頂板灰?guī)r抽采系統(tǒng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響的研究

王云龍

(義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 介休 032000)

通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯抽采系統(tǒng)作為煤礦的兩大主要系統(tǒng),為保障礦井的安全生產(chǎn)起到重要的作用,尤其是隨著采掘深度的加大,煤層瓦斯涌出量增大,抽采系統(tǒng)作為解決瓦斯問題的有效手段,在礦井普遍運(yùn)用，準(zhǔn)確地測量通風(fēng)系統(tǒng)各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量就顯得尤為重要。由于礦井內(nèi)部涌出各種氣體及外部裂隙,一般情況下會(huì)導(dǎo)致總回風(fēng)量大于總進(jìn)風(fēng)量,但由于各種緣由,會(huì)造成不同情況的出現(xiàn)。

1 礦井概況

山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱“義棠煤業(yè)”下同)井田面積17.726 km2,保有儲(chǔ)量1.4億t,可采儲(chǔ)量9 400萬t。批準(zhǔn)可采煤層4層(1#，2#，9#，10#煤層),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180 萬t/a。礦井分兩個(gè)水平開采,上組煤水平開采1#、2#煤層,下組煤水平開采9#、10#煤層。煤田內(nèi)的斷層均為開放型斷層,屬于張性斷裂,落差較大(一般10 m以上),且井田內(nèi)延伸長度大,這些斷層為瓦斯向上運(yùn)移提供了通道。1#、2#煤層的上覆巖層含有中細(xì)粒砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖等,這樣的巖性組合不利于瓦斯的保存,導(dǎo)致1#、2#煤層瓦斯含量低。K2石灰?guī)r上覆于9#煤層頂板,層位穩(wěn)定,平均厚度8.14 m,受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響,K2石灰?guī)r及其上部的K3、K4灰?guī)r節(jié)理發(fā)育,透氣性較好,利于9#、10#及11#煤層瓦斯的儲(chǔ)存;而K2、K3、K4灰?guī)r之間夾雜灰泥巖或炭質(zhì)泥巖,這些泥巖和炭質(zhì)泥巖具有結(jié)構(gòu)致密、透氣性差的特點(diǎn),使瓦斯不能繼續(xù)向上逸散,致使灰?guī)r充當(dāng)了瓦斯的儲(chǔ)集層,導(dǎo)致9#、10#及11#煤層瓦斯含量含量低,K2、K3、K4灰?guī)r中儲(chǔ)存了大量游離狀態(tài)的瓦斯[1-2]。礦井綜合柱狀圖見圖1。

圖1 礦井綜合柱狀圖Fig.1 Stratum histogram in the mine

根據(jù)華北科技學(xué)院編制的《礦井瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告》,1#、2#、9+10#煤層瓦斯含量預(yù)測最大值分別為4.5，3.5，4.6 m3/t。

義棠煤業(yè)通風(fēng)方式為中央分列式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式,共布置5個(gè)井筒,四進(jìn)一回。5個(gè)井筒包括行人斜井、主斜井、副斜井、2#進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng),3#回風(fēng)立井回風(fēng)。風(fēng)井工業(yè)廣場建有地面瓦斯抽采系統(tǒng),分別為高濃度抽采系統(tǒng)和低濃度抽采系統(tǒng)。高濃度抽采系統(tǒng)范圍為下組煤西翼專用回風(fēng)巷和瓦斯抽采巷；低濃度抽采系統(tǒng)抽采范圍為100507回采工作面上隅角和部分鉆孔,其中上隅角采取插管抽采。鉆孔全部為頂板鄰近層穿層鉆孔布置,抽采K2、K3石灰?guī)r內(nèi)瓦斯。

2 問題及原因分析

2.1 發(fā)現(xiàn)問題

隨著礦井采掘深度的延伸,生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出量增加,主要集中在下組煤西翼區(qū)域。為有效解決瓦斯安全隱患,充分利用瓦斯這一清潔能源,公司建立并使用地面瓦斯抽采系統(tǒng),對礦井下組煤西翼區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采。上組煤不符合抽采系統(tǒng)的建立標(biāo)準(zhǔn),且通風(fēng)系統(tǒng)能解決瓦斯問題,故未建立抽采系統(tǒng)。抽采系統(tǒng)運(yùn)行之后,礦井測風(fēng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),礦井總回風(fēng)量小于總進(jìn)風(fēng)量,主要集中在下組煤西翼區(qū)域,異于礦井以往測量結(jié)果,給通風(fēng)管理帶來困擾。同時(shí),在下組煤西翼各采掘順槽頂板裂隙處都不同程度地出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象,距離抽采鉆場越近,吸氣情況越發(fā)明顯。

2.2 原因分析及建立模型

2.2.1原因分析

發(fā)現(xiàn)這一情況后,首先排除了測量儀器的故障及人員測量失誤,確認(rèn)總回風(fēng)風(fēng)量減少的事實(shí)。同時(shí),統(tǒng)計(jì)礦井相關(guān)歷史數(shù)據(jù)資料，實(shí)地測量相關(guān)參數(shù),結(jié)合本礦井較為特殊的抽采系統(tǒng)綜合分析,認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的主要原因是瓦斯抽采系統(tǒng),其通過9+10#煤直接頂K2石灰?guī)r內(nèi)豐富的節(jié)理構(gòu)造等通道,吸入礦井風(fēng)量,造成礦井總回風(fēng)風(fēng)量減少[3]。

2.2.2建立模型及說明

1)根據(jù)原有分析,建立本礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡單模型示意圖,見圖2。

圖2 現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Current ventilation system of the mine

礦井進(jìn)風(fēng)經(jīng)過井下各用風(fēng)地點(diǎn)后,再加上礦井本身涌出的各種氣體,通過回風(fēng)立井排出礦井,但部分風(fēng)量通過巷道裂隙、管路破口等通道進(jìn)入瓦斯抽采系統(tǒng)排出礦井[4]。其數(shù)學(xué)公式為:

Qj+Qy=Qh+Qc，

Qc=Qj+Qy-Qh.

