均壓通風(fēng)技術(shù)在治理綜采工作面回風(fēng)隅角缺氧的應(yīng)用

呂鵬飛，林 看，王少珂

(天地(榆林)開(kāi)采工程技術(shù)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

均壓通風(fēng)技術(shù)是利用通風(fēng)設(shè)施、風(fēng)機(jī)、調(diào)壓設(shè)施和巷道等手段，通過(guò)改變某一區(qū)域的空氣壓力分布，來(lái)改變漏風(fēng)方向或減少漏風(fēng)的通風(fēng)方法。針對(duì)神南礦區(qū)的淺埋、多煤層、厚煤層大采高工作面開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫直達(dá)地表，造成采空區(qū)和地面導(dǎo)通，由于煤層氧化等因素，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)存在面積較大的低氧區(qū)，在通風(fēng)負(fù)壓作用下進(jìn)入工作面，造成缺氧等問(wèn)題，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成很大的威脅。因此，加強(qiáng)完善治理隅角缺氧技術(shù)問(wèn)題至關(guān)重要。

1 概況

神南某礦批準(zhǔn)可采煤層5層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，礦井采用斜井多水平開(kāi)拓方式。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5 Mt/a，走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂部。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，屬Ⅰ類(lèi)易自燃煤層。該礦4-3號(hào)煤層開(kāi)采的24307工作面，其上部17 m垂高為4-2號(hào)煤層老采空區(qū)，57 m垂高為3-1號(hào)煤層老采空區(qū)。24307工作面北部為24309工作面(未回采)，南部為24305工作面采空區(qū)，西部為大巷，東部為礦界煤柱。24307工作面傾向長(zhǎng)為200 m，走向長(zhǎng)1 164 m，煤層厚度1.3～1.4 m，傾角為0°～1°，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。24307 工作面采用雙巷布置，一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)，即主運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)，如圖1所示。

圖1 24307工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.1 Ventilation system of 24307 working face

2 原因分析

2021年1月14日工作面推至760 m處，檢查發(fā)現(xiàn)24307回風(fēng)隅角至工作面運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾氧氣含量低于18%，立即采取兩順隅角封堵、設(shè)置導(dǎo)風(fēng)簾、增大工作面風(fēng)量(562 m3/min調(diào)整到850 m3/min)。采取措施后，回風(fēng)隅角氧氣很快升高到18%以上，但1 d后(1月15日后)，回風(fēng)隅角氧氣含量下降至14%左右，制約工作面回采安全。

分析認(rèn)為4-3號(hào)煤層開(kāi)采的24307工作面，距4-2號(hào)煤層采空區(qū)僅僅17 m，距3-1號(hào)煤層采空區(qū)57 m。4-2號(hào)煤層和3-1號(hào)煤層采空區(qū)里有大量低氧氣體。24307工作面開(kāi)采后，在煤層埋深淺的區(qū)域冒落、裂隙兩帶存在導(dǎo)通地表。在井下負(fù)壓的作用下，形成了地表→3-1號(hào)煤層采空區(qū)→4-2號(hào)煤層采空區(qū)→24307工作面的垂直漏風(fēng)通道，使采空區(qū)大量低氧氣體下泄，導(dǎo)致24307工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度低于18%。這是造成工作面上隅角缺氧的重要原因。

3 均壓通風(fēng)技術(shù)的方案

鑒于以上原因，為防止上部采空區(qū)低氧氣體下泄，決定采用均壓通風(fēng)技術(shù)治理工作面回風(fēng)隅角缺氧問(wèn)題。

3.1 均壓風(fēng)機(jī)選型

均壓風(fēng)機(jī)的選擇主要根據(jù)均壓工作面所需風(fēng)量和風(fēng)壓來(lái)選擇。24307工作面在實(shí)施負(fù)壓通風(fēng)時(shí)工作面風(fēng)量為509 m3/min，工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽和工作面的總長(zhǎng)度為1 000 m，其通風(fēng)阻力為900 Pa，因此選取的均壓風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量必須大于509 m3/min，風(fēng)壓大于900 Pa。由于在實(shí)施均壓通風(fēng)時(shí)，有30%左右的風(fēng)量要返回進(jìn)風(fēng)風(fēng)門(mén)，只有70%的有效風(fēng)量進(jìn)入工作面，因此均壓風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量應(yīng)為730 m3/min，根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓需求，選取2臺(tái)BDYNO7.1型對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量為500～750 m3/min，風(fēng)壓為900～6 300 Pa，功率為2×45 kW的對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)，且為雙風(fēng)機(jī)雙電源。

