礦井間斷通風瓦斯積聚機理及防治技術研究

仇婷婷 李金龍

山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602

在礦井生產過程中瓦斯含量超標嚴重影響生產的進行，隨著機械化水平的不斷提高，采空區(qū)垮落面積越來越大，采空區(qū)賦存的瓦斯和工作面開采過程中的瓦斯回流至巷道上隅角等地方，一旦發(fā)生煤與瓦斯突出事故，將對礦井造成巨大的損失。采空區(qū)是瓦斯聚集的主要地方，大量瓦斯的涌出嚴重影響了安全生產，不僅影響設備的運行，更危及到工作人員的生命安全[1]。本文針對礦井間斷通風期間瓦斯積聚的問題，對通風系統(tǒng)進行了改進，并取得了良好的應用效果。

1 間斷通風產生原因及影響

1.1 間斷通風產生的原因

即使礦井通風系統(tǒng)中的風流滿足《煤礦安全規(guī)程》，因為通風系統(tǒng)的不穩(wěn)定也會造成氣體濃度變化超過標準范圍。造成通風系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素有很多，一般分為兩類：一類是正常通風情況下的不穩(wěn)定現(xiàn)象，一般往往是主通風線路穩(wěn)定，分支通風因為停機、反向等原因不穩(wěn)定；另外一種則是會引起災變的不穩(wěn)定通風。目前，造成礦井間斷通風的主要因素主要有三種：主通風機故障造成的風流停風；巷道風阻過大造成了間斷通風現(xiàn)象；風機運行正常，倒機過程中造成的常規(guī)停風[2]。本文主要研究正常通風情況下風機倒機過程中造成的間斷通風，這種情況下引起間斷通風的主要因素是主通風機的不穩(wěn)定造成，最終導致了供風不足，嚴重情況下導致通風系統(tǒng)的失穩(wěn)。

1.2 間斷通風的影響

目前礦井采用抽出式通風，該通風系統(tǒng)中風流循環(huán)線路如下：新鮮風流從風井進入巷道，經過回采工作面后，最終通過回風大巷流經回風井排放到空氣中。在整個通風系統(tǒng)中，主通風機和備用風機在交換的過程中，電動機的啟動、停止造成了間斷通風現(xiàn)象的發(fā)生，風機倒機過程如下：關閉主通風機的電機，通過控制風機閥門，關閉了主通風機的運轉，隨后打開備用風機，運行備用風機，整個倒機過程持續(xù)約10min，10min的間斷通風，瓦斯將通過煤層的孔隙結構向外不斷擴散，雖然礦井有相應的瓦斯抽采管，但是當煤層埋深較大時，采動將極大改善煤層的結構，促進瓦斯的涌出，涌出的瓦斯與新鮮風流混合在一起排到地面，倒機過程中，風流不穩(wěn)定，瓦斯并不能及時的排出地面，因此造成了瓦斯?jié)舛瘸瑯说默F(xiàn)象。

2 采空區(qū)及工作面瓦斯分析

隨著工作面開采、采空區(qū)頂板的垮落下沉，煤層在應力擾動下出現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋的擴張發(fā)育為瓦斯氣體的流動提供了便利通道，因此了解采空區(qū)及工作面附近的瓦斯?jié)舛茸兓瘜Π踩a有重要意義。一般而言，采空區(qū)因為通風條件差、受到開采煤層與未開采煤層的共同作用，瓦斯?jié)舛茸兓哺訌碗s，基于此原因，對采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M行考量時需要作出一定的假設，假設如下：

（1）當巷道內沒有風流時，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)，實際情況下，即使處于無風狀態(tài)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫彩菚幸欢ú町惖模菫榱说玫酵咚節(jié)舛炔钜鸬耐咚沽鲃訑U散能力，只能假設無通風狀態(tài)下瓦斯呈現(xiàn)均勻分布。

