礦井Y型通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與通風(fēng)阻力測(cè)定研究

楊 剛 楊明杰

(1. 河南能源化工集團(tuán)義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南省三門(mén)峽市，472300； 2.河南省豫西建設(shè)工程有限責(zé)任公司，河南省三門(mén)峽市，472300)

近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)量與采出效率的大幅提升，工作面上隅角瓦斯積聚及超限的治理一直是煤礦安全領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。相比傳統(tǒng)U或U+L通風(fēng)方式，Y型通風(fēng)采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，可優(yōu)化瓦斯流動(dòng)方向，允許新鮮風(fēng)流以較高的速度不間斷沖刷上隅角，從而極大緩解瓦斯積聚問(wèn)題，因此，Y型通風(fēng)方式開(kāi)始在高瓦斯礦井下煤炭開(kāi)采過(guò)程中大范圍推廣使用。大量研究表明，Y型通風(fēng)技術(shù)成敗的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)沿空巷道圍巖特別是充填墻體的穩(wěn)定性控制，為此國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在沿空巷道人工墻體設(shè)計(jì)方面做了大量研究。然而由于煤礦地質(zhì)生產(chǎn)條件的千差萬(wàn)別，煤巖體應(yīng)力及變形特征均表現(xiàn)出不同的規(guī)律，充填墻體設(shè)計(jì)亦明顯不同。此外，詳細(xì)掌握風(fēng)阻、風(fēng)流和風(fēng)速的分布情況對(duì)于評(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義，專(zhuān)家學(xué)者在煤礦通風(fēng)阻力測(cè)定方法亦進(jìn)行了卓有成效的研究，然而對(duì)于Y型通風(fēng)系統(tǒng)下通風(fēng)阻力與風(fēng)流遷移規(guī)律的研究較少。

本文結(jié)合義煤集團(tuán)躍進(jìn)煤礦7828工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，開(kāi)展Y型通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先確定充填墻體構(gòu)筑材料與合理沿空巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)巷道變形情況和風(fēng)阻變化情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)了Y型通風(fēng)系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)安全和礦井安全生產(chǎn)，對(duì)于類(lèi)似礦井Y型通風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件

義煤集團(tuán)躍進(jìn)煤礦位于河南省義馬礦區(qū)西部，礦井東西長(zhǎng)9.9 km，南北寬5 km，面積39.5 km2。主采7#煤層，煤層埋深470.9～526.7 m，平均埋深498.8 m，煤層直接頂為2.4 m厚的泥巖，灰黑色，堅(jiān)硬性脆，節(jié)理發(fā)育含黃鐵礦結(jié)核，堅(jiān)固性系數(shù)為4；基本頂為10.5 m厚細(xì)砂巖，深灰色，堅(jiān)硬，水平層理發(fā)育，堅(jiān)固性系數(shù)為5；底板為1.3 m厚粉砂巖，含植物化石，發(fā)育一層厚度為0.05～0.25 m煤線，堅(jiān)固性系數(shù)為4；老底為5.5 m厚中砂巖，堅(jiān)硬性脆，堅(jiān)固性系數(shù)為6。

7828工作面位于八采區(qū)二階段軌道下山東翼，走向長(zhǎng)度800 m，傾斜長(zhǎng)度60 m，采用MG150/345-WDK采煤機(jī)割煤、裝煤，采煤機(jī)截深0.6 m，上下端頭自開(kāi)缺口，使用SGZ630/264W型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，ZY3200/09/18型液壓支架支護(hù)頂板。

1.2 Y型通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決以往U通風(fēng)方式下存在的上隅角及回采巷道瓦斯超限問(wèn)題，擬在7828工作面開(kāi)展Y型通風(fēng)技術(shù)研究。根據(jù)Y型通風(fēng)技術(shù)要求和7828工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用由7828運(yùn)輸平巷(進(jìn)風(fēng))、7828回風(fēng)平巷(進(jìn)風(fēng))與沿空留巷(回風(fēng))組成的“兩進(jìn)一回”式通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。在Y型通風(fēng)方式下，工作面生產(chǎn)造成的瓦斯或粉塵可以被由7828運(yùn)輸平巷流入的主風(fēng)流不斷稀釋?zhuān)瑫r(shí)上隅角積聚瓦斯被由7828回風(fēng)平巷流入的副風(fēng)流帶走，最后通過(guò)沿空留巷流入采區(qū)回風(fēng)巷道，從而在根本上解決瓦斯超限問(wèn)題。

