防治有毒有害氣體涌入工作面的通風系統(tǒng)調控方法

＊張風林

（中煤大同能源有限責任公司塔山煤礦 山西 037000）

煤自燃火災是煤礦安全生產(chǎn)的五大自然災害之 一[1-2]。礦井若有自然發(fā)火傾向，且近距離多煤層開 采[3-4]，在工作面回采后，采空區(qū)頂板發(fā)生垮落會使回采工作面與上部采空區(qū)之間產(chǎn)生溝通裂隙，從而形成漏風通道[5]。若上部采空區(qū)有漏風現(xiàn)象，易造成采空區(qū)遺煤氧化[6]，由于抽出式負壓通風的作用，使上部采空區(qū)內CO隨風流進入本煤層采空區(qū)，輕則造成采煤工作面CO、瓦斯超限[7]，嚴重情況將會導致煤自燃火災，威脅到礦井的安全生產(chǎn)[8]。

針對工作面漏風下泄，通風系統(tǒng)的調控方法一般具有作業(yè)量較少、投資少、見效快等顯著優(yōu)勢[9]。其中均壓措施能夠提高工作面壓力，減小漏風通道兩端的壓差，從而有效解決氣體下泄問題。本文針對中煤大同能源塔山煤礦30503工作面，運用Ventsim軟件建立礦井通風模型，解決塔山煤礦30503工作面采空區(qū)下泄漏風問題。

1.工作面概況

中煤大同能源有限責任有限公司塔山煤礦位于大同煤田中東緣，井田面積為8.146km2，目前開采3～5號煤層，設計能力300萬噸/年。開拓方式為平硐與斜井聯(lián)合開拓，采煤方法為綜采放頂煤走向長壁后退式。礦井采用中央分列式通風，主平硐、副平硐進風，回風斜井回風，負壓通風。中煤塔山礦井，屬低瓦斯礦井，煤層自燃傾向性為Ⅱ類，3～5#煤層屬自燃煤層，具有煤塵爆炸性。

中煤塔山煤礦所采煤田為淺埋藏易自燃煤田，在工作面回采過程中，采空區(qū)有毒有害及惰性氣體向30503工作面大量溢出，造成CO超限、O2濃度低的問題。經(jīng)前期地表漏風檢測，初步認為是由于地表與回采工作面采空區(qū)裂隙聯(lián)通漏風，攜帶上部小煤窯及上煤層開采采空區(qū)內的有毒有害氣體和防滅火氮氣大量下泄到工作面采空區(qū)內，并向工作面泄漏。由于地表漏風范圍廣、小煤窯殘留巷道分布不清，很難采取地表堵漏風的技術措施，治理難度較大。針對這一問題中煤塔山煤礦采用了工作面局部均壓來減小漏風，為了論證這一方法的可行性以及找尋新的解決方法，利用Ventsim軟件進行通風網(wǎng)絡模擬，以此驗證不同調風方法的可行性。

通過Ventsim軟件構建塔山全礦井三維通風系統(tǒng)調控模型，可以通過調節(jié)主扇葉片角度以及轉速等進行全礦井風量調節(jié)，能夠直接顯示三區(qū)阻力分布情況，能夠實時管理所有風門、風窗等調節(jié)設施，可以對通風網(wǎng)絡進行優(yōu)化，能夠直觀地表現(xiàn)出優(yōu)化前后的區(qū)別，選擇出最適合的礦井通風網(wǎng)絡優(yōu)化方案。

2.中煤塔山通風網(wǎng)絡解算及三維模型建立

礦井通風網(wǎng)絡解算是利用風量平衡定律和風壓平衡定律來對通風網(wǎng)絡中的風量進行分配，利用解算結果對系統(tǒng)進行分析，針對存在的問題找出解決的方法，從而對系統(tǒng)進行有目的的優(yōu)化。本次主要是對中煤塔山礦30503工作面實行升壓前后的模型進行解算，進而論證工作面局部升壓治理采空區(qū)外部漏風的可行性，以及探尋更優(yōu)的治理方案。圖1、圖2分別為實行均壓措施前后的三維模型圖，表1、表2分別為解算后主要巷道的風量表以及通風機工況表。