（2）實際情況下，采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯氣體在封閉空間內會隨著時間的積累逐漸積聚，如果沒有抽采措施，采空區(qū)瓦斯含量將會特別高，本文中，假設采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊淖兓慌c工作面漏風有關，對于瓦斯?jié)舛鹊陀?%的部分進行研究，確定了影響瓦斯?jié)舛鹊淖兞恳蛩刂皇情g斷通風造成。

（3）忽略臨近煤層以及尾巷等對采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽?/p>

（4）工作面瓦斯涌出量包括掘進過程中瓦斯的涌出量，對于過渡區(qū)域的瓦斯涌出量應該分為采空區(qū)和工作面兩部分。

過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊臏y試方法如下：在過渡區(qū)域空間均勻分為5個區(qū)域，每個區(qū)域內分別布置間距為0.9m的9個測點，為了避免測量結果的偶然性，多次測量求平均值，通過計算便可得到過渡區(qū)域內工作面瓦斯涌出量和采空區(qū)瓦斯涌出量的值。

計算得到圖1所示的過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓€，從圖中可以看出，不同界面內瓦斯?jié)舛榷汲尸F(xiàn)先降低后增加的趨勢，即每個斷面內都存在最低濃度區(qū)，總體而言，最低濃度區(qū)一般出現(xiàn)在距離煤壁4-6m的位置，造成這種現(xiàn)象的主要原因是工作面漏風所致。實際測量數據顯示，漏風對于中間斷面的影響最大，在距離工作面煤壁6m的位置瓦斯?jié)舛戎挡胚_到最低。此外，對于截面Ⅴ而言，在距離工作面煤壁4m的位置瓦斯?jié)舛戎颠_到最低，此時和采空區(qū)的距離達到4m，由此便可得到過渡區(qū)域內工作面瓦斯涌出量比值為55.6%，采空區(qū)瓦斯涌出量比值為44.4%。

圖1 過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓€

3 間斷通風解決方案

礦井目前的通風方式存在諸多問題，主要原因是在倒機的10min過程中，礦井出現(xiàn)間斷通風，造成了瓦斯含量超標，考慮到井下通風系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性以及成本問題，對通風系統(tǒng)做出調整，改進后的礦井通風系統(tǒng)示意圖如圖2所示，該通風系統(tǒng)主要由風機、對空風門以及蝶閥組成，通過電動機驅使蝶閥平衡，保證了電機的穩(wěn)定運行，同時減少了通風過程中的阻力，提高了兩臺風機的重排速度。具體過程如下：先打開備用風機A，同時打開相應的阻尼器，此時風機A開始運行，空氣經過阻尼器流經巷道，通過通風井流出；隨后緩慢關閉風機A和與其對應的阻尼器，并打開風機B和與其對應的阻尼器；之后打開備用風機，緩慢關閉風機B和與其對應的阻尼器；最后完全關閉風機A和與其對應的阻尼器，風機B和與其對應的阻尼器也需完全關閉。需要注意的是，在整個倒機過程中，風機運行頻率無需改變，按照原頻率運行即可。

圖2 改進后的礦井通風系統(tǒng)示意圖

風機倒機過程中參數如表1所示，

表1 風機倒機過程中電機運行參數

從表中可以看出，改進后的通風方案下，整個倒機過程大約持續(xù)1min，相較之前的10min明顯降低，無論是一級電機還是二級電機，在整個倒機過程中運行穩(wěn)定，無異常振動現(xiàn)象，風機的流速范圍為135.20 m3/s-159.32 m3/s之間，通量的最大變化率小于10%，整個通風系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，同時監(jiān)測倒機過程中巷道內瓦斯含量的變化，氣體濃度維持在穩(wěn)定值，滿足安全生產的需求。

4 結束語

針對礦井倒機過程間斷通風造成的瓦斯含量超標的問題，進行了瓦斯?jié)舛葰怏w的監(jiān)測，并提出了連續(xù)通風方案，在方案的基礎上進行了實際應用，取得了良好的應用效果，倒機過程中風機運行穩(wěn)定，整個通風系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，有效改善了間斷通風期間瓦斯超標的現(xiàn)象，為安全生產提供了保障。