復(fù)雜地質(zhì)工況下高瓦斯礦井巷道通風(fēng)技術(shù)探析

＊張 偉

（晉能控股裝備制造集團(tuán)長平煤業(yè)公司 山西 048000）

瓦斯是一種在礦井開采中形成的無色無味的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其密度為0.716kg/m3，透氣性是空氣的1.6倍，在一定的環(huán)境下，其含量高達(dá)一定范圍，可導(dǎo)致人窒息，嚴(yán)重者可引發(fā)火災(zāi)和爆炸。瓦斯通常以游離狀態(tài)或依附于煤的形式存在于煤層中，在開采時，易產(chǎn)生大量的瓦斯氣體，若得不到及時有效的通風(fēng)，在高瓦斯、復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，將極大地影響隧道的工作效率。為此，本項目以晉能控股裝備制造集團(tuán)為例，在掘進(jìn)過程中，研究在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下如何進(jìn)行有效的通風(fēng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)提升通風(fēng)系統(tǒng)運行的可靠性，根據(jù)采場工作的不同情況及時調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而實現(xiàn)了煤層瓦斯含量的有效控制，確保了煤層的安全。

1.地質(zhì)概況

晉能控股裝備制造集團(tuán)某礦，采區(qū)總長度為1900m，開采面積為2.3km2，其中傾斜長度占總長度的65%。

采區(qū)中的煤層賦存較為穩(wěn)定，偽頂板為碳質(zhì)泥巖，厚度約2m，正頂板下部為鋁質(zhì)泥巖，自下而上，鋁質(zhì)泥巖在煤層中不斷降低，直至變成泥巖；直接頂?shù)暮穸茸兓艽?，?.87m到7.74m不等，老頂以砂、泥兩相為主，有明顯的西薄東厚傾向。采區(qū)煤層以弱粘性、不粘性為主，因其所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，在地殼運動作用下，煤層被擠壓、牽引，煤層的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，在其上部有一定的塑性流。

該礦區(qū)共設(shè)置了五口進(jìn)風(fēng)井、三口回風(fēng)井，形成了一個完整的整體通風(fēng)體系。井下通風(fēng)系統(tǒng)的特點是采用了分段對角機(jī)抽放通風(fēng)的方法。該煤礦屬于高瓦斯礦，甲烷的絕對出氣量和相對出氣量分別為174.71m3/min和24.68m3/t。二氧化碳的絕對排氣量為25.84m3/t，相對排放量為4.81m3/t。

103回采工作面共設(shè)置了3個巷道，即瓦斯排放巷、回風(fēng)巷、運輸巷。瓦斯排放巷屬于頂板巷，它對頂板巷起著先期探礦、先期放氣等作用?；仫L(fēng)道與運輸?shù)蓝际堑装逑?，底板巷與頂板巷并聯(lián)。結(jié)合本礦實際情況，發(fā)現(xiàn)103采區(qū)存在7條斷裂，長度在1.4～6m之間。工作面的空氣需求量是1719m3/min，在實際的生產(chǎn)過程中，工作面的需求量不得低于下限的10%，也不得超過上限的20%，因此可以得到工作面對空氣的需求量在1547～2063m3/min之間。

2.通風(fēng)技術(shù)方案設(shè)計

(1)方案設(shè)計

①單次掘進(jìn)通風(fēng)設(shè)計方案。在掘進(jìn)巷道圍巖中噴出的瓦斯量關(guān)系到施工人員的人身安全，因此，在巷道內(nèi)的瓦斯含量不能超過1%。在礦山開采中，選擇合適的通風(fēng)設(shè)備或風(fēng)筒來降低煤巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，可以保證煤巷的安全開采。第一個方案為一次回采，其原理圖如圖1所示，在東大巷1180m巷1600m的巷道中進(jìn)行了試驗。

圖1 單次掘進(jìn)通風(fēng)方案示意圖

②分兩段掘進(jìn)通風(fēng)設(shè)計方案。第二類通風(fēng)方式為分段通風(fēng)方式，根據(jù)各階段所需空氣的不同需求來確定各階段的通風(fēng)方式。

該采區(qū)運輸巷，回風(fēng)順槽巷，排放巷三巷平行開挖至700m時，應(yīng)開挖出一條連接巷，使得三巷互通，這樣就可以將整條巷道分成兩個部分進(jìn)行通風(fēng)，這種方法能有效地縮短局部通風(fēng)路線，在聯(lián)絡(luò)巷中，通過在兩條巷道間安裝風(fēng)閥，可對巷道進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到完全負(fù)壓的目的。

