深部礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提高火災(zāi)防治應(yīng)用研究

翟繼云 張曉龍

（1.滕州市級(jí)翔（集團(tuán)）級(jí)索煤礦，山東 滕州 277500；2.青島第一市政工程有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

煤自燃作為礦井火災(zāi)的主要形式，對(duì)井下煤層的開(kāi)采工作產(chǎn)生了巨大的影響。在礦井開(kāi)采的過(guò)程中，不合理的通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)增大煤自燃的危險(xiǎn)性?，F(xiàn)階段煤自燃的防治技術(shù)主要有灌漿［1-2］、噴淋阻化劑［3］、注入惰氣［4］、封堵漏風(fēng)［5］、注入凝膠［6］和三相泡沫［7］、均壓等防滅火技術(shù)。通風(fēng)方式會(huì)對(duì)工作面的漏風(fēng)情況造成不同程度的影響，而漏風(fēng)強(qiáng)度的大小是影響煤自燃的重要因素之一。深部礦井的環(huán)境高溫導(dǎo)致了需要增大通風(fēng)量來(lái)降低工作面的溫度，通風(fēng)量的增大導(dǎo)致了煤自燃的危險(xiǎn)性增大。采用合理的通風(fēng)方式可以降低煤自燃的危險(xiǎn)性?；诖耍罅繉W(xué)者通過(guò)研究通風(fēng)方式來(lái)采取針對(duì)性的措施進(jìn)行煤自燃的防治。趙建［8］采用ANSYS軟件對(duì)不同的漏風(fēng)形式進(jìn)行了模擬分析，得到了U形、Y形及W形通風(fēng)方式對(duì)煤自燃的影響性差異；梁軍等［9］通過(guò)仿真模擬的方法對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)井下風(fēng)流的模擬和異常報(bào)警。目前，優(yōu)化通風(fēng)方式的方法在煤自燃的防治中取得了一定的效果，但在某些礦井中通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，通風(fēng)方式不合理等造成了煤自燃的危險(xiǎn)性增大。為了有針對(duì)性地控制采空區(qū)的漏風(fēng)，本研究對(duì)東灘煤礦63上03綜采工作面的漏風(fēng)進(jìn)行測(cè)定，得到工作面區(qū)段漏風(fēng)情況，并采取風(fēng)機(jī)—風(fēng)窗調(diào)壓的方式控制采空區(qū)漏風(fēng)量，保證該綜采工作面的安全生產(chǎn)，結(jié)果表明通過(guò)漏風(fēng)降低煤自燃的危險(xiǎn)性對(duì)礦井火災(zāi)防治具有重要意義。

1 煤自燃的影響因素

1.1 煤層自然發(fā)火因素分析

煤自燃不僅會(huì)影響礦井的安全生產(chǎn)，在煤自燃的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，對(duì)工作人員的生命健康造成威脅，燃燒產(chǎn)生的高溫也會(huì)對(duì)周圍的地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)，甚至可能帶來(lái)一系列的次生災(zāi)害，例如瓦斯爆炸、粉塵爆炸等。煤自燃是指煤與氧氣發(fā)生煤氧復(fù)合作用等過(guò)程中釋放出熱量，在產(chǎn)熱大于散熱的情況下，熱量的不斷積蓄導(dǎo)致溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到煤的著火點(diǎn)后，發(fā)生燃燒現(xiàn)象。

現(xiàn)階段煤層的開(kāi)采向深部煤層發(fā)展，與淺煤層相比，涌水量和環(huán)境溫度較高。首先，長(zhǎng)時(shí)間的水浸作用會(huì)導(dǎo)致煤巖和裂隙發(fā)育，增大采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度，為煤自燃提供了充足的氧氣；其次，環(huán)境溫度的升高，導(dǎo)致煤巖的溫差減小，煤自燃的危險(xiǎn)性增大；再次，由于環(huán)境溫度的升高，為保證工作面的正常回采，需要增大供風(fēng)量來(lái)降低環(huán)境溫度，在供風(fēng)量增大的過(guò)程中，采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度也相應(yīng)增大，增加了煤自燃的危險(xiǎn)性。為了實(shí)現(xiàn)礦井的正常開(kāi)采，保障工作人員的安全，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)控制采空區(qū)的漏風(fēng)和防滅火措施。

