在工作面上隅角瓦斯治理中均壓系統(tǒng)的建立

高廷瑞

(陽煤集團(tuán)二礦, 山西 陽泉市 045000)

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的提高,煤炭產(chǎn)量逐年增加,煤礦開采條件逐漸復(fù)雜,不少工作面出現(xiàn)了瓦斯及有害氣體超限現(xiàn)象。某煤礦為治理3303工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限問題,采用了均壓通風(fēng)技術(shù),本文針對(duì)均壓系統(tǒng)的建立進(jìn)行了研究,對(duì)準(zhǔn)確治理瓦斯問題具有借鑒意義。

1 工程背景

某煤礦3＃煤層3303工作面從開切眼開始推進(jìn)60 m左右時(shí),出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象,其中工作面上隅角CH4含量為0.9%,CO2為2.2%,回風(fēng)巷O2濃度15%。經(jīng)過綜合分析,最終礦方采用均壓通風(fēng)技術(shù)對(duì)上隅角瓦斯超限問題進(jìn)行治理。

均壓通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有多樣性,主要是通過改變調(diào)節(jié)風(fēng)窗、局部通風(fēng)機(jī)、調(diào)壓氣室等設(shè)施相互組合來實(shí)現(xiàn)。8＃層工作面要求抑制采空區(qū)內(nèi)瓦斯等有害氣體涌向工作面,同時(shí)要求均壓系統(tǒng)減少采空區(qū)漏風(fēng),保證工作面安全生產(chǎn)。通過文獻(xiàn)檢索、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,最終選用如圖1所示的采用局扇與調(diào)節(jié)風(fēng)窗組成的均壓通風(fēng)系統(tǒng)。

2 均壓通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 工作面需風(fēng)量

(1)按工作面溫度和風(fēng)速,計(jì)算公式為：

式中,Qi為第i個(gè)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量,m3/min;Vi為第i個(gè)工作面風(fēng)速,m/s(見表1);Si為第i個(gè)工作面的平均斷面積,m2,估算為6 m2;Ki為第i個(gè)工作面面長調(diào)整系數(shù),查表取1.1,計(jì)算得594 m3/min,即9.9 m3/s。

圖1 綜放工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)

表1 采煤工作面空氣溫度與合適風(fēng)速對(duì)應(yīng)

(2)按人數(shù)計(jì)算,公式為：

式中,Ni為第i個(gè)工作面同時(shí)最多工作人數(shù),人;則Qi＝4×20＝80 m3/min。

(3)按瓦斯涌出量計(jì)算,公式為：

式中,q為工作面瓦斯絕對(duì)涌出量,m3/min;根據(jù)礦井瓦斯鑒定資料,取3.0 m3/min;Ki為備用風(fēng)量系數(shù),取1.5,代入式(3)得,452 m3/min,即7.5 m3/s。

(4)按巷道最低風(fēng)速驗(yàn)算,Qi＝15×Si＝90 m3/min。

(5)按巷道最高風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算,Qi＝240×Si＝1440 m3/min。

經(jīng)計(jì)算,按工作面的氣溫和風(fēng)速計(jì)算出的風(fēng)量最大,結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際,參考臨近礦井配風(fēng)數(shù)據(jù),為保證采空區(qū)不產(chǎn)生大量漏風(fēng)現(xiàn)象,回采工作面風(fēng)量確定為9.9 m3/s,礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中可根據(jù)瓦斯涌出和井下氣溫條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2 調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積

在回風(fēng)巷設(shè)置一個(gè)矩形帶拉板的窗口,其下設(shè)置自動(dòng)閉鎖風(fēng)門,如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)風(fēng)窗

該煤業(yè)公司礦山通風(fēng)采用機(jī)械抽出式負(fù)壓通風(fēng),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),井上下實(shí)際壓差為450～1450 Pa。因此,只有保證均壓區(qū)內(nèi)風(fēng)壓高于均壓區(qū)外的風(fēng)壓強(qiáng)度,且其壓差值維持在450～1450 Pa之間,才能確保工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯及有害氣體不會(huì)大量涌入工作面上隅角,造成威脅。

式中,Q為工作面風(fēng)量,m3/s;Sw為回風(fēng)巷斷面面積,m2;hw為風(fēng)門的阻力,Pa,即風(fēng)門兩側(cè)連接的U型管的壓差。

