誠意煤礦5105工作面均壓通風(fēng)技術(shù)探索

趙軍榮

(內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

誠意煤礦井田內(nèi)共有可采煤層4層：3、4-2、5、6號層，其中5、6號層為全井田可采的穩(wěn)定煤層，3號層為局部零星可采的穩(wěn)定煤層，4-2層為零星可采的不穩(wěn)定煤層。由于溝谷切割較發(fā)育[1-3]，將3#、4-2煤層切割得支離破碎，致使北部地區(qū)零星分布、不連續(xù)。因此，對3#煤及4-2煤采用露天剝離的方法進行回采，回采時由于煤炭露天氧化[4-6]，造成局部著火。同時因5#煤層與上部煤層同時開采，上部煤層著火后，有毒有害氣體有可能通過裂隙導(dǎo)入5#煤層[7]，對5#煤層的開采造成安全隱患，因此在5105工作面回采時進行均壓通風(fēng)技術(shù)探索，消滅安全隱患，保證安全生產(chǎn)。

1 工程概況

1.1 工作面概況

誠意煤礦5105工作面位于井田南部，東鄰、南鄰井田邊界(經(jīng)調(diào)查兩相鄰煤礦均無采動)，西起南翼輔運大巷，北鄰5104工作面(已回采)。

1.2 工作面技術(shù)參數(shù)及回采工藝

工作面采用綜合機械化采煤，一次采全高、全部垮落法管理頂板。采面選用ZY6800/09/19型掩護式支架，有效通風(fēng)斷面為7.65 m2，工作面傾斜長度為216 m，走向長度為1 428.7 m，煤層平均厚度為1.76 m，煤層傾角平均為1°～3°，底板標(biāo)高為1 274～1 285 m，循環(huán)進度為0.8 m。兩順槽高度均2.45 m，寬度均為4.5 m。輔運順槽、運輸順槽回采長度均為1 428.7 m，輔運順槽安設(shè)設(shè)備列車，長度約80 m，運輸順槽安設(shè)DSJ100/55/2×160型膠帶運輸機。

1.3 與上覆采空區(qū)及鄰近礦區(qū)的關(guān)系

上覆4#煤層層間距33 m，平均厚度2.9 m，過去采用房柱式開采遺留大量的煤柱，現(xiàn)采用露天剝離方式回收煤柱，現(xiàn)已剝離大部分，只有少部沒有剝離，剝離部分都已回填，回填厚度15～25 m，平均20 m，回填物為煤層覆蓋剝離物。根據(jù)2011年10月煤炭科學(xué)研究總院為誠意煤礦提供的《礦井水文地質(zhì)類型劃分報告》，5#煤層開采所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度

(1)

式中：M—回采厚度，m。因此，在目前綜采采高為1.76 m的條件下，5#煤覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為20.83 m，未觸及4#煤層采空區(qū)。考慮到再增加20 m的安全距離后裂隙帶高度為40.83 m，超過了33 m的層間距。經(jīng)實測，5105工作面上方已全部剝離并覆蓋完畢，地面觀測此范圍無發(fā)火跡象未發(fā)現(xiàn)烷烴類、烯烴類火災(zāi)標(biāo)志性氣體，為預(yù)防5105工作面回采期間采空區(qū)裂隙導(dǎo)通地表覆蓋區(qū)內(nèi)部遺煤，造成自燃，影響井下安全生產(chǎn)，所以進行均壓通風(fēng)方法以消除潛在的安全隱患。

2 均壓通風(fēng)方法確定的影響因素

2.1 外部因素分析

考慮到5105工作面上部4#煤火區(qū)未剝離范圍可能含有殘余一氧化碳氣體。通過氣體取樣檢測分析，目前未發(fā)現(xiàn)烷烴類、烯烴類火災(zāi)標(biāo)志性氣體，其它各種氣體符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。剝離后回填區(qū)域存在高溫煤矸石氧化，可能造成工作面上隅角有毒有害氣體超限，影響正?；夭?。

2.2 本煤層防滅火影響

由于5#煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖組成的復(fù)合型頂板，工作面隨采隨冒，跟進及時。5#煤采高小，回采率高，采空區(qū)遺留的浮煤少，且采面頂板局部有淋水現(xiàn)象，采面沿走向有1°～3°的仰角，生產(chǎn)過程中的涌水進入采空區(qū)，根據(jù)前幾個采面觀察，采空區(qū)未出現(xiàn)自然發(fā)火征兆，綜合考慮后，確定采用均壓通風(fēng)是科學(xué)、安全、合理的方法。

