礦井間斷通風瓦斯積聚機理及防治技術研究

仇婷婷 李金龍

山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602

在礦井生產過程中瓦斯含量超標嚴重影響生產的進行，隨著機械化水平的不斷提高，采空區垮落面積越來越大，采空區賦存的瓦斯和工作面開采過程中的瓦斯回流至巷道上隅角等地方，一旦發生煤與瓦斯突出事故，將對礦井造成巨大的損失。采空區是瓦斯聚集的主要地方，大量瓦斯的涌出嚴重影響了安全生產，不僅影響設備的運行，更危及到工作人員的生命安全[1]。本文針對礦井間斷通風期間瓦斯積聚的問題，對通風系統進行了改進，并取得了良好的應用效果。

1 間斷通風產生原因及影響

1.1 間斷通風產生的原因

即使礦井通風系統中的風流滿足《煤礦安全規程》，因為通風系統的不穩定也會造成氣體濃度變化超過標準范圍。造成通風系統不穩定的因素有很多，一般分為兩類：一類是正常通風情況下的不穩定現象，一般往往是主通風線路穩定，分支通風因為停機、反向等原因不穩定；另外一種則是會引起災變的不穩定通風。目前，造成礦井間斷通風的主要因素主要有三種：主通風機故障造成的風流停風；巷道風阻過大造成了間斷通風現象；風機運行正常，倒機過程中造成的常規停風[2]。本文主要研究正常通風情況下風機倒機過程中造成的間斷通風，這種情況下引起間斷通風的主要因素是主通風機的不穩定造成，最終導致了供風不足，嚴重情況下導致通風系統的失穩。

1.2 間斷通風的影響

目前礦井采用抽出式通風，該通風系統中風流循環線路如下：新鮮風流從風井進入巷道，經過回采工作面后，最終通過回風大巷流經回風井排放到空氣中。在整個通風系統中，主通風機和備用風機在交換的過程中，電動機的啟動、停止造成了間斷通風現象的發生，風機倒機過程如下：關閉主通風機的電機，通過控制風機閥門，關閉了主通風機的運轉，隨后打開備用風機，運行備用風機，整個倒機過程持續約10min，10min的間斷通風，瓦斯將通過煤層的孔隙結構向外不斷擴散，雖然礦井有相應的瓦斯抽采管，但是當煤層埋深較大時，采動將極大改善煤層的結構，促進瓦斯的涌出，涌出的瓦斯與新鮮風流混合在一起排到地面，倒機過程中，風流不穩定，瓦斯并不能及時的排出地面，因此造成了瓦斯濃度超標的現象。

2 采空區及工作面瓦斯分析

隨著工作面開采、采空區頂板的垮落下沉，煤層在應力擾動下出現明顯的裂紋，裂紋的擴張發育為瓦斯氣體的流動提供了便利通道，因此了解采空區及工作面附近的瓦斯濃度變化對安全生產有重要意義。一般而言，采空區因為通風條件差、受到開采煤層與未開采煤層的共同作用，瓦斯濃度變化也更加復雜，基于此原因，對采空區瓦斯濃度進行考量時需要作出一定的假設，假設如下：

（1）當巷道內沒有風流時，采空區瓦斯呈現均勻分布的狀態，實際情況下，即使處于無風狀態，采空區瓦斯濃度也是會有一定差異的，但是為了得到瓦斯濃度差引起的瓦斯流動擴散能力，只能假設無通風狀態下瓦斯呈現均勻分布。

（2）實際情況下，采空區深部的瓦斯濃度較高，瓦斯氣體在封閉空間內會隨著時間的積累逐漸積聚，如果沒有抽采措施，采空區瓦斯含量將會特別高，本文中，假設采空區瓦斯濃度的變化只與工作面漏風有關，對于瓦斯濃度低于1%的部分進行研究，確定了影響瓦斯濃度的變量因素只是間斷通風造成。

（3）忽略臨近煤層以及尾巷等對采空區瓦斯濃度的影響。

（4）工作面瓦斯涌出量包括掘進過程中瓦斯的涌出量，對于過渡區域的瓦斯涌出量應該分為采空區和工作面兩部分。

過渡區域瓦斯濃度的測試方法如下：在過渡區域空間均勻分為5個區域，每個區域內分別布置間距為0.9m的9個測點，為了避免測量結果的偶然性，多次測量求平均值，通過計算便可得到過渡區域內工作面瓦斯涌出量和采空區瓦斯涌出量的值。

計算得到圖1所示的過渡區域瓦斯濃度變化曲線，從圖中可以看出，不同界面內瓦斯濃度都呈現先降低后增加的趨勢，即每個斷面內都存在最低濃度區，總體而言，最低濃度區一般出現在距離煤壁4-6m的位置，造成這種現象的主要原因是工作面漏風所致。實際測量數據顯示，漏風對于中間斷面的影響最大，在距離工作面煤壁6m的位置瓦斯濃度值才達到最低。此外，對于截面Ⅴ而言，在距離工作面煤壁4m的位置瓦斯濃度值達到最低，此時和采空區的距離達到4m，由此便可得到過渡區域內工作面瓦斯涌出量比值為55.6%，采空區瓦斯涌出量比值為44.4%。

圖1 過渡區域瓦斯濃度變化曲線

3 間斷通風解決方案

礦井目前的通風方式存在諸多問題，主要原因是在倒機的10min過程中，礦井出現間斷通風，造成了瓦斯含量超標，考慮到井下通風系統的安全穩定性以及成本問題，對通風系統做出調整，改進后的礦井通風系統示意圖如圖2所示，該通風系統主要由風機、對空風門以及蝶閥組成，通過電動機驅使蝶閥平衡，保證了電機的穩定運行，同時減少了通風過程中的阻力，提高了兩臺風機的重排速度。具體過程如下：先打開備用風機A，同時打開相應的阻尼器，此時風機A開始運行，空氣經過阻尼器流經巷道，通過通風井流出；隨后緩慢關閉風機A和與其對應的阻尼器，并打開風機B和與其對應的阻尼器；之后打開備用風機，緩慢關閉風機B和與其對應的阻尼器；最后完全關閉風機A和與其對應的阻尼器，風機B和與其對應的阻尼器也需完全關閉。需要注意的是，在整個倒機過程中，風機運行頻率無需改變，按照原頻率運行即可。

圖2 改進后的礦井通風系統示意圖

風機倒機過程中參數如表1所示，

表1 風機倒機過程中電機運行參數

從表中可以看出，改進后的通風方案下，整個倒機過程大約持續1min，相較之前的10min明顯降低，無論是一級電機還是二級電機，在整個倒機過程中運行穩定，無異常振動現象，風機的流速范圍為135.20 m3/s-159.32 m3/s之間，通量的最大變化率小于10%，整個通風系統穩定性良好，同時監測倒機過程中巷道內瓦斯含量的變化，氣體濃度維持在穩定值，滿足安全生產的需求。

4 結束語

針對礦井倒機過程間斷通風造成的瓦斯含量超標的問題，進行了瓦斯濃度氣體的監測，并提出了連續通風方案，在方案的基礎上進行了實際應用，取得了良好的應用效果，倒機過程中風機運行穩定，整個通風系統穩定性良好，有效改善了間斷通風期間瓦斯超標的現象，為安全生產提供了保障。