3.2 均壓通風(fēng)方法

24307工作面實(shí)施均壓通風(fēng)的方法如圖2所示：在工作面的主運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)口處BDYNO7.1型對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)，φ800 mm風(fēng)筒聯(lián)接均壓風(fēng)機(jī)，穿過(guò)兩道均壓風(fēng)門(mén)后再延長(zhǎng)200 m，這樣可以減少風(fēng)筒風(fēng)流返流到均壓風(fēng)門(mén)外。在回風(fēng)順槽設(shè)置2道調(diào)壓風(fēng)門(mén)，在調(diào)壓風(fēng)門(mén)上設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗和水柱計(jì)，也可設(shè)置負(fù)壓傳感器。

圖2 24307工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.2 Pressure equalizing ventilation system of 24307 working face

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作面比地表的壓力要低150～300 Pa，所以將工作面的壓力提高150～300 Pa。工作面回順風(fēng)流為509 m3/min左右，風(fēng)窗面積的調(diào)節(jié)達(dá)到既要使地表少向采空區(qū)漏風(fēng)，又要使局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)流少流向采空區(qū)，還必須使工作面上隅角微微向外出風(fēng)，以便掌握采空區(qū)內(nèi)氣體狀況。均壓區(qū)內(nèi)所有風(fēng)門(mén)均向里開(kāi)，以便適應(yīng)均壓風(fēng)流的風(fēng)壓。為保持均壓，在均壓系統(tǒng)中通向外部的聯(lián)絡(luò)巷道需全部構(gòu)筑密閉。

3.3 均壓壓力設(shè)置

為保持工作面壓力與上部4-2號(hào)煤層采空區(qū)的壓力平衡，在工作面主運(yùn)順槽向上部的4-2號(hào)煤層采空區(qū)打鉆孔1個(gè)，在鉆孔中設(shè)置水柱計(jì)。

工作面均壓壓力設(shè)置原則為：即要將上部有害氣體壓入上部采空區(qū)，又要使上隅角氣體輕微向外出氣，便于掌握本層采空區(qū)的氣體濃度。具體為：回風(fēng)隅角氧濃度大于18%，并能監(jiān)測(cè)到少量的CO2氣體為準(zhǔn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般為150～300 Pa。

3.4 均壓系統(tǒng)運(yùn)行注意事項(xiàng)

3.4.1 系統(tǒng)啟動(dòng)前準(zhǔn)備

當(dāng)確定開(kāi)啟均壓系統(tǒng)時(shí)，必須將24307工作面及其進(jìn)回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)打至零位，并撤出工作面及兩巷所有人員。

3.4.2 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng)

開(kāi)啟均壓通風(fēng)機(jī)后，先關(guān)閉回風(fēng)巷均壓風(fēng)門(mén)，后關(guān)閉進(jìn)風(fēng)巷均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，逐步調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)。

密切關(guān)注并調(diào)整氣體參數(shù)：要密切關(guān)注工作面氣體參數(shù)變化，不斷調(diào)整均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，確保工作面氣體正常與通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。調(diào)整的最終結(jié)果為：24307工作面主運(yùn)順槽風(fēng)量保持不低于設(shè)計(jì)風(fēng)量(509 m3/min)，同時(shí)進(jìn)、回風(fēng)順槽均壓風(fēng)門(mén)內(nèi)外的壓差均保持在150～300 Pa，工作面與鄰近采空區(qū)壓能基本平衡。

測(cè)試運(yùn)行并限制人員進(jìn)入：?jiǎn)?dòng)時(shí)，所有人員不得進(jìn)入均壓區(qū)域。均壓系統(tǒng)試運(yùn)行8 h以上并穩(wěn)定后，瓦檢員進(jìn)入24307工作面檢查回風(fēng)隅角、工作面及回風(fēng)流氣體情況，確定CO<24×10-6、CO2<1.5%，O2>18%后，方可允許其他人員進(jìn)入工作面作業(yè)。

