淺埋藏煤層火區(qū)下開采均壓防滅火技術(shù)研究

鄭忠亞，桑 聰，姚海飛，吳海軍，徐長富，劉彥青

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

中煤集團山西華昱能源有限公司元寶灣礦設(shè)計生產(chǎn)能力0.9Mt/a，主要可采煤層3號、4號、6號、9號、11號。其中大部分3號和4號煤層被以房柱(或巷采)方式進行破壞性開采，形成大量老空區(qū)。4號煤層埋深約140～145m，6號煤層埋深約167～171m。井田東南部的4號煤層406采區(qū)出現(xiàn)火區(qū)，面積約25480m2。2014年礦方曾對火區(qū)進行探測和治理，鉆孔內(nèi)溫度最高達1040℃，CO濃度最高達4570×10-6。2017年，再次對火區(qū)進行監(jiān)測和治理，通過對施工的70個見采空區(qū)鉆孔進行觀測，鉆孔最高溫度516℃，溫度大于50℃的鉆孔共有58個。由于4號煤層小窯采空區(qū)及廢棄巷道相互串通，煤自燃產(chǎn)生的CO等有毒有害氣體大量擴散，威脅礦井工作面生產(chǎn)。

元寶灣煤礦正在生產(chǎn)工作面為6號煤層6105綜采面，工作面傾斜長度932m，回采長度876m，走向?qū)挾?40m，煤層傾角平均4°，煤層厚度平均3.5m，工作面采用綜合機械化回采工藝，采用“U”型抽出式負壓通風方式。6105工作面切眼與406火區(qū)水平距離約100m，6號與4號煤層層間距較小，且4號小窯采空區(qū)頂板存在大面積懸頂。回采過程中，隨著6號煤頂板垮落，冒落的采空區(qū)會與4號煤老空區(qū)相聯(lián)通，且4號煤層頂板宜出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，則4號煤層采空區(qū)大量有毒、有害氣體將向工作面內(nèi)溢出、滲漏，危及工作面人員人身安全?；诖?，元寶灣煤礦對6105工作面采取風機-風窗聯(lián)合均壓防滅火技術(shù)[1-2]，防治頂板垮落過程中采空區(qū)有毒有害氣體涌出以及本煤層采空區(qū)因漏風發(fā)生自燃現(xiàn)象。

1 均壓防滅火技術(shù)措施

1.1 技術(shù)必要性

均壓防滅火技術(shù)是應(yīng)用通風原理，采用局部風機向工作面供風，既保持風量滿足工作面生產(chǎn)需求，又能夠使工作面氣體壓力達到與采空區(qū)、火區(qū)不發(fā)生空氣交換，以減少采空區(qū)漏風，抑制遺煤自燃，防止CO等有毒有害氣體涌入工作面的目的[3-5]，從而保證工作面正常生產(chǎn)的進行，是火區(qū)附近的生產(chǎn)工作面和火區(qū)下部煤層的工作面能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)安全生產(chǎn)的一種行之有效的防滅火技術(shù)方法[6-7]。

1.2 實施措施

6105綜采面均壓防滅火技術(shù)措施實質(zhì)上為風窗-風機聯(lián)合增壓調(diào)節(jié)，風機安裝在風窗的上風側(cè)，使兩調(diào)壓裝置中間的風路上的風流的壓能增加[8-9]。具體實施方法為：在6105運輸巷進風聯(lián)巷口向里15m與25m處各施工1道密閉墻，各設(shè)1道1600mm×2500mm的平衡風門作為行人安全出口；密閉上留2個直徑為1000mm的洞口，安裝鐵質(zhì)風筒；在6105運輸巷進風聯(lián)巷口安裝2組4臺2×45kW局部通風機(兩用兩備)；在6105回風聯(lián)巷口中間處施工1道密閉墻，墻體安設(shè)調(diào)節(jié)2000mm×2000mm風窗。如圖1所示。

2 均壓防滅火技術(shù)參數(shù)測定

2.1 工作面平衡均壓值測定

均壓防滅火技術(shù)受自然風壓、氣候環(huán)境影響較大，要維持工作面與地表壓差的平衡十分困難[10]。6105工作面上層為4號煤層大面積小窯采空區(qū)，且礦區(qū)位于山區(qū)，自然環(huán)境多變，因此，6105工作面維持與地表平衡的增加參數(shù)不是一個恒定的值。

6105綜采面增壓值即工作面上方地表至工作面的壓差，因元寶灣煤礦位于朔州市山陰縣馬營鄉(xiāng)山區(qū)，工作面上方為采煤塌陷區(qū)，無法進行實測。因此，該增壓值可理解為工作面額定供風量時副井井口到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力，即副井井口與6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)絕對壓力、位壓、動能損失以及氣壓波動差值之和。工作面通風線路為：副井→進風大巷→6號煤輔助運輸大巷→6105運輸巷→6105切眼→6105回風巷→6105回風聯(lián)巷→6號煤回風大巷→6號煤回風下山→集中回風巷→回風井。通風阻力計算公式[11-12]如式(1)所示，空氣密度[13]計算公式如式(2)所示。

