綜放工作面升壓通風(fēng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析

張建國(guó)

(西山煤電集團(tuán)公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030200)

綜放工作面升壓通風(fēng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析

張建國(guó)

(西山煤電集團(tuán)公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030200)

以恒寶源礦8101工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合工作面鉆探結(jié)果，分析了采用升壓通風(fēng)系統(tǒng)的原因，通過(guò)理論計(jì)算分析，提出該工作面升壓通風(fēng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，并指出升壓過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。實(shí)踐表明：綜放工作面升壓通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案在治理CO超限以及確保O2濃度方面取得了較好的效果。

綜放工作面；升壓通風(fēng)；優(yōu)化分析；風(fēng)量計(jì)算

1 工作面概況

恒寶源9#層8101工作面煤層平均厚度為9.5 m，煤層傾角7°～15°,采高2.8 m，工作面順槽長(zhǎng)457 m，面長(zhǎng)120 m，總面積52 790 m2.采用綜采放頂煤開(kāi)采，煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級(jí)Ⅱ級(jí)，自然發(fā)火期為72天。4#層與9#層的層間距為35.5～40 m.

9#層8101工作面現(xiàn)風(fēng)量為714 m3/min,回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大為0.26 m3/min，回采工作面絕對(duì)二氧化碳涌出量最大為1.25 m3/min.

9#層8101工作面南部與擔(dān)水溝斷層相鄰，北部為9#層8103工作面，同層無(wú)采空區(qū)，上覆原上磨石礦4#層采空區(qū)。原上磨石礦4#層采空區(qū)面積8 000 m2，無(wú)積水，有CO氣體，氣體最大濃度為100 mg/m3.原上磨石礦開(kāi)采過(guò)程中，在4#煤層兩處發(fā)生過(guò)自燃。由于原上磨石礦于1996年關(guān)閉，且無(wú)原始資料，著火點(diǎn)位置、影響區(qū)域無(wú)法估計(jì)。

2 工作面采用升壓通風(fēng)的原因

9#層8101工作面探放水孔中2#孔位于2101巷N7測(cè)點(diǎn)后8 m處，方位355°、傾角58°，鉆孔55 m處開(kāi)始見(jiàn)采空區(qū)虛煤，鉆孔不返水，經(jīng)核實(shí)，該鉆孔與上覆4#層原上磨石煤礦采空區(qū)探通，61 m終孔。其余2個(gè)鉆孔未探到采空區(qū)。2#孔探通后對(duì)孔內(nèi)氣體進(jìn)行取樣化驗(yàn)，分析結(jié)果如下：CO濃度最大100 mg/m3、CO2濃度8.5%、O2濃度7.1%、甲烷濃度0.28%、乙烯濃度0.006 9%.

9#層8101工作面開(kāi)采過(guò)程中，由于上覆原4#層上磨石礦采空區(qū)存在有害氣體，隨著本工作面采空區(qū)的塌落，極可能與4#層原上磨石礦采空區(qū)塌通，塌通后一方面影響9#層8101工作面的風(fēng)量，另一方面造成有害氣體的流入，若存在漏風(fēng)通道(如地表裂縫)有可能造成4#層原火區(qū)復(fù)燃。

因此，為防止9#層8101工作面開(kāi)采期間受到上覆4#層原上磨石煤礦采空區(qū)有害氣體的影響，保證工作面回采過(guò)程中作業(yè)人員的人身安全，需在該工作面建立升壓通風(fēng)系統(tǒng)。

3 風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

3.1 風(fēng)量計(jì)算

1) 按氣象條件計(jì)算。

Q采=60×70%×V采×S采×K采高×K面長(zhǎng)=60×70%×1.0×(4.9+4.3)/2×2.8×1.2×1.1=714 (m3/min)

式中：

V采—采煤工作面的風(fēng)速，m/s；

S采—采煤工作面的平均有效斷面積，按最大和最小控頂有效斷面的平均值計(jì)算，m2；

K采高—采煤工作面采高調(diào)整系數(shù)；

K面長(zhǎng)—采煤工作面長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù)；

70%—有效通風(fēng)斷面系數(shù)；

60—單位換算產(chǎn)生的系數(shù)。

2) 按照瓦斯涌出量計(jì)算。

Q采=125×q采CH4×K采CH4=125×0.26×2.5=81.25 (m3/min)