東灘煤礦采用無(wú)煤柱開(kāi)采方式，形成的大面積采空區(qū)易形成多源多匯的漏風(fēng)通道，且工作面推進(jìn)速度慢，導(dǎo)致自燃現(xiàn)象嚴(yán)重。工作面開(kāi)采形成的大面積采空區(qū)，漏風(fēng)管理難度較大，煤自燃防治困難。隨著相鄰工作面的推采，與相鄰工作面開(kāi)采完成后所形成的采空區(qū)形成復(fù)合采空區(qū)，導(dǎo)致煤自燃的防治更加困難。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煤自燃的影響

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)既是保證井下生產(chǎn)工作順利開(kāi)展的重要前提，同時(shí)也是影響煤礦火災(zāi)能否發(fā)生起著重要因素。采空區(qū)煤自燃需要的供氧量，大部分來(lái)源于工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)，若沒(méi)有充足的氧氣含量，內(nèi)因火災(zāi)難以發(fā)生，因此，控制工作面漏風(fēng)量可以有效防止煤自燃。

通風(fēng)條件對(duì)于煤炭自燃火災(zāi)的影響，主要表現(xiàn)在易發(fā)生自燃火災(zāi)地點(diǎn)的漏風(fēng)供氧情況。因此，漏風(fēng)量的大小是衡量自燃火災(zāi)能否發(fā)生的重要因素之一。工作面漏風(fēng)量大小也和煤礦井下工作面采用的通風(fēng)方法有一定的關(guān)系。

煤礦井下發(fā)生火災(zāi)，也會(huì)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生或多或少的影響，具體影響程度受火災(zāi)的嚴(yán)重程度而定。研究表明：不同的通風(fēng)方式對(duì)煤自燃的影響不同，Y形、U形、W形三種通風(fēng)方式中對(duì)煤自燃的影響程度逐漸減小，因此Y形通風(fēng)條件下更有利于煤自燃的發(fā)生［8］。一般來(lái)說(shuō)，井下發(fā)生火災(zāi)后，處于火災(zāi)下風(fēng)處的工作人員，受燃燒產(chǎn)生的有毒有害煙氣影響非常嚴(yán)重。在煤自燃火災(zāi)的防治中，通過(guò)均壓的方式來(lái)控制漏風(fēng)對(duì)采空區(qū)的防治具有重要意義。通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，有利于降低工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)率，從而降低煤自燃的危險(xiǎn)性。

2 工作面漏風(fēng)量測(cè)定

2.1 原理和方法

由于礦井開(kāi)采過(guò)程中不存在SF6氣體，并且SF6氣體的靈敏度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，因此通常采用SF6氣體示蹤法進(jìn)行漏風(fēng)的測(cè)量［10］。在工作面風(fēng)流的流動(dòng)過(guò)程中，沒(méi)有漏風(fēng)通道向工作面漏風(fēng)，則SF6示蹤氣體的濃度不變；若存在漏風(fēng)通道，則SF6示蹤氣體的濃度會(huì)降低；基于此，本研究對(duì)東灘礦井六采區(qū)63上03工作面漏風(fēng)量采用SF6示蹤氣體法進(jìn)行測(cè)定。

首先在采區(qū)工作面進(jìn)風(fēng)順槽中釋放SF6氣體，在軌道順槽和運(yùn)輸順槽中分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在兩個(gè)巷道端頭分別設(shè)置氣體釋放點(diǎn)和接收點(diǎn)。圖1中S點(diǎn)代表SF6氣體的釋放位置，1、2、3為軌道順槽中的漏風(fēng)測(cè)點(diǎn)，4、5、6為運(yùn)輸順槽中的漏風(fēng)測(cè)點(diǎn)，J為運(yùn)輸順槽端頭的接收點(diǎn)。