(1)

式中，hr1-2為測段間的壓差或阻力，Pa；P1，P2為氣壓計讀數(shù)，Pa；h1，h2為巷道始末點的標高，m；ρ1，ρ2為井巷測段始末點的空氣密度，kg/m3；Δp為地面大氣壓變化值，Pa；V1，V2為井巷測段始末點的風速，m/s。

(2)

式中，ρw為濕空氣密度，kg/m3；φ為空氣相對濕度，%；Pb為飽和水蒸汽壓力，kPa；P為絕對壓力，Pa；T為溫度，℃。

6105綜采面均壓參數(shù)測定共進行2次，第一次為2017年5月5日下午15時～18時；第二次為2017年5月5日23時～5月6日2時。參數(shù)如表1所示。

工作面當前風量為1400m3/min時，副井井口到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力P1分別為226Pa和223Pa。

但是，若啟動均壓防滅火系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風窗添加木板減小有效通風面積進行增壓的同時，會導致風流損失，風量減小。采煤工作面設(shè)計風量為1200m3/min。因此，需要對工作面的額定供風量1200m3/min時副井井口到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力進行計算分析。

表1 6105工作面均壓參數(shù)記錄

工作面當前風量為1400 m3/min時，6105進風風門內(nèi)側(cè)到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力P2分別為130.68Pa和160.71Pa。

礦井通風學中，通風阻力與風量(m3/s)的平方成正比關(guān)系[14]，如式(3)所示。

H=RQ2

(3)

式中，H為通風阻力，Pa；R為摩擦風阻，N·S2/m8；Q為風量，m3/s。

由式(3)可以計算出6105工作面風量為1200m3/min時，進風風門內(nèi)側(cè)到工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力P3分別為106.61Pa和131.20Pa。則6105工作面風量為1200m3/min時，副井井口到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力[15]P=P1-P2+P3，分別為202Pa和194Pa，即為6105工作面平衡均壓參數(shù)。

2.2 調(diào)節(jié)風窗增壓參數(shù)測定

為分析調(diào)節(jié)風窗有效通風面積與工作面增壓參數(shù)的關(guān)系，便于在生產(chǎn)過程中及時調(diào)整工作面壓力，維持與采空區(qū)壓力的平衡，達到防治采空區(qū)CO有毒有害氣體涌出和回風隅角低氧的目的，對6105工作面增壓參數(shù)進行測定。

在進行均壓通風試驗時，在6105工作面布置了1個風量測點(Q)和4個壓力測點(P1～P4)(見圖1)。風量測點布置在輔運巷(回風巷)回風聯(lián)巷上風側(cè)400m巷道斷面平整處，用于測試工作面風量。壓力測點分別布置在6105回風巷風門前(P1)、6105回風巷風門后(P2)、6105回風聯(lián)巷調(diào)節(jié)前(P3)、6105回風聯(lián)巷調(diào)節(jié)后(P4)。其中P1測點作為均壓通風壓力測試基點，可以反應(yīng)地面大氣波動，用于消除地面大氣影響；P2測點均壓前后絕對壓力的上升值消除地面大氣波動后可看作工作面均壓數(shù)值；P3和P4測點的壓差為調(diào)節(jié)風窗兩端的壓差，是均壓效果最直接的表現(xiàn)，壓差越大，工作面增阻均壓效果越顯著[16-18]。

調(diào)節(jié)風窗寬1.95m，高1.5m，增阻調(diào)節(jié)木板寬度1.95m，高0.2m；在實施均壓通風前，以P1測點為基點，記錄基礎(chǔ)壓差數(shù)據(jù)，對工作面當前的風量、風壓進行測試并記錄；然后開啟均壓風機，進而關(guān)閉6105進風繞道風門，待風流穩(wěn)定后對工作面風量、風壓進行測試；隨后在6105回風聯(lián)巷調(diào)節(jié)風窗處添加木板，待風流穩(wěn)定后，再進行風量、風壓測試，直至達到預期的均壓效果。通過數(shù)據(jù)記錄及計算分析，均壓參數(shù)如表2所示，風窗有效通風面積、風量與工作面增壓值關(guān)系曲線如圖2所示。

由表2可以看出，隨著調(diào)節(jié)風窗板累計高度的增加，工作面增壓效果明顯，當調(diào)節(jié)板增加到1.0～1.2m高度時，工作面增壓152～307Pa，滿足均壓防滅火的要求。由圖2可以看出，隨著調(diào)節(jié)風窗有效通風面積減少，工作面增壓數(shù)值增大，工作面風量減小。工作面增壓值與風量的關(guān)系曲線為：y= 0.0006x2-1.7423x+1276；工作面增壓值與調(diào)節(jié)風窗有效通風面積曲線為：y=184.09x2-663.08x+629.8。由關(guān)系曲線可以分析出，當工作面增壓至采空區(qū)平衡壓力值時，工作面風量小于設(shè)計風量1200m3/min；究其原因在于6104運輸巷與6105運輸巷聯(lián)巷交界處存在溜煤眼，漏風較大，且與均壓風機距離較近，在實施均壓通風時，漏風泄壓效果較為明顯。但當工作面處于生產(chǎn)時，溜煤眼處于封堵狀態(tài)，漏風較小，有助于提高工作面增壓效果。