式中：

q采CH4—采煤工作面回風(fēng)流中平均絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；

K采CH4—采煤工作面瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，放頂煤工作面取2.5；

125—按采煤工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔粦?yīng)超過(guò)0.8%的換算系數(shù)。

3) 按照二氧化碳涌出量計(jì)算。

Q采=67×q采CO2×K采CO2=67×1.25×2=167.5 (m3/min)

式中：

q采CO2—采煤工作面回風(fēng)流中平均絕對(duì)二氧化碳涌出量；

K采CO2—采煤工作面二氧化碳涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，取2.0，如果實(shí)際測(cè)定值大于2.0時(shí)，取實(shí)際測(cè)定值(實(shí)際測(cè)定值為正常生產(chǎn)條件下，連續(xù)觀測(cè)1個(gè)月，且最大絕對(duì)二氧化碳涌出量與月平均日二氧化碳絕對(duì)涌出量的比值)；

67—按采煤工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔粦?yīng)超過(guò)1.5%的換算系數(shù)。

4) 按工作人員數(shù)量計(jì)算。

Q采≥4N采≥4×40≥160 (m3/min)

式中：

N采—采煤工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)(交接班)，人，取40；

4—每人需風(fēng)量，m3/min.

取上述各條件計(jì)算的最大值做為采煤工作面的實(shí)際需要風(fēng)量，為714 m3/min.

5) 按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。

驗(yàn)算最小風(fēng)量：

Q采≥60×0.25S控max≥60×0.25×9.6≥144 (m3/min)

S控max=1控max×h采高×70%=4.9×2.8×70%=9.6 (m2)

驗(yàn)算最大風(fēng)量：

Q采≤60×4.0S控min≤60×4.0×8.4≤2 016 (m3/min)

S控min=1控min×h采高×70%=4.3×2.8×70%=8.4 (m2)

因此，4#層8101綜采面的計(jì)劃配風(fēng)量為：714 (m3/min).

3.2 風(fēng)機(jī)選型

1) 局扇工作風(fēng)量。

Qf=Pq×Q

式中：

Pq—風(fēng)筒漏風(fēng)備用系數(shù)，m，取50；

Q—工作面風(fēng)量，m3/min.

選用柔性風(fēng)筒的Pq值可用下式計(jì)算：

Pq=1/(1-nLie)=1/(1-6×0.035)=1.27

式中：

n—接頭數(shù)，個(gè)，取6；

Lie—一個(gè)接頭的漏風(fēng)率。

Qf=Pq×Q=1.27×714=907 (m3/min)

2) 局扇工作風(fēng)壓。

hf=Rp×Qf×Q

Rp—風(fēng)筒的風(fēng)阻

Rp=(L/100)×R100=(50/100)×5.59=2.8

hf=2.8×907×714÷3600=504 (Pa)

增加15%的局部阻力損失后得：

h=hf(1+15%)=504×1.15=580 (Pa)

3) 選擇局扇。

綜上所述，將9#層8101工作面所穩(wěn)設(shè)的升壓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量應(yīng)達(dá)到907 m3/min以上。對(duì)比局部通風(fēng)機(jī)的特性曲線圖(Q≥907 m3/min，P≥580 Pa)選用4臺(tái)(2臺(tái)專用，2臺(tái)備用)型號(hào)為FBD№7.1 2×37 kW對(duì)旋風(fēng)機(jī)作為9#層8101工作面的升壓風(fēng)機(jī)。

4 升壓通風(fēng)系統(tǒng)各組成部分的設(shè)置

1) 在9#層8101工作面2101巷的指定位置跨膠帶輸送機(jī)構(gòu)筑兩道反向升壓風(fēng)門；在2101巷反向升壓風(fēng)門墻上鑲鐵皮風(fēng)筒并接軟質(zhì)風(fēng)筒。在5101巷指定位置構(gòu)筑兩道增阻反向調(diào)節(jié)門；并在5101巷增阻反向調(diào)節(jié)墻垛上鑲調(diào)節(jié)窗口。

2) 分別在9#層8101工作面2101巷的反向升壓風(fēng)門外和5101巷的增阻反向調(diào)節(jié)風(fēng)窗外安裝1套水柱計(jì)，以及時(shí)掌握內(nèi)外差壓情況。

3) 在9#層8101工作面2101巷穩(wěn)裝4臺(tái)升壓風(fēng)機(jī)(2臺(tái)專用2臺(tái)備用)，升壓風(fēng)機(jī)功率均為2×37 kW.

