自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)在綜放工作面瓦斯治理中的應(yīng)用

張瑞江，翟 偉，周 寧

(1.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 煤業(yè)分公司通風(fēng)部，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063000)

煤炭是我國工業(yè)生產(chǎn)中的主要能源，預(yù)計(jì)2050年，煤炭能源將占比50%左右，所以煤礦開采的瓦斯安全防控問題不容忽視[1]。在國內(nèi)外有很多學(xué)者對防控礦山瓦斯爆炸提供了治理方法。成辰欣，蘇志剛等學(xué)者結(jié)合國內(nèi)外工作面瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，最終形成“U”型通風(fēng)方式、橫川預(yù)埋管路抽排采空區(qū)和上隅角瓦斯的抽采方式[2]；馬強(qiáng)，馬錢錢等學(xué)者對頂板走向低位抽采巷抽采機(jī)理進(jìn)行分析，給出了低位抽采巷設(shè)計(jì)原則，確定了王坡煤礦低位抽采巷布置層位[3]；石增柱等采用了增加工作面風(fēng)量、在工作面迎頭施工瓦斯鉆孔泄放、提高掘進(jìn)工藝等綜合瓦斯治理措施[4]；付向明結(jié)合礦井實(shí)際情況，采用優(yōu)化高位鉆孔參數(shù)及鉆孔施工順序、改變套管直徑等措施，達(dá)到有效治理工作面瓦斯的目的[5]。開灤集團(tuán)唐山礦井深巷遠(yuǎn)，系統(tǒng)復(fù)雜，采空區(qū)與采空區(qū)相連通[6]，采空區(qū)瓦斯涌出受大氣壓力影響的問題較為突出[7]，礦井安全與外界大氣壓關(guān)聯(lián)很大，當(dāng)大氣壓力突然降低時(shí)，采空區(qū)瓦斯就會(huì)大量涌出，對礦井安全生產(chǎn)造成一定影響[8]。為合理控制工作面采空區(qū)瓦斯涌出量，減少采空區(qū)瓦斯對工作面涌出的可能性，唐山礦在Y484綜放工作面進(jìn)行了自動(dòng)調(diào)壓治理瓦斯的研究與探索，取得了一定效果。

1 礦井概況

唐山礦為高瓦斯礦井，2015年度礦井瓦斯等級鑒定絕對瓦斯涌出量為53.75m3/min，相對瓦斯涌出量為7.03m3/t[9]?，F(xiàn)在主要開采礦井為5煤層、8煤層、9煤層，其瓦斯涌出量分別占礦井瓦斯涌出量的13.43%、34.25%、42.44%。其中Y484工作面為唐山礦岳胥區(qū)14水平工作面，東部為8241大巷、Y480運(yùn)料邊眼，南部為Y485采空區(qū)，西部為III下-7斷層保護(hù)煤柱，北部為T1493采空區(qū)，上方為T1452、T1453采空區(qū)。工作面走向長度799m，傾斜長度153m，煤層傾角平均21°，煤層厚度平均11.5m[10]。工作面有效風(fēng)量20.53m3/s，工作面瓦斯涌出量8.85～12.42m3/min，當(dāng)?shù)孛娲髿鈮毫眲∠陆禃r(shí)，工作面瓦斯涌出量最大可達(dá)33.02m3/min。

Y484工作面通風(fēng)系統(tǒng)：新風(fēng)→9280→Y484風(fēng)道外段→新170m帶式輸送機(jī)→Y484溜子道→Y484切眼→Y484風(fēng)道→Y484架子道→Y485運(yùn)料巷→9041回風(fēng)巷→0044里下段→504→二號(hào)回風(fēng)井。如圖1所示。

圖1 Y484工作面通風(fēng)系統(tǒng)

