急傾斜特厚煤層綜采工作面均壓通風(fēng)技術(shù)研究與應(yīng)用

孫秉成，杜昌昂，丁文龍，王 剛

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著東部煤炭資源開采殆盡，西部在未來(lái)將成為中國(guó)煤炭開采的主戰(zhàn)場(chǎng)。我國(guó)新疆烏魯木齊礦區(qū)的急傾斜煤層儲(chǔ)量占全國(guó)急傾斜煤層儲(chǔ)量的25%以上[1-3]。目前新疆地區(qū)對(duì)急傾斜特厚煤層常用的開采方法是水平或斜切分段放頂煤采煤法[4-6]，由于其具有采放比較大(烏東煤礦采放比約1∶7)、埋藏較淺、地表向采空區(qū)漏風(fēng)、底部煤體自卸壓瓦斯逸散、采空區(qū)范圍大且遺煤較多、自然風(fēng)壓對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)影響較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致工作面瓦斯防治工作難度較大，隅角氣體積聚和火災(zāi)事故頻發(fā)。

通風(fēng)是保持井下人員工作環(huán)境健康的基礎(chǔ)[7，8]。過(guò)大的通風(fēng)量會(huì)造成采空區(qū)氧氣濃度持續(xù)升高，造成遺煤氧化甚至發(fā)生采空區(qū)火災(zāi)，過(guò)小風(fēng)量則會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)氣體濃度超標(biāo)，人員供風(fēng)量不足，威脅井下作業(yè)人員健康。均壓通風(fēng)是利用井下構(gòu)筑物以及增設(shè)局部通風(fēng)機(jī)等設(shè)施，達(dá)到既減小采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)又保持基本的供風(fēng)量的目的，其基本宗旨為“降壓減風(fēng)，管風(fēng)防火，堵風(fēng)防漏，以風(fēng)治火”[9-12]，同時(shí)均壓通風(fēng)具有實(shí)用性較強(qiáng)、管理較為方便等特點(diǎn)[13-14]。本文研究均壓通風(fēng)技術(shù)在急傾斜特厚煤層綜采工作面的研究與應(yīng)用，確定合理的均壓參數(shù)，結(jié)合烏東煤礦實(shí)際情況設(shè)計(jì)急傾斜特厚煤層復(fù)雜條件下綜放開采工作面實(shí)際情況的均壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)均壓系統(tǒng)的效果和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，解決了綜采工作面低氧，毒害氣體濃度過(guò)高，自然風(fēng)壓變化對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)影響較大等問(wèn)題，對(duì)于保障急傾斜特厚煤層安全回采具有重要意義。

1 礦井概況

1.1 工作面概況

烏東煤礦+600水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面位于礦井開采東翼，上分層為+620水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面采空區(qū)，下分層為+575水平45#煤層?xùn)|翼煤層，設(shè)計(jì)一個(gè)階段開采高度為25m，其開采方法如圖1所示，煤層傾角43°～46°，煤層位于43#煤層北側(cè)，開采工作面走向長(zhǎng)度為2923m，傾向長(zhǎng)度40m。

圖1 水平分段放頂煤采煤法開采

1.2 自然風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

為了能更好地反映烏東煤礦不同時(shí)段的自然風(fēng)壓變化規(guī)律，對(duì)春、夏、秋、冬一天中3∶00、6∶00、9∶00、12∶00、15∶00、18∶00、21∶00、24∶00，采用間接測(cè)定法[15]進(jìn)行自然風(fēng)壓測(cè)定，自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 烏東煤礦不同季節(jié)不同時(shí)段自然風(fēng)壓變化

由圖2可以得出，冬、夏兩季自然風(fēng)壓日變化趨勢(shì)較大，春、秋兩季自然風(fēng)壓日變化趨勢(shì)較小。從四個(gè)季節(jié)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，自然風(fēng)壓值在15∶00時(shí)左右處于較低水平，凌晨自然風(fēng)壓處于最高水平。自然風(fēng)壓對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)影響較大。春秋冬三季自然風(fēng)壓為正，有助于礦井通風(fēng)，同時(shí)會(huì)使采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。夏季自然風(fēng)壓波動(dòng)較大，一天內(nèi)會(huì)出現(xiàn)自然風(fēng)壓的正負(fù)交替，造成采空區(qū)的“呼吸”狀態(tài)促使采空區(qū)的遺煤自燃，給火災(zāi)的防治帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