在第一階段中，由圖2（a）中所示的部分通風(fēng)系統(tǒng)來對掘進(jìn)工作面進(jìn)行通風(fēng)。第二期聯(lián)絡(luò)巷完成后，對聯(lián)絡(luò)巷西面的巷道采用完全負(fù)壓通風(fēng)，對其他巷道采用局部通風(fēng)方式，見圖2（b）。

圖2 分兩段掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

(2)結(jié)果對比

①技術(shù)方面。方案一中一次開挖可以實現(xiàn)長距離通風(fēng)，但隨著開挖深度的增大，巷道內(nèi)的總風(fēng)阻也隨之增大，因此需要進(jìn)行多次抽采。同時，由于方案一中所用輸風(fēng)筒較長，所以在系統(tǒng)遠(yuǎn)行的過程中，需要進(jìn)行大量的維護(hù)。在方案二中，將送風(fēng)分為兩個部分，使送風(fēng)過程變得更短，同時也方便了各部分的管理。由于分步開采的送風(fēng)筒體積小，極大地提升了維修和保養(yǎng)的便捷性。巷道中風(fēng)阻的變化整體平穩(wěn)，可以進(jìn)行二次集中抽采。

②費用方面。方案一由于空氣輸送管道較長，因此在施工時，空氣輸送管道的成本相對較高，而且還需要通過膠帶輸送機(jī)等輔助設(shè)備來實現(xiàn)。方案二因為修建了聯(lián)絡(luò)巷，所以這一部分的造價是最大的。另外，方案二輸風(fēng)筒的建造和后期的維修成本都要比方案一低得多。通過實證分析得出，備選方案一的成本約為備選方案二的4倍左右。

因此，在巷道通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)中采用方案二。

3.效果分析

（1）試驗結(jié)果。采用二次采煤工藝在103工作面上進(jìn)行了施工，試驗情況如下：

在第一階段初期，采用JBT-11型局部通風(fēng)機(jī)及600mm輸送風(fēng)管，在掘進(jìn)深度至272m時，工作面瓦斯涌出量增大，后巷中瓦斯含量達(dá)最大值；現(xiàn)在換成了一臺30kW的DF系列對轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)。在圖3中，我們可以看到一段時間內(nèi)的風(fēng)量和瓦斯涌出量隨時間變化的曲線。從圖表上可以看到，隨著巷道長度的增大，所需要的空氣與瓦斯的涌出量也隨之增大。

圖3 掘進(jìn)初期掘進(jìn)長度與風(fēng)量、瓦斯涌出量關(guān)系圖

在巷道掘進(jìn)過程中，瓦斯的排放量持續(xù)上升，增加一臺30kW對流風(fēng)機(jī)，并在后巷增加一臺JBT-11局部通風(fēng)器，3臺風(fēng)機(jī)同時工作，將空氣輸送到排放巷，排放巷總供風(fēng)長度為1248m，圖4為隨著掘進(jìn)長度的變化，通風(fēng)量與瓦斯排放量的變化趨勢。從曲線上可以看到，隨著風(fēng)扇的增大，氣體排放的濃度將達(dá)到一個穩(wěn)定的水平。

圖4 掘進(jìn)中期掘進(jìn)長度與風(fēng)量、瓦斯涌出量關(guān)系圖

可以發(fā)現(xiàn)，工作面的進(jìn)風(fēng)口空氣流量為2100m3/min，回風(fēng)口空氣流量2257m3/min，給整個工作面的通風(fēng)作業(yè)帶來一定難度。與此同時，瓦斯含量的的變化與巷道長度呈正相關(guān)。在其他工作環(huán)境不變的情況下，排放巷中的風(fēng)機(jī)停止運轉(zhuǎn)，煤層瓦斯的涌出速率也隨之下降。在排放巷的中段，巷道的風(fēng)量和瓦斯涌出量與巷道的距離曲線見圖5。

圖5 掘進(jìn)后期掘進(jìn)長度與風(fēng)量、瓦斯涌出量關(guān)系圖

副聯(lián)絡(luò)巷的開掘地點是沿著排放巷方向，回風(fēng)方向840n，排放巷最大長度為1250m，采用60kW的對輪風(fēng)機(jī)，將空氣送到800m的聯(lián)絡(luò)巷及掘進(jìn)面，采用30kW的對輪風(fēng)機(jī)，將空氣送到排放巷，并將后巷中的瓦斯進(jìn)行稀釋。從而使副聯(lián)絡(luò)巷貫通，通風(fēng)模式得到調(diào)節(jié)，供風(fēng)系統(tǒng)得到了優(yōu)化。

