誠意煤礦5105工作面均壓通風技術探索

趙軍榮

(內蒙古伊泰煤炭股份有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

誠意煤礦井田內共有可采煤層4層：3、4-2、5、6號層，其中5、6號層為全井田可采的穩定煤層，3號層為局部零星可采的穩定煤層，4-2層為零星可采的不穩定煤層。由于溝谷切割較發育[1-3]，將3#、4-2煤層切割得支離破碎，致使北部地區零星分布、不連續。因此，對3#煤及4-2煤采用露天剝離的方法進行回采，回采時由于煤炭露天氧化[4-6]，造成局部著火。同時因5#煤層與上部煤層同時開采，上部煤層著火后，有毒有害氣體有可能通過裂隙導入5#煤層[7]，對5#煤層的開采造成安全隱患，因此在5105工作面回采時進行均壓通風技術探索，消滅安全隱患，保證安全生產。

1 工程概況

1.1 工作面概況

誠意煤礦5105工作面位于井田南部，東鄰、南鄰井田邊界(經調查兩相鄰煤礦均無采動)，西起南翼輔運大巷，北鄰5104工作面(已回采)。

1.2 工作面技術參數及回采工藝

工作面采用綜合機械化采煤，一次采全高、全部垮落法管理頂板。采面選用ZY6800/09/19型掩護式支架，有效通風斷面為7.65 m2，工作面傾斜長度為216 m，走向長度為1 428.7 m，煤層平均厚度為1.76 m，煤層傾角平均為1°～3°，底板標高為1 274～1 285 m，循環進度為0.8 m。兩順槽高度均2.45 m，寬度均為4.5 m。輔運順槽、運輸順槽回采長度均為1 428.7 m，輔運順槽安設設備列車，長度約80 m，運輸順槽安設DSJ100/55/2×160型膠帶運輸機。

1.3 與上覆采空區及鄰近礦區的關系

上覆4#煤層層間距33 m，平均厚度2.9 m，過去采用房柱式開采遺留大量的煤柱，現采用露天剝離方式回收煤柱，現已剝離大部分，只有少部沒有剝離，剝離部分都已回填，回填厚度15～25 m，平均20 m，回填物為煤層覆蓋剝離物。根據2011年10月煤炭科學研究總院為誠意煤礦提供的《礦井水文地質類型劃分報告》，5#煤層開采所產生的導水裂縫帶高度

(1)

式中：M—回采厚度，m。因此，在目前綜采采高為1.76 m的條件下，5#煤覆巖導水裂隙帶高度為20.83 m，未觸及4#煤層采空區。考慮到再增加20 m的安全距離后裂隙帶高度為40.83 m，超過了33 m的層間距。經實測，5105工作面上方已全部剝離并覆蓋完畢，地面觀測此范圍無發火跡象未發現烷烴類、烯烴類火災標志性氣體，為預防5105工作面回采期間采空區裂隙導通地表覆蓋區內部遺煤，造成自燃，影響井下安全生產，所以進行均壓通風方法以消除潛在的安全隱患。

2 均壓通風方法確定的影響因素

2.1 外部因素分析

考慮到5105工作面上部4#煤火區未剝離范圍可能含有殘余一氧化碳氣體。通過氣體取樣檢測分析，目前未發現烷烴類、烯烴類火災標志性氣體，其它各種氣體符合《煤礦安全規程》規定。剝離后回填區域存在高溫煤矸石氧化，可能造成工作面上隅角有毒有害氣體超限，影響正常回采。

2.2 本煤層防滅火影響

由于5#煤層頂板為泥巖、砂質泥巖和細粒砂巖組成的復合型頂板，工作面隨采隨冒，跟進及時。5#煤采高小，回采率高，采空區遺留的浮煤少，且采面頂板局部有淋水現象，采面沿走向有1°～3°的仰角，生產過程中的涌水進入采空區，根據前幾個采面觀察，采空區未出現自然發火征兆，綜合考慮后，確定采用均壓通風是科學、安全、合理的方法。

3 均壓通風設計

均壓通風技術的目的是改變采面內外壓差，從而控制漏風和風流交換，控制有毒有害氣體向采煤工作面或巷道泄漏。本次設計均壓通風是提高采面空間內的絕對氣壓，抑制采空區或采空區上部火區有毒有害氣體涌入工作面，從而平衡采空區漏風壓差或改變采空區壓力方向，減少漏風或改變漏風方向、防止上覆4#煤層的火區一氧化碳等有害氣體涌入采煤工作面。按照礦井均壓防滅火技術規范(MT/T626—1996)有關技術要求，設計如下。

3.1 風量計算

按甲烷(或二氧化碳)涌出量計算：

Q采=100·q瓦采·Kc

(2)