3.4.3 系統(tǒng)故障處理

當(dāng)均壓工作面主風(fēng)機(jī)停運(yùn)、備用風(fēng)機(jī)開(kāi)啟或均壓工作面主、備風(fēng)機(jī)全部因停電停止運(yùn)轉(zhuǎn)以及均壓風(fēng)門(mén)受到破壞造成工作面泄壓，以上人員應(yīng)采取以下措施。

均壓工作面主風(fēng)機(jī)停運(yùn)、備用風(fēng)機(jī)開(kāi)啟：①工作面人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)，安全員、瓦檢員及綜采隊(duì)跟班領(lǐng)導(dǎo)必須立即將工作面、進(jìn)風(fēng)順槽及回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍內(nèi)所有人員沿進(jìn)風(fēng)順槽撤離到進(jìn)風(fēng)巷新鮮風(fēng)流中，同時(shí)負(fù)責(zé)將回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍外及在回風(fēng)流作業(yè)的所有人員沿回風(fēng)順槽撤到新鮮風(fēng)流中。②工作面人員全部撤出后，由瓦檢員、安全員和跟班領(lǐng)導(dǎo)核對(duì)人數(shù)，并在工作面運(yùn)順、回順口設(shè)警攔人，禁止任何人員進(jìn)入，向礦調(diào)度匯報(bào)。等待查明原因后，主、備風(fēng)機(jī)全部恢復(fù)正常，方可恢復(fù)正常生產(chǎn)。

均壓工作面主、備風(fēng)機(jī)全部因停電停止運(yùn)轉(zhuǎn)：①工作面人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，安全員、瓦檢員及綜采隊(duì)跟班領(lǐng)導(dǎo)立即將工作面、進(jìn)風(fēng)順槽及回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍內(nèi)所有人員沿進(jìn)風(fēng)順槽撤離到巷道新鮮風(fēng)流中，同時(shí)負(fù)責(zé)將回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍外及在回風(fēng)流作業(yè)所有人員沿回風(fēng)順槽撤到巷道新鮮風(fēng)流中。②看風(fēng)機(jī)人員立即打開(kāi)均壓風(fēng)門(mén)，然后通知回順巷看護(hù)風(fēng)門(mén)人員，看護(hù)風(fēng)門(mén)人員在瓦檢員、通風(fēng)工的配合下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)量和氣體情況來(lái)決定打開(kāi)均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)大小，形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。③工作面人員全部撤出后，由瓦檢員、安監(jiān)員和跟班領(lǐng)導(dǎo)核對(duì)人數(shù)，并在工作面巷口設(shè)警攔人，禁止任何人員進(jìn)入，向礦調(diào)度匯報(bào)。

均壓風(fēng)門(mén)受到破壞造成工作面泄壓：①看風(fēng)門(mén)人員應(yīng)立即通知工作面人員，工作面人員接到報(bào)警后，安全員、瓦檢員及綜采隊(duì)跟班領(lǐng)導(dǎo)立即將工作面、進(jìn)風(fēng)順槽及回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍內(nèi)所有人員沿進(jìn)風(fēng)順槽撤離到巷道新鮮風(fēng)流中，同時(shí)負(fù)責(zé)將回風(fēng)順槽超前支護(hù)20 m范圍外及在回風(fēng)流作業(yè)所有人員沿回風(fēng)順槽撤到巷道風(fēng)流中。并切斷均壓區(qū)域內(nèi)所有非本質(zhì)安全型電源。②看風(fēng)機(jī)人員立即打開(kāi)均壓風(fēng)門(mén)，然后通知回順巷看護(hù)風(fēng)門(mén)人員，看護(hù)風(fēng)門(mén)人員在瓦檢員、通風(fēng)工配合下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)量和氣體情況決定打開(kāi)均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)大小，形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。③由瓦檢員、安全員和跟班領(lǐng)導(dǎo)清點(diǎn)人數(shù)并向礦調(diào)度匯報(bào)，值班領(lǐng)導(dǎo)組織人員處理。同時(shí)設(shè)置警戒嚴(yán)禁人員進(jìn)入工作面。④通風(fēng)人員接到井下匯報(bào)時(shí)及時(shí)安排風(fēng)門(mén)維修人員對(duì)均壓風(fēng)門(mén)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)風(fēng)門(mén)前由瓦檢員對(duì)均壓風(fēng)門(mén)前的各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，各種氣體都在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，風(fēng)門(mén)維修人員方可修復(fù)風(fēng)門(mén)。