圖1 工作面漏風(fēng)測(cè)定點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)量結(jié)果

東灘煤礦的軌道順槽和運(yùn)輸順槽的巷道斷面積分別為19.1 m2和19.3 m2，巷道中的風(fēng)量測(cè)試數(shù)值為1 398 m3∕min，風(fēng)速為1.22 m∕s。在對(duì)SF6氣體濃度檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅在測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4之間出現(xiàn)降低，即兩點(diǎn)之間存在漏風(fēng)通道。各測(cè)點(diǎn)SF6濃度變化如圖2所示。

圖2 不同測(cè)點(diǎn)處SF6氣體濃度

通過(guò)對(duì)工作面漏風(fēng)的測(cè)定，在63上03綜采工作面的進(jìn)風(fēng)巷中基本不存在漏風(fēng)通道，漏風(fēng)現(xiàn)象不明顯；但在工作面區(qū)域，SF6氣體的濃度出現(xiàn)了下降，由此表明在工作面的漏風(fēng)量相對(duì)較大，可能會(huì)造成采空區(qū)煤自燃的發(fā)生，因此應(yīng)該采取相應(yīng)的堵漏風(fēng)措施，控制漏風(fēng)。在回風(fēng)巷中SF6氣體沒(méi)有出現(xiàn)明顯的濃度變化，表明了回風(fēng)巷中基本不存在漏風(fēng)現(xiàn)象。

3 礦井通風(fēng)抗火災(zāi)能力模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的難易程度、災(zāi)變對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響程度、防火組織管理3個(gè)方面建立12個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。首先礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗火災(zāi)能力U可分為三個(gè)因素，U=（U1，U2，U3），即U1通風(fēng)系統(tǒng)的難易程度，U2災(zāi)變的影響程度，U3防火組織管理。其次U1=（U11，U12，U13），即U11通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，U12礦井通風(fēng)阻力狀況，U13礦井通風(fēng)阻力分布狀況；U2=（U21，U22），即U21浮力效應(yīng)，U22節(jié)流效應(yīng)；U3=（U31，U32，U33），即U31火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系，U32防火設(shè)施布置，U33應(yīng)急救援組織）。最后，U12=（U121，U122，U123），即U121礦井通風(fēng)總阻力，U122礦井通風(fēng)總風(fēng)阻，U123礦井等積孔；U32=（U321，U322，U323），即U321通風(fēng)構(gòu)筑物，U322消防設(shè)施，U323反風(fēng)裝置。通過(guò)對(duì)U1、U2、U3分別進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，得到三個(gè)單因素的評(píng)價(jià)結(jié)果為B1=（0.34，0.26，0.4），B2=（1，0，0），B3=（0.6，0.4，0）。對(duì)B1、B2、B3一級(jí)綜合評(píng)價(jià)后，再根據(jù)U1、U2、U3的模糊權(quán)向量，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為B=（0.68，0.21，0.11）。

通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)得出礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗火災(zāi)能力評(píng)分值分別為（0.68，0.21，0.11），可評(píng)定東灘礦井的抗火災(zāi)能力為較大，通風(fēng)能力較穩(wěn)定。結(jié)合上述漏風(fēng)量的測(cè)試，應(yīng)進(jìn)一步采取一定的措施來(lái)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，降低漏風(fēng)率。

4 均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)

4.1 均壓方式

根據(jù)均壓調(diào)節(jié)的原理，均壓調(diào)節(jié)方案可采用開(kāi)區(qū)均壓和閉區(qū)均壓兩種方案。由于東灘礦井采用綜合機(jī)械化無(wú)煤柱開(kāi)采方式，其采空區(qū)空間面積大，與相鄰采空區(qū)形成復(fù)合采空區(qū)，易形成多源多匯的漏風(fēng)通道，采用閉區(qū)均壓的方案很難達(dá)到預(yù)期效果。因此采用開(kāi)區(qū)均壓的方案。

