近距離煤層老窯破壞井田均壓防治技術(shù)應(yīng)用

劉曉恒，師傳壯

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000)

近距離煤層小煤窯密布，井田煤層破壞嚴(yán)重,小煤窯空巷縱橫交錯(cuò),漏風(fēng)通道復(fù)雜,易形成大量隱蔽高溫區(qū)域,產(chǎn)生有毒有害氣體,一旦與生產(chǎn)區(qū)域溝通,嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。為此，許多專(zhuān)家對(duì)近距離煤層自然發(fā)火防治技術(shù)進(jìn)行了研究，解決了實(shí)際問(wèn)題。王永文[1]針對(duì)近距離煤層小煤窯密布井田漏風(fēng)通道復(fù)雜,采空區(qū)大面積連通,高溫區(qū)域難以準(zhǔn)確判定,單一手段治理火區(qū)困難的問(wèn)題，通過(guò)分析火區(qū)成因，應(yīng)用各種防滅火技術(shù)，形成一套復(fù)雜成因自燃隱蔽災(zāi)害治理技術(shù)體系,為礦井安全、高效、綠色開(kāi)采提供了保障。高峰[2]通過(guò)老巷探測(cè)、地面鉆探、井下探查等方式對(duì)火區(qū)進(jìn)行探查,圈定了上覆4#煤層的井巷位置及自然發(fā)火的區(qū)域,并采取了井下密閉隔離、均壓通風(fēng)、地面注漿等綜合防控技術(shù)，有效預(yù)防和控制了采空區(qū)自燃。李強(qiáng)、鄔劍明等[3],通過(guò)采取預(yù)先打孔埋管監(jiān)測(cè)近距離煤層中上分層采空區(qū)氣體隨下分層工作面推進(jìn)的分布規(guī)律及濃度,預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)上分層采空區(qū)遺煤自燃情況，解決了中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦近距離煤層群開(kāi)采下分層過(guò)程中極易引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問(wèn)題。

汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦屬近距離煤層開(kāi)采，低瓦斯礦井，主采煤層自然傾向性為Ⅱ類(lèi)自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中礦井井田及周邊存在嚴(yán)重的私挖濫采現(xiàn)象，造成了大量位置不詳?shù)睦细G采空區(qū)。該礦61115綜放工作面所采太原組10+11#煤，放頂煤開(kāi)采，煤層均厚5.43 m，煤層傾角3°左右，采用“U”型全風(fēng)壓通風(fēng)方式，瓦斯絕對(duì)涌出量0.43 m3/min. 工作面兩側(cè)均已回采，兩側(cè)煤柱留設(shè)20 m，上部為9#煤小煤窯采空破壞區(qū)，層間距約10 m. 在掘進(jìn)期間材料巷、運(yùn)輸巷多處與小窯空巷貫通導(dǎo)致CO涌出超限、氧氣濃度低于18%，雖然進(jìn)行堵漏，但仍無(wú)法杜絕氣體異常涌出。為確保工作面回采期間的安全生產(chǎn)，防止有毒有害氣體侵入及煤層自燃，對(duì)工作面采用“風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)。

1 “風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)原理

“風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)是通過(guò)在工作面進(jìn)、回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物、測(cè)壓裝置等設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的，“風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓示意圖見(jiàn)圖1，在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)C處安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機(jī)，在回風(fēng)側(cè)D處安設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗，調(diào)壓設(shè)施的使用增加了C、D間風(fēng)流的壓能。其原理是在不影響礦井主要通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，控制井下工作面巷道間風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)局部通風(fēng)系統(tǒng)中均壓范圍內(nèi)的壓能，使漏風(fēng)通道兩端的風(fēng)壓差達(dá)到平衡，減少或防止漏風(fēng)，達(dá)到“堵風(fēng)防漏、以風(fēng)防火、以風(fēng)制火”的目的[4].

圖1 風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗聯(lián)合均壓示意圖

2 “風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓設(shè)計(jì)方案

61115綜放工作面應(yīng)配風(fēng)量為650 m3/min，隨著工作面的推進(jìn)，漏風(fēng)量及CO涌出量不斷增大，上隅角局部CO積聚，正常情況下CO濃度為0.018‰～0.024‰，但在放煤、移架或頂板冒落等異常涌出條件下，上隅角局部CO濃度可達(dá)0.05‰～0.06‰. 在61115工作面中部、進(jìn)回風(fēng)隅角及兩巷前、中、后部設(shè)置的9個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行漏風(fēng)量測(cè)定，各點(diǎn)風(fēng)量見(jiàn)表1，發(fā)現(xiàn)主要漏風(fēng)點(diǎn)在工作面上隅角處，漏風(fēng)量約為80 m3/min.