1.3 工作面氣體濃度及漏風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

由于開采方式的特殊性，地表、老采空區(qū)及上部采空區(qū)將會(huì)形成多次塌陷，從而形成漏風(fēng)通道，存在地表新鮮空氣逐步置換采空區(qū)氣體的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)早、中、晚現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)回風(fēng)隅角平均氧氣濃度低于15%，CO濃度高達(dá)0.03‰，CH4濃度為1.5%左右。通過(guò)SF6示蹤氣體對(duì)工作面漏風(fēng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采樣結(jié)果與漏風(fēng)測(cè)算結(jié)果如圖3—圖5所示，通過(guò)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷實(shí)測(cè)可知，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為845m3/min，回風(fēng)巷風(fēng)量為873m3/min，回風(fēng)巷風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量，存在采空區(qū)向工作面漏風(fēng)的問(wèn)題，南北巷風(fēng)量差值為28m3/min。雖然在地面采取了回填堵漏措施，但是來(lái)自采空區(qū)漏風(fēng)情況仍較為明顯，根據(jù)水平分段放頂煤回采工藝特點(diǎn)，為了避免采空區(qū)自然發(fā)火，隅角氣體積聚，采取均壓通風(fēng)。

圖3 工作面SF6示蹤氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 工作面SF6色譜分析濃度變化曲線

圖5 工作面各區(qū)間漏風(fēng)量、漏風(fēng)率以及漏風(fēng)速度變化

2 急傾斜特厚煤層均壓通風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

2.1 工作面風(fēng)量計(jì)算

通過(guò)對(duì)工作面具體需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1，綜合分析表1可知工作面最小風(fēng)量為729m3/min。

表1 風(fēng)量計(jì)算匯總 m3/min

2.2 均壓通風(fēng)方案的提出及監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的+600水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面漏風(fēng)情況以及采空區(qū)有害氣體涌出等問(wèn)題，減少采空區(qū)漏風(fēng)，防止上部采空區(qū)遺煤自燃，減少火患和一氧化碳?xì)怏w對(duì)工作面的影響，在不影響整個(gè)礦井負(fù)壓通風(fēng)的情況下，采用均壓通風(fēng)。對(duì)該工作面進(jìn)行局部均壓通風(fēng)改造，不影響整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)方式，工作面均壓通風(fēng)方案布置如圖6所示。均壓通風(fēng)方案如下：南、北巷各設(shè)置2道均壓風(fēng)門，風(fēng)門閉鎖可靠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉；均壓風(fēng)機(jī)選型為FBDNO8.1-2×55kW壓入式對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)需設(shè)置為兩臺(tái)，一臺(tái)備用，雙風(fēng)機(jī)雙電源具備自動(dòng)切換的功能，設(shè)置“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”，均壓風(fēng)筒選取1000mm骨架風(fēng)筒向工作面供風(fēng)；決定在巷道進(jìn)、回風(fēng)隅角區(qū)域，通過(guò)掛設(shè)擋風(fēng)簾，減少采空區(qū)漏風(fēng)；均壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)窗鎖口面積，提高均壓區(qū)回風(fēng)側(cè)壓力或降低進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整均壓區(qū)壓力的目的。

圖6 均壓通風(fēng)方案

工作面建立完善的均壓通風(fēng)系統(tǒng)，北巷正方向風(fēng)門間距10m，南巷砌筑4道正方向風(fēng)門，間距10m，設(shè)置1m×1.2m調(diào)壓風(fēng)窗；在煤門內(nèi)安裝2個(gè)“U”型壓差計(jì)，分別測(cè)定北、南巷均壓區(qū)內(nèi)外壓差，在北巷均壓區(qū)內(nèi)向上分層施工探孔安裝“U”型壓差計(jì)，測(cè)定上分層采空區(qū)與均壓區(qū)內(nèi)壓差；在南巷向采空區(qū)埋入?50mm PE管作為觀測(cè)管，觀測(cè)采空區(qū)與均壓區(qū)壓力及采空區(qū)氣體變化情況，有效指導(dǎo)均壓壓力調(diào)整及防滅火措施的制定；系統(tǒng)運(yùn)行期間安排專人看管，負(fù)責(zé)觀測(cè)均壓區(qū)壓力變化及氣體管控。

2.3 均壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

采取均壓通風(fēng)后，工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)量749.5m3/min，回風(fēng)巷風(fēng)量742.6m3/min，漏風(fēng)量為7.9m3/min，工作面風(fēng)量大于729m3/min，風(fēng)量充足。采取均壓通風(fēng)措施后，當(dāng)日對(duì)三班數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，均壓通風(fēng)后回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中氣體濃度見表2、表3。

表2 均壓通風(fēng)后回風(fēng)隅角氣體濃度

表3 均壓通風(fēng)后回風(fēng)流中氣體濃度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采取均壓通風(fēng)后，烏東煤礦45#煤層均壓區(qū)(進(jìn)回風(fēng))水柱計(jì)壓力差(h2-h3)基本控制在20～30Pa，煤門水柱計(jì)壓力差(h1)保持在10～20Pa，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)漏風(fēng)量在10m3/min以下，回風(fēng)隅角氧氣濃度在19%以上，回風(fēng)隅角各氣體指標(biāo)正常。

