回采工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及瓦斯防治研究

＊王 謙

（潞安化工集團(tuán)古城煤礦 山西 046000）

隨著我國(guó)煤礦行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)提出了越來越高的要求，各個(gè)煤礦企業(yè)在生產(chǎn)日漸擴(kuò)大的過程中，都在積極進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的改革和技術(shù)的優(yōu)化。從行業(yè)發(fā)展來看，礦井生產(chǎn)中的通風(fēng)條件有著嚴(yán)格的規(guī)定，回采工作面的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和瓦斯防治，已經(jīng)成為了當(dāng)下很多煤礦企業(yè)所不可忽視的重點(diǎn)性工作，為全面推進(jìn)生產(chǎn)的高效、安全進(jìn)行，各個(gè)煤礦企業(yè)都要根據(jù)自身的礦井條件，來進(jìn)行對(duì)應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩珮?biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

1.煤礦瓦斯治理面臨的困境

煤礦生產(chǎn)作業(yè)的進(jìn)行中，瓦斯對(duì)生產(chǎn)安全性的危害巨大，一旦在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛瘸隽苏?biāo)準(zhǔn)，將嚴(yán)重干擾人體的呼吸循環(huán)，在一些極端情況下，易引起作業(yè)人員的窒息死亡。此外，瓦斯易燃易爆，在封閉空間內(nèi)的瓦斯，一旦遭遇了明火，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的火災(zāi)甚至爆炸事故。因此，當(dāng)下的煤礦生產(chǎn)中，瓦斯治理已經(jīng)成為了重點(diǎn)工作。但一些煤礦企業(yè)的瓦斯治理卻面臨著困境，影響了生產(chǎn)安全，主要面臨的困境為：

(1)技術(shù)和資金投入不足

煤礦瓦斯治理專業(yè)性較強(qiáng)，為保障治理的有效性，相關(guān)人員在治理的過程中必須要詳細(xì)掌握現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，在了解了現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛?、瓦斯分布區(qū)域等情況后，配備先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施來降低瓦斯含量。一些煤礦企業(yè)在當(dāng)下的發(fā)展條件下，雖然從思想上意識(shí)到了瓦斯治理的重要性，但自身發(fā)展實(shí)力有限，在瓦斯治理方面沒有足夠的資金和技術(shù)投入，因?yàn)橘Y金的匱乏，導(dǎo)致在瓦斯治理方面的技術(shù)和設(shè)備更新不夠，無法控制現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛?，給作業(yè)人員創(chuàng)造通風(fēng)佳、瓦斯低的環(huán)境。

(2)瓦斯監(jiān)控不完善

為有效保障煤礦生產(chǎn)中的瓦斯治理效果，在企業(yè)內(nèi)部需建立完善的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，由該系統(tǒng)中的自動(dòng)化環(huán)節(jié)來負(fù)責(zé)瓦斯的安全監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到瓦斯超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送警報(bào)，提醒煤礦作業(yè)人員注意。在行業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展步伐下，國(guó)家在強(qiáng)制推進(jìn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)與改造，但因?yàn)槭袌?chǎng)上依舊存在有一些小規(guī)模的煤礦企業(yè)，這部分企業(yè)因?yàn)榭紤]到瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)的成本和技術(shù)投入，在整個(gè)的升級(jí)改造方面，主動(dòng)性不夠。其次，在部分煤礦企業(yè)內(nèi)部雖形成了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，但系統(tǒng)的功能不足，管理漏洞多，在系統(tǒng)投入使用以后，無法對(duì)瓦斯異常情況加以預(yù)警。

(3)瓦斯處理方式有問題

在煤礦瓦斯的治理方面，治理效果深受處理技術(shù)的影響，如果在煤礦生產(chǎn)的過程中，所選用的瓦斯處理技術(shù)不先進(jìn)，將無法有效保障治理效果。就我國(guó)絕大多數(shù)的煤礦企業(yè)而言，在瓦斯治理方面一般都采用的是井下抽放的方式，這種方式與地面抽放相比，常常會(huì)存在很多的問題，稍不留意就會(huì)造成安全事故。通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)瓦斯治理有著突出的作用，但很多煤礦企業(yè)并未形成完善的通風(fēng)和排水系統(tǒng)，瓦斯超標(biāo)的現(xiàn)象無法解決。

