復雜地質工況下高瓦斯礦井巷道通風技術探析

＊張 偉

（晉能控股裝備制造集團長平煤業公司 山西 048000）

瓦斯是一種在礦井開采中形成的無色無味的氣體，在標準狀態下，其密度為0.716kg/m3，透氣性是空氣的1.6倍，在一定的環境下，其含量高達一定范圍，可導致人窒息，嚴重者可引發火災和爆炸。瓦斯通常以游離狀態或依附于煤的形式存在于煤層中，在開采時，易產生大量的瓦斯氣體，若得不到及時有效的通風，在高瓦斯、復雜的地質環境中，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為例，在掘進過程中，研究在復雜的地質環境下如何進行有效的通風。在此基礎上，應提升通風系統運行的可靠性，根據采場工作的不同情況及時調節風量，從而實現了煤層瓦斯含量的有效控制，確保了煤層的安全。

1.地質概況

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

采區中的煤層賦存較為穩定，偽頂板為碳質泥巖，厚度約2m，正頂板下部為鋁質泥巖，自下而上，鋁質泥巖在煤層中不斷降低，直至變成泥巖；直接頂的厚度變化很大，從2.87m到7.74m不等，老頂以砂、泥兩相為主，有明顯的西薄東厚傾向。采區煤層以弱粘性、不粘性為主，因其所在區域的地質構造比較復雜，在地殼運動作用下，煤層被擠壓、牽引，煤層的整體結構已經被破壞，其內部結構變得松散，在其上部有一定的塑性流。

該礦區共設置了五口進風井、三口回風井，形成了一個完整的整體通風體系。井下通風系統的特點是采用了分段對角機抽放通風的方法。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回采工作面共設置了3個巷道，即瓦斯排放巷、回風巷、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。回風道與運輸道都是底板巷，底板巷與頂板巷并聯。結合本礦實際情況，發現103采區存在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.通風技術方案設計

(1)方案設計

①單次掘進通風設計方案。在掘進巷道圍巖中噴出的瓦斯量關系到施工人員的人身安全，因此，在巷道內的瓦斯含量不能超過1%。在礦山開采中，選擇合適的通風設備或風筒來降低煤巷內的瓦斯濃度，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的巷道中進行了試驗。

圖1 單次掘進通風方案示意圖

②分兩段掘進通風設計方案。第二類通風方式為分段通風方式，根據各階段所需空氣的不同需求來確定各階段的通風方式。

該采區運輸巷，回風順槽巷，排放巷三巷平行開挖至700m時，應開挖出一條連接巷，使得三巷互通，這樣就可以將整條巷道分成兩個部分進行通風，這種方法能有效地縮短局部通風路線，在聯絡巷中，通過在兩條巷道間安裝風閥，可對巷道進行調整，達到完全負壓的目的。

在第一階段中，由圖2（a）中所示的部分通風系統來對掘進工作面進行通風。第二期聯絡巷完成后，對聯絡巷西面的巷道采用完全負壓通風，對其他巷道采用局部通風方式，見圖2（b）。

圖2 分兩段掘進通風系統示意圖

(2)結果對比

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

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等輔助設備來實現。方案二因為修建了聯絡巷，所以這一部分的造價是最大的。另外，方案二輸風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，在巷道通風系統建設中采用方案二。

3.效果分析

（1）試驗結果。采用二次采煤工藝在103工作面上進行了施工，試驗情況如下：

在第一階段初期，采用JBT-11型局部通風機及600mm輸送風管，在掘進深度至272m時，工作面瓦斯涌出量增大，后巷中瓦斯含量達最大值；現在換成了一臺30kW的DF系列對轉鼓風機。在圖3中，我們可以看到一段時間內的風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 掘進初期掘進長度與風量、瓦斯涌出量關系圖

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

圖4 掘進中期掘進長度與風量、瓦斯涌出量關系圖

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

圖5 掘進后期掘進長度與風量、瓦斯涌出量關系圖

副聯絡巷的開掘地點是沿著排放巷方向，回風方向840n，排放巷最大長度為1250m，采用60kW的對輪風機，將空氣送到800m的聯絡巷及掘進面，采用30kW的對輪風機，將空氣送到排放巷，并將后巷中的瓦斯進行稀釋。從而使副聯絡巷貫通，通風模式得到調節，供風系統得到了優化。

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

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

圖6 全部掘完后掘進長度與風量、瓦斯涌出量關系圖

（2）先抽后掘。通過對該礦區的地質調查，發現103號瓦斯排放巷在采煤過程中，排放巷的掘進位置始終在回風順槽前方150m處，回風順槽的掘進位置始終在運輸順槽前方200m處。在巷道持續開挖的過程中，煤層中的瓦斯滲出越來越多，這時應從排放巷到回風順槽成孔，采用先抽氣后卸壓的方法，從回風方向到輸送方向上的長孔，降低了巷道內的瓦斯涌出，降低了巷道內的瓦斯壓力。通過現場實測，發現采用抽采方式后，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。當工作面風道出現出風不暢，風量顯著降低時，應立即切斷電源，停止有關操作，并迅速將現場人員從進風道迅速撤離至輔助運巷口，并向上級報告。在對通風設施進行管理和維修的時候，禁止采取任何可能會影響到通風效果的行為，例如：一次打開兩道風門，擅自調整風窗，改變風量的大小。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，應在瓦斯傳感器上實現高壓斷電和瓦電源閉鎖。

4.結論

晉能控股裝備制造集團某煤礦為典型的高瓦斯礦山，其通風系統設計是煤礦安全生產的重要環節，經對各方案進行比較，得到以下幾點結論：

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

（2）在東面試驗場地，采用“排風巷—回風道—運輸道”的施工方法，可調回風管和輸送管的收放期，從而提高了施工效率。

（3）經實踐計算，在完全負壓通風條件下，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，瓦斯含量滿足了通風的需要。