3 均壓通風(fēng)設(shè)計

均壓通風(fēng)技術(shù)的目的是改變采面內(nèi)外壓差，從而控制漏風(fēng)和風(fēng)流交換，控制有毒有害氣體向采煤工作面或巷道泄漏。本次設(shè)計均壓通風(fēng)是提高采面空間內(nèi)的絕對氣壓，抑制采空區(qū)或采空區(qū)上部火區(qū)有毒有害氣體涌入工作面，從而平衡采空區(qū)漏風(fēng)壓差或改變采空區(qū)壓力方向，減少漏風(fēng)或改變漏風(fēng)方向、防止上覆4#煤層的火區(qū)一氧化碳等有害氣體涌入采煤工作面。按照礦井均壓防滅火技術(shù)規(guī)范(MT/T626—1996)有關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計如下。

3.1 風(fēng)量計算

按甲烷(或二氧化碳)涌出量計算：

Q采=100·q瓦采·Kc

(2)

式中：q瓦采—工作面的平均瓦斯絕對涌出量，1.684 m3/min(依據(jù)內(nèi)蒙古安科檢驗公司2012年度礦井瓦斯等級鑒定報告)；Kc—工作面瓦斯涌出不均衡的備用風(fēng)量系數(shù)，取1.5。故Q采= 100×1.684×1.5=252.6 m3/min。

按工作面溫度選擇適宜的風(fēng)速進行計算：

Q采=60×Vc×Sc×Ki

(3)

式中：Vc—均壓通風(fēng)狀態(tài)下工作面適宜風(fēng)速，取1.0 m/s；Sc—采煤工作面有效斷面，取7.65 m2；Ki采面長—工作面長度系數(shù)，取1.5。故Q采=60×1.0×7.65×1.5=688.5 m3/min。

按工作面同時作業(yè)人數(shù)計算：

Q采=4·N

(4)

式中：N—工作面同時工作的最多人數(shù)，取40人。則Q采=4×40=160 m3/min。

5105工作面上覆巖層覆蓋厚度35～100 m，只要對采空區(qū)塌陷及時治理，采空區(qū)漏風(fēng)率較小，考慮采空區(qū)漏風(fēng)量在15～30 m3/min左右，并考慮1.5倍的富裕系數(shù)。依據(jù)以上計算，設(shè)計5105回采工作面配風(fēng)量為700 m3/min。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，按采煤工作面最低風(fēng)速0.25 m/s，最高風(fēng)速為4 m/s的要求進行驗算。則綜合機械化回采工作面，0.25·60S采1≤Q普≤4·60S采2；S采1—最大控頂距，5.4 m2；S采2—最小控頂距4.7 m2，81 m3/min≤700 m3/min≤1 128 m3/min。經(jīng)風(fēng)速驗算，回采工作面的風(fēng)量定為700 m3/min滿足要求。

3.2 風(fēng)壓設(shè)計

通風(fēng)阻力定律見式(5)

(5)

式中：α—摩擦阻力系數(shù)，取0.029，kg/m3;L—巷道長度，1 494.5 m；U—巷道斷面周長，2×(2.45+4.5)=13.9 m；s—巷道的凈斷面積，4.5×2.45-0.15=10.875 m2，其中0.15為設(shè)備列車影響面積；Q—巷道流過的風(fēng)量，700/60=11.667 m3/s。

均壓通風(fēng)未開啟時5105輔運順槽通風(fēng)阻力，可依式(5)計算，即

回風(fēng)順槽調(diào)節(jié)風(fēng)窗阻力(局部通風(fēng)阻力)的大小，取決于在5105工作面采用局部升壓后，其回風(fēng)順槽風(fēng)壓要克服并大于地面相對于礦井整個負壓系統(tǒng)作用在其回風(fēng)順槽上的負壓影響。在礦井全負壓系統(tǒng)狀態(tài)下，5105工作面回風(fēng)順槽最末端F處的負壓如上述計算為-300 Pa。即回風(fēng)順槽調(diào)節(jié)風(fēng)窗阻力(局部通風(fēng)阻力)應(yīng)為300 Pa。

(6)

通過上述計算回風(fēng)順槽調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積應(yīng)為0.3 m2，取0.8 m2便于調(diào)節(jié)。均壓通風(fēng)開啟后5105工作面通風(fēng)阻力合計為176.99+300=476.99 Pa。