63上03綜采工作面是采用的U形通風(fēng)方式。為了不干擾皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸工作，同時(shí)保障均壓方案的可行性，將調(diào)壓風(fēng)機(jī)布置在南翼軌道下山處，同時(shí)在63上03運(yùn)輸順槽至回風(fēng)巷中布置調(diào)壓風(fēng)窗。利用風(fēng)機(jī)—風(fēng)窗聯(lián)合調(diào)壓，來(lái)降低工作面的漏風(fēng)。

圖3 風(fēng)機(jī)—風(fēng)窗布置圖

4.2 均壓風(fēng)機(jī)的選取

為了減少工作面的漏風(fēng)，需要選取適合的均壓風(fēng)機(jī)。在均壓風(fēng)機(jī)選取的過(guò)程中，可采用公式（1）和公式（2）對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算，其中，調(diào)壓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：Qf為調(diào)壓風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3∕h；R為調(diào)壓風(fēng)機(jī)到調(diào)壓風(fēng)門之間巷道風(fēng)阻，0.35N·S2∕m8。

式中：修正系數(shù)取1.15的調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為242.12 Pa。由公式（1）計(jì)算可得調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)阻為210.54 Pa，由于巷道中存在局部阻力，對(duì)其風(fēng)壓計(jì)算添加修正系數(shù)，因此通過(guò)公式（2）進(jìn)行修正，調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為242.12 Pa。63上03綜采工作面需要增壓220 Pa，而均壓風(fēng)機(jī)需要克服的通風(fēng)阻力242.12 Pa，所以均壓風(fēng)機(jī)全壓需要462.12 Pa，在滿足均壓參數(shù)要求的同時(shí)選擇電功率較低的風(fēng)機(jī)，選用全壓350~2 150 Pa的風(fēng)機(jī)進(jìn)行均壓處理。

4.3 風(fēng)窗的選擇

本研究所采用的開(kāi)區(qū)風(fēng)機(jī)—風(fēng)窗均壓調(diào)壓系統(tǒng)，由調(diào)壓風(fēng)窗和風(fēng)機(jī)共同作用來(lái)提高工作面的壓能，合理地設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積、工作性能，并保證均壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于調(diào)節(jié)風(fēng)窗對(duì)應(yīng)的開(kāi)口面積不同，工作面的漏風(fēng)量和漏風(fēng)率也在一定范圍變化，其基本的變化規(guī)律為調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積越小，其漏風(fēng)量和漏風(fēng)率越大，面積越大，反而越小［11］，具體如圖4所示。

根據(jù)礦井的相關(guān)安全規(guī)程，采空區(qū)向工作面的漏風(fēng)率不能＞7%，由圖4可知，漏風(fēng)率為7%時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)窗面積為0.41 m2，而風(fēng)窗面積為0.41 m2對(duì)應(yīng)的漏風(fēng)量為55 m3∕min。

圖4 風(fēng)窗面積與漏風(fēng)量和漏風(fēng)率關(guān)系圖

根據(jù)東灘礦六采區(qū)63上03工作面的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)理論調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積為0.4 m2。通過(guò)計(jì)算得出相對(duì)誤差為2.4%，即調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積實(shí)際值和理論值之間的誤差值＜5%，在誤差允許的范圍內(nèi)，能夠滿足均壓系統(tǒng)對(duì)風(fēng)窗的要求，因此調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積定為0.41 m2。

5 結(jié)論

①通過(guò)SF6氣體示蹤法對(duì)東灘煤礦63上03綜采工作面的漏風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：所測(cè)試綜采工作面軌道順槽和運(yùn)輸順槽內(nèi)SF6氣體濃度沒(méi)有變化，表明不存在漏風(fēng)通道；而在工作面區(qū)域向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)程度相對(duì)較大。

②通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)得出礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗火災(zāi)能力評(píng)分值分別為（0.68，0.21，0.11），表明礦井的抗火災(zāi)能力較強(qiáng)。

③選擇風(fēng)機(jī)—風(fēng)窗聯(lián)合調(diào)壓的方式控制向工作面的通風(fēng)，提高抗火災(zāi)能力。計(jì)算調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)阻為210.54 Pa，調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為242.12 Pa，調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積定為0.41 m2。