式中：q瓦采—工作面的平均瓦斯絕對涌出量，1.684 m3/min(依據內蒙古安科檢驗公司2012年度礦井瓦斯等級鑒定報告)；Kc—工作面瓦斯涌出不均衡的備用風量系數，取1.5。故Q采= 100×1.684×1.5=252.6 m3/min。

按工作面溫度選擇適宜的風速進行計算：

Q采=60×Vc×Sc×Ki

(3)

式中：Vc—均壓通風狀態下工作面適宜風速，取1.0 m/s；Sc—采煤工作面有效斷面，取7.65 m2；Ki采面長—工作面長度系數，取1.5。故Q采=60×1.0×7.65×1.5=688.5 m3/min。

按工作面同時作業人數計算：

Q采=4·N

(4)

式中：N—工作面同時工作的最多人數，取40人。則Q采=4×40=160 m3/min。

5105工作面上覆巖層覆蓋厚度35～100 m，只要對采空區塌陷及時治理，采空區漏風率較小，考慮采空區漏風量在15～30 m3/min左右，并考慮1.5倍的富裕系數。依據以上計算，設計5105回采工作面配風量為700 m3/min。根據《煤礦安全規程》規定，按采煤工作面最低風速0.25 m/s，最高風速為4 m/s的要求進行驗算。則綜合機械化回采工作面，0.25·60S采1≤Q普≤4·60S采2；S采1—最大控頂距，5.4 m2；S采2—最小控頂距4.7 m2，81 m3/min≤700 m3/min≤1 128 m3/min。經風速驗算，回采工作面的風量定為700 m3/min滿足要求。

3.2 風壓設計

通風阻力定律見式(5)

(5)

式中：α—摩擦阻力系數，取0.029，kg/m3;L—巷道長度，1 494.5 m；U—巷道斷面周長，2×(2.45+4.5)=13.9 m；s—巷道的凈斷面積，4.5×2.45-0.15=10.875 m2，其中0.15為設備列車影響面積；Q—巷道流過的風量，700/60=11.667 m3/s。

均壓通風未開啟時5105輔運順槽通風阻力，可依式(5)計算，即

回風順槽調節風窗阻力(局部通風阻力)的大小，取決于在5105工作面采用局部升壓后，其回風順槽風壓要克服并大于地面相對于礦井整個負壓系統作用在其回風順槽上的負壓影響。在礦井全負壓系統狀態下，5105工作面回風順槽最末端F處的負壓如上述計算為-300 Pa。即回風順槽調節風窗阻力(局部通風阻力)應為300 Pa。

(6)

通過上述計算回風順槽調節風窗面積應為0.3 m2，取0.8 m2便于調節。均壓通風開啟后5105工作面通風阻力合計為176.99+300=476.99 Pa。

考慮到礦井自然風壓-3.2 Pa(數據來自2012年5月內蒙古安科安全生產檢測檢驗有限公司)，風機風筒及出風口壓力損失1 150 Pa，采用局扇和調節風窗方式對5105綜采面均壓，壓力提升選擇200 Pa，則風機選擇風壓應大于(-3.2)+1 150+476.99+200=1 823.79 Pa。

在實際應用中要注意觀察地面、井下絕對壓力及風機風量和漏風情況，并根據采面推進度通過調節風窗面積達到工作面所需風量和絕對壓力，本工作面均壓通風效果可根據回風順槽施工的鉆孔風流方向始終向上，并通過水柱計顯示0～6 mm H2O監測調整。

3.3 風機選型

考慮到本井田后續工作面有可能繼續采用均壓通風方法，故選擇通風機時盡量選擇偏大型號，目前煤礦FBDY№8.0/2×75kW型礦用隔爆型壓入式對旋軸流局部通風機，經實測該風機風量8～20 m3/s，風壓1 860～5 160 Pa。可滿足工作面需要。風機特性曲線如圖1所示。

圖1 對旋軸流局部通風機性能曲線

3.4 均壓系統的構成和相關要求

均壓風機：在5105輔回撤通道均壓風機專用通道內安設兩臺均壓風機，一臺工作，一臺備用。在與輔運順槽交叉口處構筑一道擋風墻(JY-1)，擋風墻距輔運順槽開口點20 m，墻體厚度不小于500 mm，在擋風墻體上安設一個φ1 000 mm鐵質風筒，并用特制風筒與鐵質導風筒相聯接，要求聯接處嚴密不漏風。鐵質導風筒自動切換擋風板要轉動靈活，出風口側安設調壓閥門。

無壓風門：在5105輔運順槽距開口點10 m處構筑一組無壓風門(JY-2)，風門之間安設聲光報警器。風門要開啟靈活，關閉嚴密，風門要聯鎖(連鎖鋼絲繩要牢固并可解除)，并設置風門開閉傳感器。