考慮到礦井自然風(fēng)壓-3.2 Pa(數(shù)據(jù)來自2012年5月內(nèi)蒙古安科安全生產(chǎn)檢測檢驗有限公司)，風(fēng)機風(fēng)筒及出風(fēng)口壓力損失1 150 Pa，采用局扇和調(diào)節(jié)風(fēng)窗方式對5105綜采面均壓，壓力提升選擇200 Pa，則風(fēng)機選擇風(fēng)壓應(yīng)大于(-3.2)+1 150+476.99+200=1 823.79 Pa。

在實際應(yīng)用中要注意觀察地面、井下絕對壓力及風(fēng)機風(fēng)量和漏風(fēng)情況，并根據(jù)采面推進度通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積達到工作面所需風(fēng)量和絕對壓力，本工作面均壓通風(fēng)效果可根據(jù)回風(fēng)順槽施工的鉆孔風(fēng)流方向始終向上，并通過水柱計顯示0～6 mm H2O監(jiān)測調(diào)整。

3.3 風(fēng)機選型

考慮到本井田后續(xù)工作面有可能繼續(xù)采用均壓通風(fēng)方法，故選擇通風(fēng)機時盡量選擇偏大型號，目前煤礦FBDY№8.0/2×75kW型礦用隔爆型壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機，經(jīng)實測該風(fēng)機風(fēng)量8～20 m3/s，風(fēng)壓1 860～5 160 Pa?？蓾M足工作面需要。風(fēng)機特性曲線如圖1所示。

圖1 對旋軸流局部通風(fēng)機性能曲線

3.4 均壓系統(tǒng)的構(gòu)成和相關(guān)要求

均壓風(fēng)機：在5105輔回撤通道均壓風(fēng)機專用通道內(nèi)安設(shè)兩臺均壓風(fēng)機，一臺工作，一臺備用。在與輔運順槽交叉口處構(gòu)筑一道擋風(fēng)墻(JY-1)，擋風(fēng)墻距輔運順槽開口點20 m，墻體厚度不小于500 mm，在擋風(fēng)墻體上安設(shè)一個φ1 000 mm鐵質(zhì)風(fēng)筒，并用特制風(fēng)筒與鐵質(zhì)導(dǎo)風(fēng)筒相聯(lián)接，要求聯(lián)接處嚴密不漏風(fēng)。鐵質(zhì)導(dǎo)風(fēng)筒自動切換擋風(fēng)板要轉(zhuǎn)動靈活，出風(fēng)口側(cè)安設(shè)調(diào)壓閥門。

無壓風(fēng)門：在5105輔運順槽距開口點10 m處構(gòu)筑一組無壓風(fēng)門(JY-2)，風(fēng)門之間安設(shè)聲光報警器。風(fēng)門要開啟靈活，關(guān)閉嚴密，風(fēng)門要聯(lián)鎖(連鎖鋼絲繩要牢固并可解除)，并設(shè)置風(fēng)門開閉傳感器。

皮帶預(yù)留口：在5105運輸順槽與5105輔回撤交叉口向工作面方向4 m處構(gòu)筑一組帶皮帶預(yù)留口和小行人門的調(diào)節(jié)風(fēng)窗(JY-3)。要求墻體跨在皮帶上，調(diào)節(jié)風(fēng)窗高度1 000 mm，寬度1 200 mm，皮帶預(yù)留口高度1 100 mm，寬度1 400 mm，預(yù)留口上部和兩側(cè)安設(shè)寬度10 mm的皮帶條做成的擋風(fēng)簾，減少漏風(fēng)。小行人門高度1 200 mm，寬度800 mm，每道小行人門要安設(shè)能自動關(guān)閉的彈簧裝置，小行人門之間安設(shè)聲光報警裝置。

密閉墻：為保證5105工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在主回撤通道與輔運順槽交叉口處、在主、輔回撤通道與運輸順槽繞道處構(gòu)筑厚度為500 mm的密閉墻，并在運輸順槽繞道構(gòu)筑一組無壓風(fēng)門(構(gòu)筑位置詳見均壓后通風(fēng)系統(tǒng)示意圖)。確保設(shè)施施工質(zhì)量，防止工作面泄壓。

水柱計：在均壓風(fēng)機均壓墻外和5105運輸順槽第一道調(diào)節(jié)風(fēng)窗(靠皮帶機頭側(cè))外分別安裝水柱計，便于隨時觀測、掌握5105工作面的壓力情況。

