高瓦斯易燃煤層綜放面風(fēng)量優(yōu)化技術(shù)研究

梅 勇

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與采礦技術(shù)的提高，國內(nèi)綜放面的規(guī)模和產(chǎn)量得到一定提高，工作面的日單產(chǎn)甚至最高達(dá)到了50 kt[1]。目前，國內(nèi)相關(guān)礦井已采取布置單尾巷或雙尾巷的通風(fēng)方式解決大采長綜放面瓦斯排放問題并取得一定成效，但高瓦斯易燃煤層在布置雙尾巷后使得工作面風(fēng)量分配等回采參數(shù)隨之改變。因此，對大采長、布置雙尾高瓦斯綜放面風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，確保大采長高瓦斯易燃煤層綜放面高效安全生產(chǎn)。

1 大采長、雙尾巷K8202綜放面概況

K8202工作面位于陽煤集團(tuán)三礦15號煤層，工作面走向長1 334 m，傾斜長260.4 m，面積0.347 km2。采用“四六”制作業(yè)制度，三班生產(chǎn)，一班檢修。年工作日為300 d。工作面循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，日循環(huán)個(gè)數(shù)4個(gè)，日進(jìn)3.2 m，月進(jìn)96 m。煤層平均厚度為6.39 m，工作面長 260.4 m，循環(huán)產(chǎn)量1661.89 t，日產(chǎn)量6 647.56 t，生產(chǎn)能力核定定為19.943萬t/月。工作面服務(wù)年限為14個(gè)月。通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

綜放面正?；夭善陂g絕對瓦斯涌出量 16.26 m3/min～65.16 m3/min之間。煤自燃傾向性為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。最短自燃發(fā)火期23 d，煤層自燃發(fā)火頻繁[2]。采空區(qū)自燃“三帶”分布為:散熱帶寬度為0 m～13 m左右，氧化帶寬度13 m～43 m左右。瓦斯與火共存，給工作面的安全生產(chǎn)造成巨大的威脅。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的合理性、可靠性分析

分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的合理性、可靠性，有利于工作面風(fēng)量優(yōu)化結(jié)果更加合理。

1)礦井通風(fēng)方式及通風(fēng)系統(tǒng)對礦井安全的保證程度和措施:陽煤三礦采用抽出式通風(fēng)方式，此方式使井下風(fēng)流處于負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)主扇因故停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，井下風(fēng)流壓力的提高可抑制采空區(qū)瓦斯的涌出，是國內(nèi)外礦井最常用的一種方式。礦井采用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，各分區(qū)有獨(dú)立的通風(fēng)線路，互不影響，并都設(shè)有專用回風(fēng)巷道，通風(fēng)設(shè)施齊全，該通風(fēng)系統(tǒng)可保證井下各用風(fēng)地點(diǎn)正常通風(fēng)。本系統(tǒng)對于該礦井是合理的。2)礦井風(fēng)量與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)對安全的保證程度:礦井風(fēng)量根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》按實(shí)際需要量計(jì)算及分配，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常測量各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量及各種參數(shù)，及時(shí)調(diào)整風(fēng)量。3)礦井安全出口及保證措施:4個(gè)安全出口，分別為副立井、聯(lián)合材料斜井、聯(lián)合進(jìn)風(fēng)井及東西畛進(jìn)風(fēng)井。安全出口內(nèi)均設(shè)置行人臺階或梯子間可用于人員上下。4個(gè)井筒是井下通往地面的4個(gè)安全出口，只要進(jìn)行定期檢查維修，這些安全出口的安全性就是有保障的。

3 K8202綜放面一般風(fēng)量考察

3.1 K8202綜放面風(fēng)量核算

K8202綜放面配風(fēng)量根據(jù)工作面最大班工作人數(shù)、稀釋割煤及放煤后涌出的有害氣體，確保工作面有適宜作業(yè)的空氣環(huán)境。配風(fēng)量按上述要求分別計(jì)算，并選取其中的最大值為工作面一般風(fēng)量，核算結(jié)果[3]如下:

工作面同時(shí)工作最多人數(shù):

其中，Q礦為工作面風(fēng)量，m3/min;4為人均每分最低需風(fēng)量，4 m3/min;N為工作面同時(shí)最多人數(shù)，N=120人。

工作面瓦斯涌出量:

其中，Q采為回采工作面實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min;qCH4為工作面平均絕對瓦斯涌出量，10 m3/min;K為工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)，一般取1.2～2.1，取K=1.55。

工作面氣溫與風(fēng)速關(guān)系:

其中，Q采為工作面實(shí)際需風(fēng)量總和，m3/min;V為工作面風(fēng)速，取 V=2.0 m/s;S為工作面的平均斷面積，7.8 m2。

從以上分類計(jì)算中取其最大者，則Q采=1 550 m3/min。在工作面風(fēng)量核算最大風(fēng)量為2 000 m3/min以內(nèi)。

3.2 K8202綜放面風(fēng)量驗(yàn)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定對綜放工作面所需風(fēng)量進(jìn)行驗(yàn)算。其中工作面順槽最大凈斷面積S=13.5 m2，工作面巷道最小凈斷面積 S=8.36 m2。

1)按工作面滿足最低風(fēng)速要求驗(yàn)算:Q采≥0.25×60×8.36=125.4 m3/min，符合要求。2)按工作面滿足最高風(fēng)速要求驗(yàn)算:Q采≤4×60×13.5=3 240 m3/min，符合要求。故 K8202綜放面最大風(fēng)量取1 550 m3/min，符合要求。

4 K8202綜放面風(fēng)量優(yōu)化技術(shù)研究

在風(fēng)道斷面優(yōu)化理論[4]基礎(chǔ)及礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論[5]基礎(chǔ)上，結(jié)合通風(fēng)量考察，本節(jié)對15號煤層大采長、雙尾巷高瓦斯易燃煤層綜放面K8202風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)工作面實(shí)際情況，結(jié)合工作面歷史風(fēng)量分配和瓦斯?jié)舛惹闆r，利用最優(yōu)化軟件求解并分析得出工作面風(fēng)量優(yōu)化結(jié)果。K8202工作面2009年 6月 4日～2009年7月14日的最大風(fēng)量、最小風(fēng)量、平均風(fēng)量、最大瓦斯?jié)舛?、最小瓦斯?jié)舛?、平均瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 K8202工作面風(fēng)量瓦斯統(tǒng)計(jì)表

K8202工作面最小瓦斯涌出量為50.32 m3/min，最大瓦斯涌出量為167.05 m3/min，平均瓦斯涌出量為 123.37 m3/min，平均瓦斯抽放率為89.98%。

工作面瓦斯涌出量計(jì)算公式:

其中，Q為工作面瓦斯涌出量，m3/min;ˉQ為工作面統(tǒng)計(jì)平均瓦斯涌出量，m3/min;C為工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.4。

按上式計(jì)算，工作面K8202的瓦斯涌出量為172.72 m3/min。

根據(jù)工作面的歷史瓦斯數(shù)據(jù)和風(fēng)量數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井實(shí)際情況對工作面風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化。

按最優(yōu)化軟件的要求，結(jié)合工作面風(fēng)量優(yōu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用全局最優(yōu)化軟件對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 K8202工作面風(fēng)量優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語

1)在考慮瓦斯涌出量的不均勻性，結(jié)合巷道允許的最大瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行工作面風(fēng)量優(yōu)化，所取參數(shù)符合現(xiàn)場實(shí)際情況，優(yōu)化結(jié)果是合理的。2)根據(jù)K8202工作面煤最短自然發(fā)火期與氧化帶到工作面的距離可以得出，保證綜放面自燃防治安全的最低月推進(jìn)度為56 m。3)工作面自燃防治與瓦斯治理相反，工作面風(fēng)量只要不高于該風(fēng)量，就能達(dá)到煤層自燃防治效果。4)增大工作面的風(fēng)量，會增加采空區(qū)、支架頂煤及尾巷附近松散煤體的自燃危險(xiǎn)性，應(yīng)加強(qiáng)自燃預(yù)測預(yù)報(bào)和防治工作。

[1] 游 浩，李寶玉，張福喜.陽泉礦區(qū)綜放面瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2008:3.

[2] 陽泉三礦K8202工作面煤樣最短自燃發(fā)火期實(shí)驗(yàn)報(bào)告[R].重慶:煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，2009.

[3] 黃元平.礦井通風(fēng)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4] 張國樞.礦井實(shí)用通風(fēng)技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

[5] 陳開巖.礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化理論及應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.