根據(jù)Y型通風(fēng)設(shè)計(jì)和工作面瓦斯涌出情況，確定通風(fēng)線路和風(fēng)量如下：7828運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量Q1為1150 m3/min，回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量Q2為650 m3/min，沿空巷道回風(fēng)量Q3為1800 m3/min。

圖1 7828工作面Y型通風(fēng)方式布置圖

2 沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制

Y型通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)筑是通過(guò)施工人工墻體并對(duì)其實(shí)施有效支護(hù)，從而將沿空巷道保留下來(lái)作為回風(fēng)巷道，實(shí)現(xiàn)“兩進(jìn)一回”通風(fēng)線路，其成敗的關(guān)鍵在于沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制，具體包括充填墻體材料、沿空巷道圍巖支護(hù)等方面。

2.1 充填墻體構(gòu)筑材料

已有研究表明，要實(shí)現(xiàn)充填墻體對(duì)上覆巖層的有效支撐，充填墻體應(yīng)具有早強(qiáng)和可塑性的特點(diǎn)，首先，充填墻體應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和快速增阻的特性，以便墻體短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的支護(hù)阻力，避免巖層破斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引發(fā)巷道劇烈下沉；其次，為避免覆巖后期劇烈下沉誘發(fā)的沿空巷道圍巖不可逆大變形，充填墻體還應(yīng)具備一定可縮性。

根據(jù)上述要求，選擇ZKD新型高水材料構(gòu)筑充填墻體，其由甲、乙兩種原料構(gòu)成，結(jié)合7828工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件和室內(nèi)試驗(yàn)，確定材料水灰比為1.8～2.1∶1。該新型高水材料各齡期的抗壓強(qiáng)度如下：6 h抗壓強(qiáng)度1.8 MPa，1 d抗壓強(qiáng)度4.0 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度5.1 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度6.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度26.0 MPa。

機(jī)床廠原有的主電路需要完善的二次回路控制保護(hù)，其中的斷路器起到主要保護(hù)作用，斷路器控制回路的主要功能是對(duì)斷路器進(jìn)行通、斷操作。原有的二次回路過(guò)于簡(jiǎn)單，不能顯示斷路器分、合狀態(tài)，也沒(méi)有相應(yīng)的報(bào)警、指示信號(hào)，并且當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，不能及時(shí)控制斷路器跳閘，給生產(chǎn)工作帶來(lái)不便，新的斷路器控制回路要能夠解決上述問(wèn)題。

2.2 沿空巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證沿空巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定，結(jié)合相關(guān)理論和工程實(shí)踐，分別提出巷道掘進(jìn)與沿空留巷期間支護(hù)方案。

(1)掘進(jìn)期間巷道支護(hù)方案如圖2所示。巷道斷面為3100 mm×1900 mm，頂板選用直徑18 mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度1800 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm，使用1卷Z2360錨固，錨桿預(yù)緊力矩不低于80 kN，靠?jī)蓭湾^桿向外側(cè)傾斜15°；兩幫選用直徑16 mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度1600 mm，錨桿間排距為1100 mm×800 mm，使用1卷Z2360錨固，錨桿預(yù)緊力矩不低于80 kN，靠頂板處錨桿向上傾斜15°。

圖2 掘進(jìn)期間巷道支護(hù)方案

(2)留巷期間充填墻體加固方案如圖3所示。充填墻體高度為2100 mm，寬度為2500 mm，為防止其在頂板壓力下發(fā)生壓縮變形，采用錨栓進(jìn)行對(duì)穿加固，錨栓選用直徑為18 mm螺紋鋼，間排距為1100 mm×2000 mm，同排兩根錨栓選用W型鋼帶連接。同時(shí)，在工作面前方20 m范圍及滯后5～30 m范圍內(nèi)，架設(shè)由1.2 m鉸接頂梁及單體液壓支柱組成的走向梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 充填墻體加固方案

3 Y型通風(fēng)效果分析

為分析7828工作面Y型通風(fēng)系統(tǒng)工況，依次對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布情況、工作面通風(fēng)阻力分布特征及沿空巷道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析，為Y型通風(fēng)系統(tǒng)科學(xué)性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 采空區(qū)風(fēng)壓模擬分析

為了分析對(duì)比Y型通風(fēng)與U型通風(fēng)方式下采空區(qū)壓力場(chǎng)分布特征，建立相應(yīng)物理力學(xué)模型，其中Y型通風(fēng)物理模型如圖4所示。