皮帶預留口：在5105運輸順槽與5105輔回撤交叉口向工作面方向4 m處構筑一組帶皮帶預留口和小行人門的調節風窗(JY-3)。要求墻體跨在皮帶上，調節風窗高度1 000 mm，寬度1 200 mm，皮帶預留口高度1 100 mm，寬度1 400 mm，預留口上部和兩側安設寬度10 mm的皮帶條做成的擋風簾，減少漏風。小行人門高度1 200 mm，寬度800 mm，每道小行人門要安設能自動關閉的彈簧裝置，小行人門之間安設聲光報警裝置。

密閉墻：為保證5105工作面均壓通風系統穩定、可靠，在主回撤通道與輔運順槽交叉口處、在主、輔回撤通道與運輸順槽繞道處構筑厚度為500 mm的密閉墻，并在運輸順槽繞道構筑一組無壓風門(構筑位置詳見均壓后通風系統示意圖)。確保設施施工質量，防止工作面泄壓。

水柱計：在均壓風機均壓墻外和5105運輸順槽第一道調節風窗(靠皮帶機頭側)外分別安裝水柱計，便于隨時觀測、掌握5105工作面的壓力情況。

安裝要求：均壓風機供電系統安裝要求均壓風機供電線路、控制開關等設施需滿足負荷。均壓風機必須采用“三專”供電線路，并實現“雙風機雙電源自動切換”和“風電閉鎖、瓦電閉鎖”功能(詳見均壓風機供電圖和機電設備布置圖)。

3.5 傳感器的安裝

工作面按AQ1029—2007標準安設甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、風速傳感器。工作面甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.5%，回風巷甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.0%，斷電范圍均為工作面及回風巷中全部非本質安全型電氣設備，復電濃度均為<1.0%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。傳感器吊掛標準為距頂板不大于0.3 m，距煤幫不小于0.2 m。監控傳感器要實行掛牌管理，監測中心24 h不間斷監測。

為防止循環風導致工作面有毒有害氣體超限，在均壓風機入風口前5 m處安設一組甲烷、一氧化碳傳感器。甲烷傳感器報警濃度為≥0.5%，斷電濃度為≥0.5%，斷電范圍均為輔運順槽、工作面及回風巷中全部非本質安全型電氣設備，復電濃度為<0.5%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。

在5105運輸順槽800 m鉆孔下風側不大于10 m處巷道頂板安設一組甲烷、一氧化碳和煙霧傳感器。甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.5%，斷電范圍為工作面及回風巷中全部非本質安全型電氣設備，復電濃度為<1.0%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。

在皮帶機頭處、上隅角擋風簾以里1.5 m處安設束管監測裝置，其前端安設水分過濾器，實現24 h監測采空區氣體變化情況，發現問題，及時處理。

在工作面頭、中、尾部以及工作面兩順槽每隔200 m處分別安設均壓風機開停聲光報警裝置，使工作面人員隨時掌握均壓風機運轉情況。

3.6 風量調節及試運轉

調節5105運輸順槽調節風窗的面積或風筒出口面積控制工作面的風量和壓力，使工作面有毒有害氣體不超限，初步調整工作面風量為700 m3/min，風壓為200 Pa(以800 m處鉆孔水柱計顯示為準，水柱計皮膠管一端通向鉆孔里，一端接在水柱計玻璃管上，接膠管的一端玻璃管水柱比未接膠管的玻璃管水柱高出20 mm)。

均壓風機的風量必須根據工作面實際需要風量來確定，在滿足最大均壓值和保證工作面通風、除塵及良好的工作環境的條件下，應盡量采取低風量通風。

工作面均壓系統建成后，必須進行試運轉，并經礦聯合驗收小組驗收合格后，方投入使用。5105工作面均壓前、后通風系統示意圖如圖2、3所示。

圖2 5105工作面均壓前通風系統示意圖

4 結語

5105工作面采用正壓通風經過近6個月的回采，共回收煤炭資源約70萬t，回采期間風量始終控制在700～750 m3/min，與地表大氣壓差始終控制在100～400 Pa之間，運輸順槽調節風窗面積調整為0.2～0.4 m2，工作面溫度15～18 ℃。回采期間上隅角一氧化碳濃度為60～95 ppm，最高達到195 ppm，工作面一氧化碳濃度始終控制在8～22 ppm，回風流一氧化碳濃度為10～16 ppm，其他有毒有害氣體均無異常，采空區漏風量控制在15～30 m3/min之間，期間未出現任何安全事故，通風效果良好，為礦井的安全生產積累了經驗。

圖3 5105工作面均壓后通風系統示意圖