均壓通風(fēng)技術(shù)在采面回風(fēng)隅角低氧治理中的應(yīng)用

趙澤鑫

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

0 引言

山西某礦開(kāi)采煤層為近距離煤層群，煤層埋深較淺，采面在回采時(shí)采動(dòng)裂隙容易與上覆采空區(qū)、地面裂隙等聯(lián)通，形成漏風(fēng)通道。礦井采用抽出式負(fù)壓通風(fēng)，在通風(fēng)負(fù)壓影響下容易導(dǎo)致本煤層采空區(qū)、鄰近層采空區(qū)等有害氣體向回采空間涌出，導(dǎo)致采面瓦斯、一氧化碳超標(biāo)或者氧氣濃度偏低，特別是回風(fēng)隅角位置氧氣濃度偏低問(wèn)題較為突出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量氧氣濃度僅為13%，給煤炭安全回采帶來(lái)較大威脅。為確保采面生產(chǎn)安全，提出采用在采面采用均壓通風(fēng)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好效果。

1 工程概況

山西某礦5203 綜采工作面位于二盤(pán)區(qū)中部，采面設(shè)計(jì)走向、傾向長(zhǎng)度分別為1 890 m、352 m，設(shè)計(jì)回采的5#煤層傾角1°～5°，厚度3.9 m，埋深平均180～220 m，采用一次采全高開(kāi)采方式。5203 綜采工作面采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式。

5203 綜采工作面上覆為3# 煤層3201、3203 綜采工作面采空區(qū)，5# 煤層與3# 煤層層間距在27～42 m，層間巖性以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖以及粉砂巖為主；3#煤層上覆為2#煤層采空區(qū)，2#煤層由于受小煤窯開(kāi)采破壞影響，煤層不可采且2#煤層內(nèi)采空區(qū)分布位置不詳、采空區(qū)條件復(fù)雜。5203 綜采工作面回采期間上覆采空區(qū)有害氣體向回采空間涌入問(wèn)題十分突出，導(dǎo)致回風(fēng)隅角位置氧氣濃度偏低。

2 均壓通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用

2.1 均壓通風(fēng)技術(shù)概述

均壓通風(fēng)技術(shù)是通過(guò)局部通風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)風(fēng)窗以及風(fēng)門(mén)等通風(fēng)設(shè)施調(diào)整采面進(jìn)、回風(fēng)巷間風(fēng)壓差，從而降低采空區(qū)與漏風(fēng)點(diǎn)間壓差，抑制有害氣體向回采空間涌出[1-3]。采用均壓通風(fēng)時(shí)保持采面風(fēng)量不變，具體均壓通風(fēng)示意圖見(jiàn)圖1 所示，將均壓風(fēng)機(jī)安裝在進(jìn)風(fēng)巷靠近采面一側(cè)并在回風(fēng)巷內(nèi)布置調(diào)節(jié)風(fēng)窗，從而提高采面內(nèi)絕對(duì)壓力[4-5]。

圖1 采面均壓通風(fēng)示意圖

5203 綜采工作面通過(guò)均壓通風(fēng)技術(shù)，使得采面處于相對(duì)封閉的正壓狀態(tài)，具體采用均壓通風(fēng)技術(shù)后采面通風(fēng)系統(tǒng)布置情況見(jiàn)圖2 所示。

圖2 均壓通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用后采面通風(fēng)系統(tǒng)圖

2.2 均壓風(fēng)機(jī)型號(hào)確定及通風(fēng)設(shè)置布置情況

2.2.1 均壓風(fēng)機(jī)型號(hào)確定

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，5203 綜采工作面回采時(shí)需風(fēng)量Q采可通過(guò)公式（1）計(jì)算[6-8]:

式中：v采為采面正常回采時(shí)風(fēng)速，m/s；S有效為采面正常回采期間有效通風(fēng)斷面積，m2；K采長(zhǎng)、K采高分別為采面采長(zhǎng)、采高調(diào)整系數(shù)。

結(jié)合5203 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況計(jì)算得到Q采=1 470 m3/min。

5203 綜采工作面采用均壓通風(fēng)技術(shù)時(shí)，采面升壓最大值Δh 可通過(guò)公式（2）計(jì)算：

式中：h 與采面漏風(fēng)點(diǎn)有關(guān)聯(lián)的主要通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓值，Pa；h2為采面末端至主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐間的最大風(fēng)壓損失，Pa。

5203 綜采工作面采用均壓通風(fēng)，采用U 型管測(cè)試得到礦井主要通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓差為1 300 Pa。5203綜采工作面末端與主要通風(fēng)機(jī)間通風(fēng)路線為：5203綜采工作面回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→2 盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷→2 盤(pán)區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→2#煤回風(fēng)大巷→2#煤回風(fēng)暗立井→總回風(fēng)大巷→引風(fēng)硐。5203 綜采工作面末端與主要通風(fēng)機(jī)間通風(fēng)路線通風(fēng)阻力可通過(guò)公式（3）計(jì)算：

式中：α 為通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L 為巷道長(zhǎng)度，m；S 為巷道斷面積，m3；U 為巷道周長(zhǎng)，m；Q 為巷道風(fēng)量，m3/s。結(jié)合采面通風(fēng)系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)情況，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