圖1 中煤大同能源塔山煤礦三維解算模型（均壓）

圖2 中煤大同能源塔山煤礦三維解算模型（無均壓）

表1 解算后主要巷道風量表

表2 通風機工況表

網(wǎng)絡解算的基礎數(shù)據(jù)是根據(jù)通風阻力測定部分結果利用風量平衡定律和阻力平衡定律進行的，解算出的用風地點與實際用風地點風量誤差均在5%以內。

3.工作面有害氣體涌入防治技術

(1)工作面均壓調節(jié)方法驗證

本次模擬共設置7條漏風通道，其中30503工作面上部煤層采空區(qū)及地表裂隙漏風共5條、30503工作面采空區(qū)2條。對增壓前后的漏風通道設置相同的壓差和風阻，進行通風模擬，表3為通風模擬結果。

圖3 工作面漏風通道

圖4 增壓前后的工作面漏風通道

表3 均壓前后漏風對比

表4 均壓前后效果對比

通過模擬結果可以看出，采取均壓措施可以有效的抑制采空區(qū)上部以及采空區(qū)氣體向工作面泄露。采取均壓前30503工作面的漏風量可以達到801.00m3/min，采取均壓后30503工作面漏風量為221m3/min，漏風量減少了489m3/min，其中工作面上部氣體下泄量減少了71.70%，采空區(qū)向工作面漏風量減少了76.47%，總漏風量減少了72.41%，均壓措施能夠有效地提高工作面的壓力，進而減小工作面與漏風入口之間壓差，解決工作面上部氣體下泄以及采空區(qū)氣體泄露的問題。

(2)工作面進、回風路線調阻措施

為了探討工作面調阻措施的可行性問題，通過Ventsim將30503工作面進回風主要通風路線單獨調試出來，分別改變30503工作面進風和回風路線的阻力，再增加主要通風機的壓力，保證30503工作面用風量不變，觀察漏風通道漏風情況。

圖5 經(jīng)過30503工作面主要進回風路線

表5 進風減阻、回風增阻調節(jié)

表6 阻力調節(jié)前后效果對比

通過對工作面進、回風路線進行調阻措施，然后增加主要通風機的壓力保持工作面的風量不變，設計了3個調阻方案A、B、C，通過通風模擬的結果可以得出以下結論，A、B、C三個方案進風路線減阻、回風路線增阻，漏風量略有減少，但是由于進風路線減阻調節(jié)以及增加風機風量需要花費較多財力，而漏風量減少效率很小，從經(jīng)濟效益方面來考慮A、B、C并不能解決這一問題。

(3)回風大巷增阻調節(jié)

通過分析發(fā)現(xiàn)對1045水平回風巷道進行設阻，可以有效減少工作面處漏風。設阻位置選在1045水平回風巷（30501皮帶順槽聯(lián)巷——1045回風巷與南回風巷聯(lián)巷），模擬了11種增阻方案，分別為對照組①②～分別增阻118.1Pa、225.2Pa、323.2Pa、413.3Pa、496.9Pa、574.7Pa、645.0Pa、708.9Pa、768.5Pa、824.1Pa。

如圖6，可以看出隨著1045水平回風巷內阻力值的增加，主要通風機風量、工作面進風量及總漏風量都呈遞減態(tài)勢，而漏風減少率逐漸升高。

圖6 風量變化折線圖

通過對1045水平回風巷增阻，可以有效提高整個工作面的風壓，且增阻后礦井主要通風機總風量減少，工作面處的壓力進一步增加，從而可以減少工作面上方及采空區(qū)漏風。

在1045水平回風巷（30501皮帶順槽聯(lián)巷——1045回風巷與南回風巷聯(lián)巷）進行增阻調節(jié)切實可行，能夠有效地減少漏風量，其中增阻824.1Pa時，漏風減少率為70.43%，與目前塔山煤礦采取的均壓措施漏風減少率72.41%最為接近。

4.結論

通過Ventsim軟件模擬驗證了采取均壓措施可以有效地抑制采空區(qū)上部以及采空區(qū)氣體向工作面泄露。探討了工作面調阻措施的可行性問題，通過Ventsim將30503工作面進回風主要通風路線單獨調試出來，發(fā)現(xiàn)對工作面調阻并不能解決上部漏風的問題。通過中煤塔山通風系統(tǒng)整體分析，發(fā)現(xiàn)對1045回風大巷進行適當?shù)脑鲎枵{節(jié)能夠有效解決工作面上部氣體下泄問題。