表1 61115工作面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)量表

根據(jù)聯(lián)合均壓防治原理，結(jié)合61115工作面實(shí)際情況，在工作面進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機(jī)，進(jìn)、回風(fēng)巷C、D兩點(diǎn)分別兩組調(diào)壓風(fēng)窗，見(jiàn)圖2.

圖2 工作面均壓系統(tǒng)布置示意圖

2.1 調(diào)壓范圍的確定

61115工作面采用均壓系統(tǒng)，通過(guò)增大工作面風(fēng)壓，使其與漏風(fēng)通道風(fēng)壓平衡，減小漏風(fēng)通道的漏風(fēng)量，達(dá)到減小有毒有害氣體侵入及防治自然發(fā)火的目的。為達(dá)到預(yù)期效果，在采用“風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓技術(shù)前，需確定工作面增壓值(范圍)，但由于采空區(qū)漏風(fēng)通道復(fù)雜，且多與地表裂隙溝通，直接測(cè)定漏風(fēng)通道阻力比較困難，又因?yàn)椴煽諈^(qū)漏風(fēng)通道與進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)形成了并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)(圖3)，故選擇與其并聯(lián)的“進(jìn)風(fēng)井→漏風(fēng)點(diǎn)”通風(fēng)支路進(jìn)行阻力計(jì)算[5].

圖3 工作面采用均壓系統(tǒng)前后通風(fēng)支路網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)井下巷道通風(fēng)阻力計(jì)算公式：

其中各測(cè)點(diǎn)的空氣密度按下式計(jì)算：

式中：

P1、P2—回采面漏風(fēng)通道起末兩測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的絕對(duì)靜壓，Pa；

Z1、Z2—兩測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m；

v1、v2—回采面漏風(fēng)通道起末兩測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的風(fēng)速，m/s；

ρ′—兩測(cè)點(diǎn)風(fēng)流密度的平均值，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

t—測(cè)點(diǎn)空氣的溫度，℃；

h自—漏風(fēng)通道自然風(fēng)壓，冬季與地面主要通風(fēng)方向相同，夏季與地面主要通風(fēng)機(jī)方向相反，秋季和春季方向不定，Pa，一般最大為100～200.

經(jīng)實(shí)測(cè)工作面主要漏風(fēng)點(diǎn)上隅角處P2、Z2、t2、v2值分別為92 686 Pa、850 m、17 ℃、0.88 m/s；進(jìn)風(fēng)井口處P1、Z1、t1值分別為90 776 Pa、1 050 m、10 ℃；v1取漏風(fēng)通道起點(diǎn)風(fēng)流的風(fēng)速，0；h自取150 Pa.

利用上述公式計(jì)算可得出h最大=310 Pa、h最小=110 Pa. 因此，61115綜放工作面漏風(fēng)通道阻力最大為310 Pa、最小為110 Pa，增壓范圍為110～310 Pa.

2.2 調(diào)壓風(fēng)機(jī)的選型

工作面選擇調(diào)壓風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足調(diào)壓風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)壓、最小風(fēng)量應(yīng)大于工作面最大增壓值310 Pa、工作面需風(fēng)量650 m3/min.故選用兩臺(tái)FBD№7.1/2×45 kW的風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓范圍為670～1 350 Pa，風(fēng)量850～939 m3/min.

2.3 調(diào)壓風(fēng)門(mén)及風(fēng)窗的安設(shè)

在61115材料巷、運(yùn)輸巷內(nèi)各安設(shè)3道調(diào)壓風(fēng)門(mén)，其間距均為15 m，對(duì)前兩道調(diào)壓風(fēng)門(mén)進(jìn)行閉鎖。運(yùn)巷安設(shè)調(diào)壓風(fēng)門(mén)時(shí)必須對(duì)皮帶處進(jìn)行全部封閉，以減少漏風(fēng)提高均壓效果。在調(diào)壓風(fēng)門(mén)上施工1 m×1 m插板式調(diào)節(jié)風(fēng)窗，安設(shè)位置為距頂板500 mm，用以調(diào)節(jié)工作面風(fēng)量及壓差，并在兩巷均壓風(fēng)門(mén)附近各安設(shè)“U”型水柱計(jì)。

2.4 建立工作面的監(jiān)控系統(tǒng)