二次聯(lián)絡(luò)巷施工完畢并貫通后，可大大縮短通風(fēng)距離，使巷道的通風(fēng)變得更加方便。與前幾次相比，1180巷在距離103聯(lián)絡(luò)巷20～110m的距離上都設(shè)置了局部換氣扇。在完全負(fù)壓通風(fēng)條件下，瓦斯含量低于0.05%，通過對部分通風(fēng)機(jī)進(jìn)行布置，排放巷中瓦斯含量最低可達(dá)0.17%，最高可達(dá)0.22%，在運輸順槽中瓦斯含量最低可達(dá)0.28%，最高可達(dá)0.32%。在排放巷回風(fēng)順槽中，隨巷道長度的增大，采用2個對置式旋風(fēng)送風(fēng)，而在輸送順槽中采用2個28kW的2JBT-62風(fēng)機(jī)。對1631m的排放巷完成了改造，在排風(fēng)巷后方420m的位置設(shè)置運輸順槽，并在該段形成一個新的采場，并沿西向進(jìn)行延伸。

第二段排放巷隨掘進(jìn)距離的增大，整個排放巷開挖完成后，掘進(jìn)距離與風(fēng)量和瓦斯涌出量的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 全部掘完后掘進(jìn)長度與風(fēng)量、瓦斯涌出量關(guān)系圖

（2）先抽后掘。通過對該礦區(qū)的地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)103號瓦斯排放巷在采煤過程中，排放巷的掘進(jìn)位置始終在回風(fēng)順槽前方150m處，回風(fēng)順槽的掘進(jìn)位置始終在運輸順槽前方200m處。在巷道持續(xù)開挖的過程中，煤層中的瓦斯?jié)B出越來越多，這時應(yīng)從排放巷到回風(fēng)順槽成孔，采用先抽氣后卸壓的方法，從回風(fēng)方向到輸送方向上的長孔，降低了巷道內(nèi)的瓦斯涌出，降低了巷道內(nèi)的瓦斯壓力。通過現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)采用抽采方式后，回采20m范圍的煤層氣絕對流失量降低0.5～0.8m3/min。

排放巷與回風(fēng)順槽完全貫通后，在排放巷中形成了19個鉆場，其中排放巷14個鉆場，91個鉆孔，鉆井總長度為17km，每年可抽取的瓦斯總量為244.9萬立方米。

（3）注意事項。當(dāng)工作面風(fēng)道出現(xiàn)出風(fēng)不暢，風(fēng)量顯著降低時，應(yīng)立即切斷電源，停止有關(guān)操作，并迅速將現(xiàn)場人員從進(jìn)風(fēng)道迅速撤離至輔助運巷口，并向上級報告。在對通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行管理和維修的時候，禁止采取任何可能會影響到通風(fēng)效果的行為，例如：一次打開兩道風(fēng)門，擅自調(diào)整風(fēng)窗，改變風(fēng)量的大小。不能有2臺以上的無軌膠輪，不能有130kW以上的總功率。本裝置能同時監(jiān)控工作面中的甲烷、CO、O2、N2、H2等12種氣體。為了保證工作面的安全，應(yīng)在瓦斯傳感器上實現(xiàn)高壓斷電和瓦電源閉鎖。

4.結(jié)論

晉能控股裝備制造集團(tuán)某煤礦為典型的高瓦斯礦山，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)對各方案進(jìn)行比較，得到以下幾點結(jié)論：

（1）針對礦山復(fù)雜的施工環(huán)境及通風(fēng)狀況，給出了兩個施工方案，并對其進(jìn)行了定量分析，得出了方案二較好的效果。

（2）在東面試驗場地，采用“排風(fēng)巷—回風(fēng)道—運輸?shù)馈钡氖┕し椒?，可調(diào)回風(fēng)管和輸送管的收放期，從而提高了施工效率。

（3）經(jīng)實踐計算，在完全負(fù)壓通風(fēng)條件下，瓦斯含量低于0.05%，排放巷中瓦斯的含量在0.17%～0.22%之間，在運輸順槽中，瓦斯含量在0.28%～0.32%之間，在巷道內(nèi)，瓦斯含量滿足了通風(fēng)的需要。