3.4.4 作業(yè)人員崗位職責(zé)

為了保證均壓系統(tǒng)穩(wěn)定，需要每班配備專(zhuān)職瓦檢員、安全員、均壓風(fēng)機(jī)司機(jī)、均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)看護(hù)工、電鉗工、通風(fēng)工各1名，具體崗位職責(zé)如下。

瓦檢員：對(duì)工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度等每班檢測(cè)3次。

安全員：全面負(fù)責(zé)安全生產(chǎn)監(jiān)督、監(jiān)管工作。

均壓風(fēng)機(jī)司機(jī)：看護(hù)均壓風(fēng)機(jī)和運(yùn)輸順槽均壓風(fēng)門(mén)，并觀察“U”型壓差計(jì)讀數(shù)，做好每班3次風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄及一次風(fēng)門(mén)完好情況記錄。

均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)看護(hù)工：看護(hù)回風(fēng)順槽2道均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，并觀察U型壓差計(jì)讀數(shù)，做好一次風(fēng)門(mén)完好情況記錄。

通風(fēng)工：對(duì)工作面有害氣體、壓力、風(fēng)量情況每班監(jiān)測(cè)3次，并做好記錄臺(tái)賬；有異常情況時(shí)要及時(shí)通知礦調(diào)度。

電鉗工：負(fù)責(zé)每日均壓風(fēng)機(jī)維護(hù)。

3.4.5 其他重要事項(xiàng)

嚴(yán)禁同時(shí)打開(kāi)兩道風(fēng)門(mén)。

4 均壓系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

均壓通風(fēng)技術(shù)實(shí)施前后工作面各項(xiàng)氣體參數(shù)，見(jiàn)表1、2。從表1和表2可以看出：采用均壓通風(fēng)技術(shù)后工作面回風(fēng)隅角CO、CO2氣體濃度明顯下降，甚至CO氣體降為0；工作面回風(fēng)隅角O2濃度>18%；主運(yùn)順槽、工作面、回風(fēng)順槽壓力明顯上升；主運(yùn)順槽、工作面、回風(fēng)順槽風(fēng)量明顯減少，均壓前回風(fēng)順槽比主運(yùn)順槽多105 m3/min，均壓后回風(fēng)順槽比主運(yùn)順槽少25 m3/min。通過(guò)瓦檢員、測(cè)風(fēng)員連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)均壓通風(fēng)技術(shù)實(shí)施后，各項(xiàng)參數(shù)值基本保持恒定。通過(guò)采用均壓通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行治理，對(duì)采空區(qū)中的有毒有害氣體溢出現(xiàn)象能夠起到抑制作用，從而提高上隅角氧氣濃度，使低氧問(wèn)題得到解決，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

表1 采用均壓通風(fēng)技術(shù)前工作面氣體參數(shù)Table 1 Gas parameters of working face before using pressure equalizing ventilation technology

表2 采用均壓通風(fēng)技術(shù)后工作面氣體參數(shù)Table 2 Gas parameters of working face after using pressure equalizing ventilation technology

5 結(jié)語(yǔ)

因礦井為多煤層開(kāi)采，井田周邊存在小窯采空區(qū)，采空區(qū)條件復(fù)雜、技術(shù)管理準(zhǔn)度大，礦井始終堅(jiān)持“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的方針，加強(qiáng)氣體人工+在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段，超前分析評(píng)估。根據(jù)礦井低氧原因及礦井實(shí)際情況，因地制宜應(yīng)用地面裂隙回填、密閉漏風(fēng)處理、均壓通風(fēng)、加快推進(jìn)速度等技術(shù)手段和方法，取得了良好的隅角低氧治理效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)，為治理隅角缺氧技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。