2 工作面通風(fēng)基本參數(shù)測試與分析

2.1 工作面瓦斯異常涌出原因分析

為保持平衡狀態(tài)，Y484采空區(qū)內(nèi)的壓力與巷道內(nèi)的通風(fēng)壓力需要達(dá)到數(shù)值相持的狀態(tài)。當(dāng)外界大氣壓降低時(shí)，井下巷道的通風(fēng)靜壓也隨之下降，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)的壓力高于通風(fēng)靜壓而導(dǎo)致瓦斯大量涌出；如若保持采空區(qū)中瓦斯處于未涌出的狀態(tài)，使其處于安全期，則外界大氣壓力不能處于降低狀態(tài)，巷道內(nèi)的通風(fēng)壓力要處于高于采空區(qū)內(nèi)的壓力的狀態(tài)；只有當(dāng)大氣壓力變化平緩，巷道內(nèi)的通風(fēng)壓力與采空區(qū)內(nèi)壓力相對平衡，瓦斯均勻涌出時(shí)，整個(gè)井下巷道通風(fēng)狀態(tài)才是安全的[11]。從Y484工作面瓦斯涌出情況看，瓦斯大量涌出多發(fā)生在大氣壓力下降較為明顯的時(shí)期[12]。

2.2 工作面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

為了更好地對Y484井下礦井通風(fēng)抽象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，采用能夠簡化多節(jié)點(diǎn)與多巷道，甚至還能簡化未經(jīng)過構(gòu)圖處理的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，這有利于實(shí)際問題的解決分析，Y484工作面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 Y484工作面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

2.3 通風(fēng)阻力測定

利用風(fēng)表、秒表、皮尺、干濕溫度計(jì)、礦井通風(fēng)參數(shù)儀，現(xiàn)場測量靜壓、風(fēng)速、干濕溫度以及巷道斷面面積，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出工作面通風(fēng)參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見表1。

根據(jù)表1中唐山礦礦井通風(fēng)阻力測定結(jié)果，礦井進(jìn)風(fēng)段、采區(qū)用風(fēng)段、礦井回風(fēng)段通風(fēng)阻力比例為4∶2∶4；通過Y484工作面通風(fēng)系統(tǒng)及阻力測定結(jié)果進(jìn)行分析，該采區(qū)進(jìn)風(fēng)阻力高達(dá)723.44Pa，工作面通風(fēng)阻力為853.59Pa，采區(qū)回風(fēng)阻力為195.68Pa，采區(qū)進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段通風(fēng)阻力比例為4∶5∶1；因此，Y484工作面進(jìn)風(fēng)阻力、Y484工作面通風(fēng)阻力、Y484工作面回風(fēng)阻力比例約為5∶1∶4。Y484工作面進(jìn)風(fēng)阻力過大，容易造成工作面采空區(qū)瓦斯向外涌出，導(dǎo)致工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍龃蟆?/p>

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)模擬解算

利用計(jì)算機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，對Y484工作面未來的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。

表1 Y484工作面通風(fēng)參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 Y484工作面通風(fēng)現(xiàn)狀模擬數(shù)據(jù)

2.5 大氣壓力與工作面瓦斯涌出的關(guān)系

圖3 大氣壓力與瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

2015年12月1日，Y484工作面因地面大氣壓力降低造成工作面回風(fēng)瓦斯升高現(xiàn)象，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，經(jīng)過15h后，大氣壓強(qiáng)從103300Pa下降至102790Pa，平均下降速率40.7Pa/h，其中從11時(shí)至14時(shí)這一階段，大氣壓強(qiáng)下降速率最大，達(dá)到100Pa/h的平均速率。從0時(shí)至11時(shí)期間，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)平穩(wěn)，大約在0.3%上下波動(dòng)，之后的四個(gè)小時(shí)內(nèi)，瓦斯?jié)舛让黠@出現(xiàn)上升趨勢，以每小時(shí)0.11%緩慢上升，直到15h以后大氣壓達(dá)到最大值，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)下降趨勢，直到下降到與外界大氣壓相持平的狀態(tài)，此時(shí)瓦斯?jié)舛缺３址€(wěn)定水平。

Y484工作面三面環(huán)繞采空區(qū)，隨著回采工作的進(jìn)行，采空區(qū)越來越大，瓦斯涌出受大氣壓力影響較為明顯。當(dāng)?shù)孛娲髿鈮毫徛陆?下降速率不超過60Pa/h)時(shí)，工作面瓦斯涌出變化較小；當(dāng)?shù)孛娲髿鈮毫B續(xù)下降超過3h且降幅超過80Pa/h時(shí)，工作面瓦斯涌出量逐步增大，導(dǎo)致工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛戎鸩缴遊13]。

3 均壓方案設(shè)計(jì)