表1 通風(fēng)參數(shù)及通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果

從表1 得知，h2=492.5 Pa，結(jié)合公式（2）求得Δh=807.5 Pa。結(jié)合以往通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果，5203 綜采工作面最大通風(fēng)阻力h3=110 Pa，5203 綜采工作面采用均壓通風(fēng)時(shí)選用的局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力應(yīng)大于h3+Δh=917.5 Pa?？紤]到5203 綜采工作面采用均壓通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)存在一定的漏風(fēng)情況，因此選用的局部用風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓應(yīng)大于917.5 Pa。礦井井下現(xiàn)采用的型號(hào)FBCZ-6-NO16/75 局部通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓為1 340 Pa，通風(fēng)風(fēng)壓可滿足5203 綜采工作面均壓通風(fēng)需要，為此5203 綜采工作面均壓通風(fēng)選用FBCZ-6-NO16/75 局部通風(fēng)機(jī)，具體該通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2 所示。

表2 均壓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2.2 通風(fēng)設(shè)置布置

將局部通風(fēng)機(jī)安裝在5203 輔回撤通道與5203輔運(yùn)巷間距為10 m 位置施工均壓風(fēng)硐，在風(fēng)硐內(nèi)安裝2 臺(tái)型號(hào)均為FBCZ-6-NO16/75 局部用風(fēng)機(jī)。在5203 輔運(yùn)巷內(nèi)裝設(shè)一組均壓自動(dòng)風(fēng)門(mén)，在均壓通風(fēng)期間風(fēng)門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài)。在5203 主運(yùn)巷巷口處施工2 道跨帶式輸送機(jī)的密閉墻，厚度均為0.4 m；在5203 移變列車(chē)通道位置密閉改造為規(guī)格1 m×1 m的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，便于實(shí)現(xiàn)采面通風(fēng)壓差調(diào)節(jié)。在5203 輔運(yùn)巷頂頭位置布置一個(gè)規(guī)格1 m×1 m 的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，以便調(diào)節(jié)采面壓差以及風(fēng)量。

在5203 綜采工作面回采巷道內(nèi)通過(guò)布置上述通風(fēng)設(shè)施，使得采面處于相對(duì)密閉的空間。使用均壓通風(fēng)機(jī)向采面內(nèi)供風(fēng)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整5203 回風(fēng)巷內(nèi)調(diào)節(jié)風(fēng)窗斷面調(diào)節(jié)采面供風(fēng)量，通過(guò)增大采面通風(fēng)壓力、減少采面與采空區(qū)間壓差，減少采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢量。

3 均壓通風(fēng)效果分析

5203 綜采工作面內(nèi)均壓通風(fēng)設(shè)置布置完畢后，在2021 年5 月開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，并根據(jù)采面現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)壓差以及通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，依據(jù)回風(fēng)隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)氣體成分確定最佳的壓差及風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)了均壓通風(fēng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。開(kāi)啟均壓通風(fēng)機(jī)后并調(diào)整回風(fēng)巷內(nèi)調(diào)節(jié)風(fēng)窗開(kāi)口面積，將調(diào)節(jié)風(fēng)窗前后壓差控制在500 Pa 左右，使得采面與采空區(qū)間壓差相近，采面漏風(fēng)量控制在45 m3/min 以內(nèi)。

在使用均壓通風(fēng)系統(tǒng)前后，間隔2 h 測(cè)定一次回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角位置氣體成分，具體測(cè)定的回風(fēng)隅角位置CO、O2濃度變化情況見(jiàn)圖3 所示。在采用均壓通風(fēng)技術(shù)前，回風(fēng)隅角位置φ（CO）在0.002 1%～0.002 7%間、φ（O2）值在11%～15%，采用均壓通風(fēng)技術(shù)后回風(fēng)隅角φ（CO）控制在0.001 0%～0.001 3%，O2濃度值則穩(wěn)定到20%左右。通過(guò)均壓通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用，成功解決了采空區(qū)有害氣體向回采空間大量涌入問(wèn)題，減少了采面通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)量。

圖3 均壓通風(fēng)系統(tǒng)前后回風(fēng)隅角CO、O2 濃度變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用均壓通風(fēng)技術(shù)，改變了采面以及采空區(qū)內(nèi)通風(fēng)壓力分布情況，可大幅減少采空區(qū)漏風(fēng)量，從而有效解決采空區(qū)有害氣體大幅向回采空間涌出威脅，降低回風(fēng)隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)CO 濃度，提高回風(fēng)隅角位置氧氣濃度。在均壓通風(fēng)期間，應(yīng)結(jié)合采面推進(jìn)情況、大氣壓力變化情況以及采面內(nèi)壓差、氣體成分以及風(fēng)量變化情況等，調(diào)整均壓通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量及壓差，確保均壓通風(fēng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

5203 綜采工作面采用均壓通風(fēng)技術(shù)后，采面漏風(fēng)量控制在45 m3/min 以內(nèi)，回風(fēng)隅角位置φ（O2）由11%～15%提升至20%左右，φ（CO）由0.002 1%～0.002 7%降至10～13 ppm，現(xiàn)場(chǎng)取得較好應(yīng)用成果。