建立完善的工作面監(jiān)控系統(tǒng)，包括安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、束管監(jiān)測(cè)、風(fēng)門(mén)閉鎖監(jiān)測(cè)、壓差監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面氣體濃度、風(fēng)量、壓差的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸，在調(diào)度室即可隨時(shí)掌握工作面均壓區(qū)域氣體濃度及壓差動(dòng)態(tài)變化情況。

2.5 調(diào)壓期間安全技術(shù)措施

開(kāi)啟61115材料巷的調(diào)壓風(fēng)機(jī)后，先關(guān)閉材料巷調(diào)壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，后關(guān)閉運(yùn)輸巷調(diào)壓風(fēng)門(mén)，逐步調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積。要密切關(guān)注工作面氣體參數(shù)變化，不斷調(diào)整調(diào)壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，確保工作面氣體正常與通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。調(diào)整的最終結(jié)果為進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)量保持不低于設(shè)計(jì)風(fēng)量(應(yīng)配風(fēng)量650 m3/min)，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)量要略大于回風(fēng)側(cè)風(fēng)量25 m3/min；同時(shí)進(jìn)、回風(fēng)順槽調(diào)壓風(fēng)門(mén)內(nèi)外的壓差均保持在110～310 Pa，工作面與鄰近采空區(qū)壓能基本平衡，各種氣體濃度均符合《煤礦安全規(guī)程》及相關(guān)規(guī)定。

綜上所述，調(diào)壓風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)風(fēng)窗及其輔助設(shè)施的安設(shè)，使工作面形成了一個(gè)相對(duì)封閉的均壓區(qū)域。通過(guò)調(diào)節(jié)均壓區(qū)域的調(diào)節(jié)風(fēng)窗開(kāi)啟大小對(duì)工作面的風(fēng)壓及風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，增加工作面的風(fēng)流壓力，使工作面與采空區(qū)漏風(fēng)通道的壓差達(dá)到平衡，減少采空區(qū)漏風(fēng)量及有害氣體的涌出。

3 聯(lián)合均壓防治系統(tǒng)的效果分析

61115工作面在02:00啟用調(diào)壓風(fēng)機(jī)，通過(guò)關(guān)閉兩巷調(diào)壓風(fēng)門(mén)，調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積控制均壓效果，每2 h對(duì)工作面上隅角氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)工作面均壓防治效果，上隅角的CO氣體濃度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4. 均壓防治系統(tǒng)啟用后，工作面上隅角CO濃度從0.024‰降至0.002‰左右(表2)，工作面漏風(fēng)量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右(表2). 此外，在與61115工作面相鄰近的采空區(qū)密閉內(nèi)也未檢測(cè)到自然發(fā)火標(biāo)志性氣體。該聯(lián)合均壓防治方案的實(shí)施不僅限制了采空區(qū)有毒有害氣體進(jìn)入工作面，減少了工作面的漏風(fēng)量，對(duì)預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火也有積極的作用。

圖4 工作面均壓系統(tǒng)啟用前后上隅角CO變化趨勢(shì)圖

表2 工作面均壓系統(tǒng)啟用前后上隅角CO濃度、材運(yùn)巷壓力變化對(duì)照表

4 應(yīng)用效果

均壓防治系統(tǒng)啟用后，工作面上隅角CO濃度從24×10-6下降至2×10-6左右，工作面漏風(fēng)量保持在20 m3/min左右,材料巷壓力保持在280 Pa左右，有效限制了采空區(qū)有毒有害氣體進(jìn)入工作面，減少了工作面的漏風(fēng)量。

5 結(jié) 論

柳灣煤礦采用“風(fēng)機(jī)-風(fēng)窗”聯(lián)合均壓防治技術(shù)后有效解決了工作面漏風(fēng)，上隅角CO濃度超限。該技術(shù)的核心是通過(guò)增加調(diào)壓設(shè)施間工作面壓能，使其與漏風(fēng)通道末端風(fēng)流的絕對(duì)壓力相平衡，阻斷漏風(fēng)通道通風(fēng)支路的形成，減少漏風(fēng)。由于均壓系統(tǒng)的平衡隨大氣壓變化及工作面推進(jìn)情況時(shí)刻變化，在使用該技術(shù)時(shí)必須每班關(guān)注工作面氣體、壓差及風(fēng)量變化，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)量及壓差調(diào)整，確保均壓系統(tǒng)可靠有效。調(diào)壓風(fēng)機(jī)因故停風(fēng)或調(diào)壓設(shè)施遭到破壞時(shí)，工作面必須強(qiáng)制停產(chǎn)并撤出人員。