3.1 方案思路及調(diào)壓風(fēng)門安設(shè)位置

通過大氣壓力對工作面瓦斯影響分析，只要抵消地面大氣壓力下降速率，就可消除大氣壓力降低時(shí)對工作面瓦斯涌出的影響。結(jié)合井下生產(chǎn)實(shí)際情況，確定在0044里下段(采區(qū)總回風(fēng)巷)安裝調(diào)壓風(fēng)門，該地點(diǎn)既不影響生產(chǎn)、運(yùn)輸、行人，又能實(shí)現(xiàn)提高Y484工作面通風(fēng)壓力[14]。

3.2 調(diào)壓結(jié)果預(yù)測

安設(shè)調(diào)壓風(fēng)門后，在調(diào)壓過程中需保證Y484工作面有效風(fēng)量不低于16m3/s，在此基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)使用效果模擬分析

考慮Y484工作面實(shí)際瓦斯治理需要，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果，調(diào)壓風(fēng)門分為6檔進(jìn)行控制，當(dāng)大氣壓力降低時(shí)，逐檔關(guān)閉調(diào)壓風(fēng)門，逐步提高Y484工作面通風(fēng)壓力，抑制大氣壓力降低對工作面影響，減小工作面瓦斯涌出，實(shí)現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)。

3.3 調(diào)壓風(fēng)門設(shè)計(jì)

在0044里下段安裝鐵制調(diào)壓風(fēng)門，預(yù)留調(diào)節(jié)口，通過風(fēng)門運(yùn)行實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)斷面的變化，達(dá)到提高工作面通風(fēng)壓力的目的。該調(diào)壓風(fēng)門可通過自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制、人工控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)門安裝形式如圖4所示。

3.4 調(diào)壓風(fēng)門控制原理

當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛瘸^0.5%、大氣壓力下降速率達(dá)到55Pa/h或Y484工作面瓦斯增長速率為0.06%/h時(shí)，可能發(fā)生采空區(qū)瓦斯異常涌出。監(jiān)控設(shè)備會(huì)將控制信號(hào)通過監(jiān)控分站傳輸至PLC，PLC接受信號(hào)后對繼電器執(zhí)行動(dòng)作，從而啟動(dòng)電動(dòng)推桿旋轉(zhuǎn)，縮小調(diào)節(jié)風(fēng)門窗口面積，使得風(fēng)門面積縮小，分檔控制風(fēng)門來提升工作面回風(fēng)壓力，抑制采空區(qū)瓦斯異常涌出[15]。

圖4 調(diào)壓風(fēng)門設(shè)計(jì)

調(diào)壓風(fēng)門控制原理如圖5所示。瓦斯傳感器監(jiān)測工作面回風(fēng)巷與采區(qū)回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，作為風(fēng)門是否啟動(dòng)的依據(jù)；壓差傳感器監(jiān)測風(fēng)門兩側(cè)的分壓，判斷風(fēng)門是否動(dòng)作；位置傳感器監(jiān)測風(fēng)門的移動(dòng)狀態(tài)；風(fēng)門設(shè)置手動(dòng)控制裝置，設(shè)置限位開關(guān)，提升設(shè)備的可靠性。

圖5 調(diào)壓風(fēng)門控制原理

4 實(shí)施效果

0044里下段安裝調(diào)壓風(fēng)門后，對調(diào)壓風(fēng)門使用效果進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果見表4。

通過表4可以看出，在地面大氣壓力降低時(shí)，實(shí)施Y484工作面調(diào)壓后，Y484工作面壓力逐步提升，工作面有效風(fēng)量逐步降低，回風(fēng)瓦斯明顯下降。

5 結(jié) 論

1)綜放工作面的瓦斯治理，必須對工作面瓦斯涌出來源進(jìn)行詳細(xì)的分析，查找瓦斯異常涌出原因，采取有針對性的綜合措施。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測算結(jié)果分析得出，Y484工作面進(jìn)風(fēng)阻力過大，容易造成工作面采空區(qū)瓦斯向外涌出，導(dǎo)致工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍龃蟆?/p>

2)當(dāng)工作面采空區(qū)面積較大時(shí)，大氣壓力的變化對采空區(qū)瓦斯涌出的影響較大，氣壓變化速率越大，對采空區(qū)瓦斯涌出影響越大。

3)綜合考慮礦井工作面復(fù)雜情況，在0044里下段確定調(diào)壓風(fēng)門位置，進(jìn)行調(diào)整采區(qū)系統(tǒng)通風(fēng)壓力，可有效控制采空區(qū)瓦斯涌出狀態(tài)。