4) 在8101工作面上隅角設(shè)置氧氣傳感器、一氧化碳傳感器和甲烷傳感器，在工作面安裝甲烷傳感器，在距回風(fēng)繞道口10～15 m的回風(fēng)流中安裝甲烷傳感器和溫度傳感器，在2101巷皮帶頭下風(fēng)側(cè)10～15 m處安裝一氧化碳和煙霧傳感器(見(jiàn)圖1).當(dāng)甲烷濃度達(dá)到斷電濃度時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)閉鎖。

圖1 8101升壓工作面監(jiān)測(cè)監(jiān)控布置圖

5) 在9#層8101工作面兩順槽合適位置各安裝1臺(tái)風(fēng)速傳感器，每班記錄測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，作為觀測(cè)兩巷風(fēng)量差的一條依據(jù)。

6) 升壓風(fēng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)“雙風(fēng)機(jī)、雙電源自動(dòng)切換”。提前準(zhǔn)備升壓風(fēng)機(jī)供電所需要的“三專”設(shè)備及兩趟獨(dú)立專用供電電纜。

5 升壓通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)條件

若達(dá)到以下條件時(shí)，必須立即啟動(dòng)升壓通風(fēng)系統(tǒng)。(注：以束管監(jiān)測(cè)、人工檢查、取樣化驗(yàn)3種數(shù)據(jù)最高值為準(zhǔn))：

1) 9#層8101工作面采空區(qū)漏風(fēng)量超過(guò)200 m3/min.

2) 工作面上隅角及回風(fēng)流一氧化碳濃度超過(guò)3 mg/m3，通過(guò)增加工作面配風(fēng)量無(wú)法解決時(shí)。

3) 經(jīng)取樣化驗(yàn)，工作面回風(fēng)流空氣含量中有重炭氫類氣體成分超標(biāo)時(shí)。

4) 因頂板層間距較薄，采動(dòng)頂板垮落，與上覆采空區(qū)塌通后，發(fā)生有害氣體異常涌出，導(dǎo)致工作面氧氣含量降低至18%以下、二氧化碳異常下泄等。

以上幾個(gè)條件如有任意一項(xiàng)達(dá)到時(shí)，必須及時(shí)啟動(dòng)升壓通風(fēng)系統(tǒng)。

6 結(jié) 論

采用均壓通風(fēng)方式后，該工作面在推進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)連續(xù)觀察工作面頭、尾各處水柱計(jì)的壓力變化及工作面氣體變化情況，工作面上隅角、尾部、回風(fēng)流中CO氣體濃度保持在30 mg/m3以下，氧氣濃度能夠保證不小于18%，且其他有毒有害氣體均在《煤礦安全規(guī)程》允許范圍，確保了工作面的安全生產(chǎn)。

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Optimization Analysis of Boost Ventilation Design in Fully Mechanized Coal Mining Face

ZHANG Jianguo

Based on the geological condition of No.8101 working face in Hengbaoyuan coalmine, the paper gives the reason of application of boosting ventilation system in combination with drilling result, by theoretical calculation and analysis, puts forward the optimization scheme of boosted ventilation design in the working face, Practice shows that the optimized design scheme of boosted ventilation in fully mechanized mining face has achieved good results both in the concentration management of CO and O2.

Fully mechanized mining face; Boost Ventilation Design; Optimization analysis; Air volume calculation

2016-08-20

張建國(guó)(1980—)，男，山西運(yùn)城人，2015年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事煤礦通風(fēng)技術(shù)管理工作

(E-mail)zhangjianguoguo1@126.com

TD722

B

1672-0652(2016)10-0051-03