(1)

式中:Qj為礦井總進(jìn)風(fēng)風(fēng)量,m3/min;Qy為礦井內(nèi)部涌出各種氣體量,m3/min;Qh為礦井總回風(fēng)風(fēng)量,m3/min;Qc為礦井抽采系統(tǒng)吸風(fēng)量,m3/min。

2)數(shù)值的解釋說明。首先,公式(1)中各風(fēng)量數(shù)值均為標(biāo)況值,標(biāo)況參數(shù)選定為壓力101.3 kPa,溫度20 ℃。實(shí)測數(shù)據(jù)需進(jìn)行換算[5]。依據(jù)理想氣態(tài)平衡方程pV=nRT,換算公式為:

(2)

式中:Qo為標(biāo)況風(fēng)量,m3/min;Q為實(shí)測風(fēng)量,m3/min;t為測風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)流溫度,℃;p為測風(fēng)地點(diǎn)大氣壓力,kPa。

其次,礦井抽采系統(tǒng)吸風(fēng)量的計(jì)算公式如下:

Qc=Qz-Qb.

(3)

式中:Qc為礦井抽采系統(tǒng)吸風(fēng)量,m3/min;Qz為礦井抽采系統(tǒng)總抽采混量,m3/min;Qb為礦井煤層(或鄰近層)補(bǔ)給瓦斯量,m3/min。不同煤層或巖層的瓦斯補(bǔ)給濃度有所差異,需根據(jù)不同的瓦斯賦存條件及瓦斯來源進(jìn)行具體分析。

最后,礦井內(nèi)部涌出各種氣體量需根據(jù)各礦井歷史測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過計(jì)算得出其值。

2.3 實(shí)踐計(jì)算

2.3.1數(shù)據(jù)的采集

1)儀器及地點(diǎn)選取。為保證本次測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需保證測量數(shù)據(jù)儀器完好。抽采系統(tǒng)數(shù)據(jù)依據(jù)KJ350型礦井瓦斯抽采在線監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)定期進(jìn)行人工檢測校對,數(shù)據(jù)可靠有效。通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)依據(jù)人工檢測,儀器主要包括風(fēng)表、空盒氣壓表、干球溫度計(jì)。

2)數(shù)據(jù)整理匯總。11月22日,兩組人員進(jìn)行井下風(fēng)量測量,記錄各地點(diǎn)測量風(fēng)量及相關(guān)參數(shù),并讀取抽采在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

2.3.2驗(yàn)算分析

1)礦井總進(jìn)回風(fēng)驗(yàn)算。根據(jù)礦井歷史風(fēng)量測量數(shù)據(jù),礦井涌出氣體量取150 m3/min,查表帶入數(shù)值,得Qc=Qj+Qy-Qh=438.8 m3/min。

通過對比發(fā)現(xiàn),該數(shù)值與抽采系統(tǒng)吸入空氣量實(shí)際檢測值427.94 m3/min接近。考慮到測量數(shù)據(jù)誤差,基本可認(rèn)為二者相等模型處理。

2)下組煤總進(jìn)回風(fēng)驗(yàn)算。根據(jù)礦井歷史風(fēng)量測量數(shù)據(jù),礦井涌出氣體量取110 m3/min,查表帶入數(shù)值，得Qc=Qj+Qy-Qh=436.0 m3/min。

通過對比發(fā)現(xiàn),該數(shù)值與抽采系統(tǒng)吸入空氣量實(shí)際檢測量427.94 m3/min接近。考慮到測量數(shù)據(jù)誤差,基本可認(rèn)為二者相等,模型處理。

表1 11月22日瓦斯抽采系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of gas drainage system (Nov. 22)

表2 11月22日礦井風(fēng)量數(shù)據(jù)Table 2 Air volume of the mine (Nov. 22)

3)上組煤總進(jìn)回風(fēng)驗(yàn)算。根據(jù)礦井歷史風(fēng)量測量數(shù)據(jù),礦井涌出氣體量取40 m3/min,查表帶入數(shù)值，得Qc=Qj+Qy-Qh=2.8 m3/min。

通過計(jì)算可知,上組煤由于未建立瓦斯抽采系統(tǒng),故其總進(jìn)回風(fēng)基本符合一般規(guī)律。

綜合上述,礦進(jìn)的漏風(fēng)主要是在下組煤水平,原因是地面瓦斯抽采系統(tǒng)吸入漏風(fēng)造成的。

3 結(jié)論

通過實(shí)地測量并分析可知,直接頂灰?guī)r抽采對巷道通風(fēng)系統(tǒng)有著較為明顯的影響,其通過裂隙等通道吸入礦井風(fēng)量,造成礦井有效風(fēng)量減少，抽采系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，可能引起煤層自燃等情況。故一經(jīng)發(fā)現(xiàn)類似情況,需及時(shí)進(jìn)行全面排查,及時(shí)堵漏,確保通風(fēng)系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。