安裝要求：均壓風(fēng)機供電系統(tǒng)安裝要求均壓風(fēng)機供電線路、控制開關(guān)等設(shè)施需滿足負荷。均壓風(fēng)機必須采用“三專”供電線路，并實現(xiàn)“雙風(fēng)機雙電源自動切換”和“風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖”功能(詳見均壓風(fēng)機供電圖和機電設(shè)備布置圖)。

3.5 傳感器的安裝

工作面按AQ1029—2007標(biāo)準(zhǔn)安設(shè)甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器。工作面甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.5%，回風(fēng)巷甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.0%，斷電范圍均為工作面及回風(fēng)巷中全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，復(fù)電濃度均為<1.0%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。傳感器吊掛標(biāo)準(zhǔn)為距頂板不大于0.3 m，距煤幫不小于0.2 m。監(jiān)控傳感器要實行掛牌管理，監(jiān)測中心24 h不間斷監(jiān)測。

為防止循環(huán)風(fēng)導(dǎo)致工作面有毒有害氣體超限，在均壓風(fēng)機入風(fēng)口前5 m處安設(shè)一組甲烷、一氧化碳傳感器。甲烷傳感器報警濃度為≥0.5%，斷電濃度為≥0.5%，斷電范圍均為輔運順槽、工作面及回風(fēng)巷中全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，復(fù)電濃度為<0.5%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。

在5105運輸順槽800 m鉆孔下風(fēng)側(cè)不大于10 m處巷道頂板安設(shè)一組甲烷、一氧化碳和煙霧傳感器。甲烷傳感器報警濃度為≥1.0%，斷電濃度為≥1.5%，斷電范圍為工作面及回風(fēng)巷中全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，復(fù)電濃度為<1.0%。一氧化碳傳感器報警濃度為0.002 4%。

在皮帶機頭處、上隅角擋風(fēng)簾以里1.5 m處安設(shè)束管監(jiān)測裝置，其前端安設(shè)水分過濾器，實現(xiàn)24 h監(jiān)測采空區(qū)氣體變化情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

在工作面頭、中、尾部以及工作面兩順槽每隔200 m處分別安設(shè)均壓風(fēng)機開停聲光報警裝置，使工作面人員隨時掌握均壓風(fēng)機運轉(zhuǎn)情況。

3.6 風(fēng)量調(diào)節(jié)及試運轉(zhuǎn)

調(diào)節(jié)5105運輸順槽調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積或風(fēng)筒出口面積控制工作面的風(fēng)量和壓力，使工作面有毒有害氣體不超限，初步調(diào)整工作面風(fēng)量為700 m3/min，風(fēng)壓為200 Pa(以800 m處鉆孔水柱計顯示為準(zhǔn)，水柱計皮膠管一端通向鉆孔里，一端接在水柱計玻璃管上，接膠管的一端玻璃管水柱比未接膠管的玻璃管水柱高出20 mm)。

均壓風(fēng)機的風(fēng)量必須根據(jù)工作面實際需要風(fēng)量來確定，在滿足最大均壓值和保證工作面通風(fēng)、除塵及良好的工作環(huán)境的條件下，應(yīng)盡量采取低風(fēng)量通風(fēng)。

工作面均壓系統(tǒng)建成后，必須進行試運轉(zhuǎn)，并經(jīng)礦聯(lián)合驗收小組驗收合格后，方投入使用。5105工作面均壓前、后通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖2、3所示。

圖2 5105工作面均壓前通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

5105工作面采用正壓通風(fēng)經(jīng)過近6個月的回采，共回收煤炭資源約70萬t，回采期間風(fēng)量始終控制在700～750 m3/min，與地表大氣壓差始終控制在100～400 Pa之間，運輸順槽調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積調(diào)整為0.2～0.4 m2，工作面溫度15～18 ℃?；夭善陂g上隅角一氧化碳濃度為60～95 ppm，最高達到195 ppm，工作面一氧化碳濃度始終控制在8～22 ppm，回風(fēng)流一氧化碳濃度為10～16 ppm，其他有毒有害氣體均無異常，采空區(qū)漏風(fēng)量控制在15～30 m3/min之間，期間未出現(xiàn)任何安全事故，通風(fēng)效果良好，為礦井的安全生產(chǎn)積累了經(jīng)驗。

圖3 5105工作面均壓后通風(fēng)系統(tǒng)示意圖