結(jié)果

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前，B 礦采用單翼中央抽出式通風(fēng)方式，整個礦井共包括有5 個進(jìn)風(fēng)井和2 個回風(fēng)井。在每個回風(fēng)井的位置均配置有兩臺通風(fēng)機(jī)，均采用1 臺工作另1臺備用的工作模式，所配套通風(fēng)機(jī)的具體型號為K4-73-01No32 的離心式通風(fēng)。該型通風(fēng)機(jī)運行的工況點如下：風(fēng)壓為3 560.21 Pa，通風(fēng)風(fēng)量442.1 m3/s。通風(fēng)機(jī)的額定功率為2 500 kW。

B 礦通風(fēng)線路的總長度為15 020 m，包括有進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段，不同風(fēng)段的長度、阻力占比以及最大阻力位置如表2 所示。

表2 B 礦通風(fēng)線路情況

目前，B 礦通風(fēng)系統(tǒng)所面臨的可總結(jié)如下：

1）B 礦當(dāng)前的通風(fēng)線路長度過長，實際通風(fēng)過程中的阻力過大，高達(dá)3 560 Pa；此外，在靠近采區(qū)的局部區(qū)域的巷道斷面面積縮小導(dǎo)致其局部阻力增大嚴(yán)重[3]。

2）通風(fēng)線路過程導(dǎo)致當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)能力僅僅能夠滿足巷道的配風(fēng)需求，無法滿足工作面生產(chǎn)時瓦斯治理需求。

3）B 礦井為老礦井，存在老新采區(qū)并存的情況，老采區(qū)所占用的風(fēng)量過大導(dǎo)致新采區(qū)出現(xiàn)通風(fēng)風(fēng)量緊張的情況。

綜合對B 礦井通風(fēng)現(xiàn)狀分析并結(jié)合B 礦當(dāng)前的生產(chǎn)情況，Y484 區(qū)域為整個礦井通風(fēng)阻力最大的線路，而且在該區(qū)域的通風(fēng)設(shè)施較多[4]。因此，重點對Y484 區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

針對Y484 區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)所面臨的問題，重點對該區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化舉措如下：

1）Y484 區(qū)域原通風(fēng)系統(tǒng)：新風(fēng)—9280—Y484 外風(fēng)道—Y484 切眼—Y480 回風(fēng)巷—0044 總回風(fēng)巷—二號回風(fēng)井。

2）Y484 區(qū)域優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)：新風(fēng)—8280—Y484 外風(fēng)道—Y484 溜子道—Y484 里風(fēng)道—Y480 回風(fēng)巷—0044 總回風(fēng)巷—二號回風(fēng)井。

實踐表明，對Y484 區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，可對該區(qū)域的有效風(fēng)量直接提升7.6 m3/min，達(dá)到23.48 m3/min；同時，該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化對其他區(qū)域巷道的有效風(fēng)量可提升3.42 m3/min。

3 礦井瓦斯治理

3.1 瓦斯抽采現(xiàn)狀

為確保綜采工作面瓦斯?jié)舛葷M足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，僅僅對通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化并不能夠從根本上解決問題，還需采區(qū)更加高效的措施對礦井瓦斯進(jìn)行治理[5]。目前，我國絕大多數(shù)礦井瓦斯治理主要采用抽放的方式，包括對煤層瓦斯的抽放、采空區(qū)瓦斯的抽放以及鄰近層瓦斯的抽放。

結(jié)合Y484 區(qū)域的實際情況提出四種抽放方案，包括地面鉆孔抽放、高位巷抽放、高位孔抽放以及埋管抽放。埋管抽放為該礦井的當(dāng)前所采用的瓦斯方式，具體位置如圖1 所示。

圖1 埋管抽放系統(tǒng)示意圖

如圖1 所示中的瓦斯抽放管理的直徑為219 mm，配套瓦斯抽采泵的額定流量為100 m3/min。實踐表明：Y484 區(qū)域僅采用埋管抽放系統(tǒng)在工作面煤層的頂板采空區(qū)區(qū)域存在大量卸壓瓦斯。為解決卸壓瓦斯集聚存在的安全隱患，綜合對比上述不同抽放方式的優(yōu)劣勢和Y484 區(qū)域的匹配程度，在埋管抽放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在采空區(qū)頂板位置設(shè)計高位鉆孔，最終確定選用高位孔抽放+埋管抽放方式對瓦斯進(jìn)行治理，保證該區(qū)域的瓦斯抽放率能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.2 高位鉆孔的抽采設(shè)計

結(jié)合Y484 區(qū)域采空區(qū)的條件，所設(shè)計的高位鉆孔俯視圖如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔俯視圖

為保證抽采效率，設(shè)定鉆孔之間的間距基本維持在100～150 m 之間，鉆孔的角度控制在16°～38°之間；鉆孔的開孔直徑為127 mm，抽放段鉆孔的直徑為94 mm；鉆孔的抽放長度控制在85～100 m 之間。

單獨采用埋管抽放和采用埋管+高位鉆孔抽放方式對應(yīng)瓦斯抽采效果對比如表3 所示。

表3 瓦斯抽采優(yōu)化效果

如表3 所示，采用埋管+高位孔抽放方式工作面瓦斯?jié)舛让黠@優(yōu)于單獨采用埋管抽放方式。

4 結(jié)論

煤礦安全生產(chǎn)是保證煤礦高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，瓦斯為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。在實際生產(chǎn)中，瓦斯?jié)舛鹊谋ＷC不僅需要有效通風(fēng)系統(tǒng)作用，更重要的是依賴有效、全面的瓦斯抽采方案。但是，在實際生產(chǎn)中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，通風(fēng)系統(tǒng)勢必會存在通風(fēng)能力不滿足需求的問題，而且最初設(shè)計的抽采方案也無法從根本上解決瓦斯超標(biāo)的問題。本文以B 礦為例重點對其中Y484 區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯抽采方案進(jìn)行優(yōu)化，并總結(jié)如下：

1）對Y484 區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，可對該區(qū)域的有效風(fēng)量直接提升7.6 m3/min，達(dá)到23.48 m3/min；同時，該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化對其他區(qū)域巷道的有效風(fēng)量可提升3.42 m3/min。

2）Y484 區(qū)域采用埋管+高位孔抽放方式工作面瓦斯?jié)舛让黠@優(yōu)于單獨采用埋管抽放方式。