表2 6105工作面均壓參數(shù)

圖2 調(diào)節(jié)風窗有效通風面積、風量與工作面增壓值關(guān)系曲線

3 工作面均壓防滅火實施效果

3.1 工作面增壓效果分析

2017年5月6日凌晨，6105工作面距離回風隅角10～30m區(qū)域范圍內(nèi)，O2濃度低至17.7%，CO濃度0～1×10-5；2017年5月6日上午，開啟均壓防滅火系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風窗累計加板高度約1.0m，有效通風面積約0.975m2。下井對6105工作面均壓參數(shù)進行檢測，參數(shù)如表3所示。

表3 6105工作面均壓效果測定記錄

由表3數(shù)據(jù)可計算出均壓風機開啟后，當前供風量時副井井口到6105工作面回風巷風門內(nèi)側(cè)的通風阻力為0Pa；表明地表至6105工作面的通風阻力為0，處于平衡狀態(tài)。均壓系統(tǒng)開啟后，工作面全部區(qū)域范圍內(nèi)O2濃度迅速恢復至20%以上，CO濃度為0，證明均壓系統(tǒng)起到了較好的效果。

3.2 工作面有毒有害氣體監(jiān)測

元寶灣煤礦針對6105工作面回風隅角氣體濃度進行日常監(jiān)測，自2017年5月5日至8月15日的人工檢測結(jié)果顯示，6105工作面回風隅角CH4，CO氣體濃度均為0，O2和CO2氣體檢測情況如圖3和圖4所示。

圖3 6105工作面回風隅角O2濃度分布曲線

圖4 6105工作面回風隅角CO2濃度分布曲線

由監(jiān)測結(jié)果可知，自6105工作面均壓防滅火系統(tǒng)啟動以來，工作面O2濃度迅速上升，恢復正常，上覆4號煤層采空區(qū)泄漏氣體中CO2氣體迅速下降，且一直未發(fā)現(xiàn)有CH4和CO氣體涌出現(xiàn)象。

5月12日早班，由于上覆4號煤層采空區(qū)頂板冒落，對工作面造成沖擊，短時間加大6號煤層采空區(qū)氣體壓力，工作面出現(xiàn)短暫低氧、CO2濃度偏高現(xiàn)象，后迅速恢復正常，且無CH4和CO氣體涌出。

5月13日至6月27日，工作面O2濃度均處于20.0%以上，CO2濃度均低于0.13%，且無CH4和CO氣體。

自6月28日起，根據(jù)6105工作面推進距離，工作面上覆采空區(qū)已在上覆小窯采空區(qū)覆蓋范圍之外，即嘗試停止運行位于6105進風聯(lián)巷的局部通風機，工作面由均壓通風改為U型負壓通風方式，即工作面回風隅角O2濃度迅速下降至18%，CO2濃度增長至1.23%。后召開緊急會議，重新開啟6105工作面的局部通風機，對工作面繼續(xù)實施均壓通風防滅火技術(shù)措施。系統(tǒng)恢復后，6105工作面回風隅角O2濃度迅速恢復，自7月4日至8月15日，回風隅角O2濃度持續(xù)位于19.6%～20.7%之間；回風隅角CO2濃度除7月9日短暫出現(xiàn)0.8%的濃度之外，其余時間濃度均小于等于0.3%。

通過2017年5月5日至8月15日氣體觀測結(jié)果，說明6105工作面均壓防滅火系統(tǒng)實施以來，有效地防止了上覆4號煤層房柱式采空區(qū)CO等有毒有害氣體的涌出，杜絕了工作面來自上覆4號煤層采空區(qū)有毒有害氣體以及本煤層采空區(qū)遺煤氧化自燃的威脅，同時也證明了均壓防滅火系統(tǒng)在6105工作面防治火災(zāi)安全隱患方面的有效性。

4 結(jié) 論

(1)風機-風窗聯(lián)合均壓防滅火技術(shù)用于解決火區(qū)下淺埋深煤層開采采空區(qū)CO有毒有害氣體的涌出和工作面低氧問題效果十分明顯。

(2)工作面至采空區(qū)壓力平衡所需的增壓值不是恒定的，其受自然環(huán)境影響較大；元寶灣煤礦6105工作面平衡均壓參數(shù)約194～202Pa。

(3)調(diào)節(jié)風窗有效通風面積、工作面風量與工作面增壓值關(guān)系均符合二次方曲線特征，即：y=ax2-bx+c(y為工作面增壓值，x為調(diào)節(jié)風窗有效通風面積或工作面風量，a、b、c均為正值)。

(4)元寶灣煤礦6105工作面均壓防滅火系統(tǒng)啟動后，在1220m3/min時，地表至6105工作面的通風阻力降為0Pa，處于平衡狀態(tài)，回風隅角CH4，CO氣體濃度均為0，O2和CO2氣體均維持在安全濃度范圍之內(nèi)，有效地解決了工作面低氧和有毒有害氣體涌出問題。

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