當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不處于安全區(qū)間時(shí)，由于系統(tǒng)運(yùn)行期間安排專人不間斷看管，觀測(cè)均壓區(qū)壓力變化及氣體管控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警，降低了災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)預(yù)警的有效性和實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)格的要求。由于烏東煤礦具有完善的通信系統(tǒng)，井下工作人員通過(guò)與地面工作人員取得聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的提前預(yù)警及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)行安全預(yù)警，均壓通風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 均壓通風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)流程

通過(guò)對(duì)急傾斜特厚煤層均壓通風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究，在+600水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面進(jìn)行了布置，得到了很好的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上部采空區(qū)氣壓變化和工作面有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止有害氣體對(duì)工作面內(nèi)工人造成傷害，并且完善了均壓通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，給礦井的安全生產(chǎn)提供了方便。

2.4 均壓系統(tǒng)的使用規(guī)定及相應(yīng)安全技術(shù)措施

1)在+600水平45#煤層?xùn)|翼工作面建立均壓通風(fēng)系統(tǒng)，均壓風(fēng)機(jī)為2×55kW對(duì)旋局扇，負(fù)責(zé)對(duì)均壓系統(tǒng)壓力和風(fēng)量變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)做好均壓設(shè)施的維護(hù)工作。

2)通過(guò)在南北巷均壓風(fēng)門上安裝風(fēng)門開關(guān)傳感器，與礦井監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)嚴(yán)禁工作人員同時(shí)打開兩道均壓風(fēng)門以及對(duì)調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓的風(fēng)窗進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4)均壓風(fēng)機(jī)一旦停止運(yùn)行，打開南、北巷風(fēng)門進(jìn)行全負(fù)壓通風(fēng)，同時(shí)通知瓦斯檢查員對(duì)工作面進(jìn)行檢查，確認(rèn)氣體正常后方可正常作業(yè)。

5)每天對(duì)均壓區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷道的風(fēng)量、工作面的瓦斯氣體進(jìn)行測(cè)定，并及時(shí)調(diào)整好均壓區(qū)壓力(一般要求南北巷壓力差20～30Pa)，并做好調(diào)節(jié)、測(cè)定記錄。

6)每天對(duì)壓差計(jì)及其軟管進(jìn)行檢查，確保正常；每天對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的均壓風(fēng)門進(jìn)行保養(yǎng)性維護(hù)，保證風(fēng)門不漏風(fēng)且能自動(dòng)關(guān)閉。

3 均壓通風(fēng)效果分析及穩(wěn)定性檢驗(yàn)

實(shí)施均壓通風(fēng)是為了減小采空區(qū)漏風(fēng)，CH4、CO濃度均有不同程度的下降，解決了漏風(fēng)嚴(yán)重，O2供氧不足等問(wèn)題，均壓效果良好。在一定程度上縮減采空區(qū)內(nèi)氧化帶，減少采空區(qū)漏風(fēng)防止上部采空區(qū)老火復(fù)燃方面起到了較好效果，保證煤礦安全高效開采。

通過(guò)對(duì)均壓系統(tǒng)15d的連續(xù)觀測(cè)，氣體濃度及漏風(fēng)量監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示。由圖8可以看出，回風(fēng)隅角CH4濃度最大值不超過(guò)0.3%，基本維持在0.15%左右符合安全規(guī)程不高與1%要求；CO濃度均在在0.024‰以下，最大值為0.013‰，符合煤礦安全規(guī)定，O2濃度基本穩(wěn)定在18%以上，漏風(fēng)量基本保持在10m3/min以下，位于5～10m3/min之間，均壓系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

圖8 氣體濃度及漏風(fēng)量監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié) 論

1)烏東煤礦采用均壓通風(fēng)技術(shù)成功解決了+600水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面存在漏風(fēng)嚴(yán)重、回風(fēng)隅角氣體積聚、自然風(fēng)壓對(duì)漏風(fēng)影響較大，工作面氧氣濃度過(guò)低問(wèn)題，同時(shí)對(duì)采空區(qū)防滅火工作的開展也起到積極的作用。

2)均壓通風(fēng)措施為在南、北巷各設(shè)置2道均壓風(fēng)門，風(fēng)門閉鎖可靠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉，均壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)窗鎖口面積，提高均壓區(qū)回風(fēng)側(cè)壓力或降低進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整均壓區(qū)壓力的目的。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，烏東煤礦45#煤層均壓區(qū)(進(jìn)回風(fēng))水柱計(jì)壓力差基本控制在20～30Pa，煤門水柱計(jì)壓力差保持在10～20Pa，漏風(fēng)量在5～10m3/min，即可保持均壓區(qū)壓力穩(wěn)定，工作面氣體指標(biāo)正常。

3)通過(guò)對(duì)采取均壓通風(fēng)后15d內(nèi)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，對(duì)回風(fēng)隅角各氣體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，各氣體指標(biāo)均符合煤礦安全規(guī)定，均壓系統(tǒng)較為穩(wěn)定，保證了+575水平45#東翼工作面的安全回采。