工作面需風(fēng)量取594 m3/min,均壓區(qū)內(nèi)外壓差取500 Pa,通過上式計(jì)算可得,本次研究設(shè)計(jì)的風(fēng)窗面積為0.55 m2。

2.3 局部通風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)該礦井實(shí)際通風(fēng)情況,同時(shí)考慮密閉墻處刮板輸送機(jī)口及采空區(qū)的漏風(fēng)量,確定局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量必須大于894 m3/min,才能滿足工作面通風(fēng)要求。綜上所述,本次研究工作面選用FBDNO－8－2×45 k W對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)。

2.4 均壓系統(tǒng)的布置

圖3、圖4為該煤礦均壓通風(fēng)系統(tǒng)布置,由圖可知,均壓系統(tǒng)布置主要是在運(yùn)輸順槽口設(shè)置2道間距為5 m的密閉墻,并在其留設(shè)刮板機(jī)口上預(yù)埋2個(gè)鐵風(fēng)筒,同時(shí)安設(shè)風(fēng)門。上文選型設(shè)計(jì)的局部通風(fēng)機(jī)向回采工作面壓風(fēng),使回采工作面形成正壓通風(fēng)方式。

在回風(fēng)順槽口上同樣設(shè)置2道密閉墻,其上布置有風(fēng)窗、風(fēng)門和導(dǎo)氣管。同時(shí)安設(shè)U型水柱計(jì),監(jiān)測(cè)密閉墻兩側(cè)的風(fēng)壓差。

圖3 進(jìn)風(fēng)巷均壓系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)施安裝示意

圖4 回風(fēng)巷均壓系統(tǒng)安裝示意

若仍不滿足通風(fēng)要求,可以采用更換風(fēng)量更大的局部通風(fēng)機(jī)或減小風(fēng)窗開口面積;如果增壓值過大,則通過增大風(fēng)門的通風(fēng)面積,降低增壓值。

2.5 均壓系統(tǒng)的建立

均壓設(shè)施構(gòu)筑完成后,開始對(duì)3303工作面建立均壓。風(fēng)流穩(wěn)定后測(cè)得風(fēng)量為606 m3/min,上隅角CH4濃度為0.26%,CO2濃度為0.5%,O2濃度為19.7%。為保證本次研究均壓通風(fēng)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、可靠性,對(duì)上隅角、回風(fēng)流中的CH4、CO2及CO濃度進(jìn)行24 h跟進(jìn)監(jiān)測(cè),上隅角CH4濃度始終處于0.2%左右,CO2濃度始終處于0.5%以下;回風(fēng)流中CH4、CO2濃度均穩(wěn)定在0.1%左右。

啟動(dòng)均壓通風(fēng)系統(tǒng)后,減小了漏風(fēng)通道兩端的壓差,明顯降低了3＃煤層工作面有害氣體的涌出速度,有效解決了工作面瓦斯及有害氣體濃度較高的問題,在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

3 結(jié) 論

本文以某煤礦3303工作面發(fā)生瓦斯超限問題為研究背景,采用均壓通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行治理。通過理論計(jì)算及分析對(duì)比后,確定了均壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、設(shè)備選型及系統(tǒng)布置方式,研究結(jié)論如下：

(1)根據(jù)降壓減風(fēng)的原則,回采工作面風(fēng)量推薦為9.9 m3/s;設(shè)計(jì)風(fēng)窗的面積為0.55 m2,寬為0.46 m,高為1.2 m,面積0～0.55 m2可調(diào);選擇FBDNO－8－2×45 k W對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)。

(2)在理論研究的基礎(chǔ)上,提出了工作面正壓通風(fēng)方式,并在回風(fēng)側(cè)的密閉墻上設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗,從而對(duì)工作面的風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)工作面的風(fēng)壓,在回風(fēng)側(cè)密閉墻安設(shè)U型水柱計(jì),以便能夠及時(shí)了解工作面的風(fēng)壓,從而通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗的大小控制工作面的風(fēng)壓。

(3)啟動(dòng)均壓通風(fēng)系統(tǒng)后,風(fēng)流穩(wěn)定后測(cè)得風(fēng)量為606 m3/min,上隅角CH4濃度為0.26%,CO2濃度為0.5%,O2濃度為19.7%。3＃工作面有害氣體的涌出問題得到了有效控制,取得了很好的效果。