圖4 Y型通風(fēng)物理模型

圖5 U型和Y型通風(fēng)方式下壓力場(chǎng)分布特征

由圖5可知，在U型通風(fēng)方式下，采空區(qū)壓力沿工作面走向方向呈逐漸降低趨勢(shì)，在回風(fēng)巷處達(dá)到最小值；在Y型通風(fēng)方式下，采空區(qū)壓力沿著對(duì)角線方向逐漸降低，并在沿空留巷尾部達(dá)到最小值；U型通風(fēng)方式能位最低點(diǎn)位于上隅角區(qū)域，而Y型通風(fēng)方式下沿空留巷處于負(fù)壓狀態(tài)，使得采空區(qū)風(fēng)流流向巷道，漏風(fēng)量約為U型通風(fēng)下的 1.5 倍，從而可有效避免瓦斯超限問(wèn)題。

3.2 通風(fēng)阻力監(jiān)測(cè)

為了全面掌握Y型通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力、風(fēng)量和風(fēng)速變化規(guī)律，對(duì)7828工作面3條巷道進(jìn)行風(fēng)量、風(fēng)速和通風(fēng)阻力的觀測(cè)與分析，其步驟如下：

(1)根據(jù)通風(fēng)線路長(zhǎng)度和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定合理測(cè)站位置；

(2)采用JYF-1型精密數(shù)字式氣壓計(jì)監(jiān)測(cè)各測(cè)站風(fēng)流的絕對(duì)壓力和相對(duì)靜壓差，并記錄測(cè)定時(shí)間；

(3)采用KG3088 風(fēng)速傳感器測(cè)量各測(cè)站風(fēng)速變化，并計(jì)算平均風(fēng)速；

(4)用皮尺測(cè)量各測(cè)站巷道參數(shù)，計(jì)算巷道斷面面積和周長(zhǎng)；

(5)基于上述各個(gè)測(cè)量值，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各測(cè)段的通風(fēng)阻力和自然風(fēng)壓；根據(jù)Y型通風(fēng)系統(tǒng)中各段巷道的作用，將其分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段，得到7828工作面各個(gè)區(qū)段通風(fēng)阻力分布，如表2所示。把實(shí)測(cè)的礦井通風(fēng)阻力同其計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，誤差值在5%內(nèi)，說(shuō)明此次測(cè)定精度符合要求。

表2 通風(fēng)阻力監(jiān)測(cè)表

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，進(jìn)風(fēng)段阻力為562.42 Pa，占26.9%；用風(fēng)段阻力為420.13 Pa，占20.1%；回風(fēng)段阻力為1108.43 Pa，占53%?？梢?jiàn)，在Y型通風(fēng)方式下，回風(fēng)線路大幅縮減，巷道維護(hù)狀況良好，可保證充足有效斷面，通風(fēng)阻力在合理范圍之內(nèi)。

3.3 沿空巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

巷道表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標(biāo)。沿空巷道構(gòu)筑完成后，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖發(fā)生變形和移動(dòng)。沿空巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平颗c距工作面距離的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，頂?shù)装逡平?、兩幫移近量在工作面推過(guò)后即開(kāi)始較大幅度增長(zhǎng)，直至工作面推過(guò)50 m后，巷道變形才逐漸趨于平緩，頂?shù)装逡平窟_(dá)到475 mm，兩幫移近量達(dá)到410 mm；之后，巷道變形趨于緩慢增長(zhǎng)，直至保持基本恒定，工作面推過(guò)120 m后，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到521 mm，兩幫最大移近量達(dá)到443 mm，巷道變形在合理范圍內(nèi)，可以滿足巷道通風(fēng)需求。

圖6 沿空巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平颗c距工作面距離關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)7828工作面采用“兩進(jìn)一回” 式通風(fēng)系統(tǒng)，7828運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量Q1為1150 m3/min，回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量Q2為650 m3/min，沿空巷道回風(fēng)量Q3為1800 m3/min。

(2)沿空巷道充填墻體應(yīng)同時(shí)具備早強(qiáng)和可塑性的特點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件，確定選用ZKD新型高水材料構(gòu)筑充填墻體。

(3)對(duì)Y通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)段阻力為562.42 Pa，占26.9%；用風(fēng)段阻力為420.13 Pa，占20.1%；回風(fēng)段阻力為1108.43 Pa，占53%?？梢?jiàn)，在Y型通風(fēng)方式下，回風(fēng)線路大幅縮減，巷道維護(hù)狀況良好，可保證充足有效斷面，通風(fēng)阻力在合理范圍之內(nèi)。