2.對(duì)于優(yōu)化煤礦瓦斯治理的措施建議

(1)更新生產(chǎn)設(shè)備

為保障煤礦瓦斯的治理效果，在企業(yè)內(nèi)部一般要給瓦斯治理配備現(xiàn)代化設(shè)備，以通過設(shè)備的更新來發(fā)揮設(shè)備的功能作用。因此，各個(gè)煤礦企業(yè)在生產(chǎn)的過程中，都需要嚴(yán)格做好生產(chǎn)設(shè)備的更新，結(jié)合煤礦中的資金情況，給設(shè)備的更新設(shè)置專項(xiàng)資金。煤礦企業(yè)可與設(shè)備研發(fā)企業(yè)合作，將自身的瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)分享給設(shè)備研發(fā)企業(yè)，使得該企業(yè)可在瓦斯治理相關(guān)設(shè)備的研發(fā)中，有更為實(shí)用的參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備參數(shù)、結(jié)構(gòu)等的優(yōu)化，使得所研發(fā)的設(shè)備可更好地被應(yīng)用在瓦斯治理中。

(2)建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)

因?yàn)橥咚沟臒o色無味性，處于瓦斯環(huán)境中的煤礦作業(yè)人員，并不能識(shí)別出煤礦的瓦斯情況。因此，就需要在煤礦企業(yè)中，加強(qiáng)現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，在企業(yè)內(nèi)構(gòu)建完善的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)中的傳感器等智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊淖詣?dòng)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到瓦斯超標(biāo)的現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送預(yù)警，提醒相關(guān)人員開展瓦斯治理。煤礦企業(yè)中的監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)可借助自動(dòng)化技術(shù)來完成，確保所建立的監(jiān)控系統(tǒng)具有綜合性，可采集和傳輸語音、視頻和數(shù)據(jù)，在煤礦開采作業(yè)的進(jìn)行中，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可收集與瓦斯有關(guān)的濃度、范圍等信息，這些信息可作為后續(xù)瓦斯治理的依據(jù)。

(3)優(yōu)化瓦斯治理技術(shù)

隨著煤炭資源需求的日漸增多，各個(gè)煤礦企業(yè)都加大了開發(fā)力度，但隨著開采深度的增大，開采過程中面臨著越來越復(fù)雜的條件，存在的瓦斯威脅更大。為提高瓦斯治理效果，應(yīng)結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，來選擇最為恰當(dāng)?shù)耐咚怪卫砑夹g(shù)。瓦斯治理方面不能局限在單一的治理技術(shù)上，而應(yīng)該多種治理結(jié)合起來使用，煤礦企業(yè)之間要加強(qiáng)相互之間的技術(shù)交流和經(jīng)驗(yàn)共享，科學(xué)選擇增透措施，優(yōu)化礦井中的鉆孔方式，借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的瓦斯抽放方式。

當(dāng)然，瓦斯治理中的通風(fēng)方式也十分關(guān)鍵，只有保障了礦井中良好的通風(fēng)條件，才可避免瓦斯在封閉空間內(nèi)的過度集聚，因此，各個(gè)煤礦企業(yè)都要結(jié)合自身的礦井條件和通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，做好現(xiàn)代化通風(fēng)設(shè)備的引進(jìn)和配置，并在通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，加強(qiáng)風(fēng)速、風(fēng)量等的科學(xué)控制，以通過風(fēng)向流動(dòng)來減少瓦斯含量。

3.工程背景

以某煤礦企業(yè)為例，該礦井在開展大采高綜采或者厚煤層綜放開采作業(yè)的過程中，因?yàn)閷?duì)于開采作業(yè)面有著嚴(yán)格的通風(fēng)條件要求，經(jīng)由對(duì)礦井通風(fēng)的分析，礦井中大多都采用的是雙U形、Y形通風(fēng)以及三進(jìn)兩回通風(fēng)方式。該礦井中的采煤層包含2號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、11號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)的煤層厚度分別為3.2m、6.8m、2.9m、2.2m，現(xiàn)階段的開采工作進(jìn)行中，重點(diǎn)是對(duì)4號(hào)煤層的開采，結(jié)合對(duì)該煤層現(xiàn)場(chǎng)情況的全面分析，煤層頂?shù)装鍨橹旅苣鄮r分布，平均埋深保持在360m左右，伴隨著開采作業(yè)的進(jìn)行，瓦斯含量為5.8t/min，不存在突出危險(xiǎn)性，但存在煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

在4706綜放工作面上，因?yàn)殚_采作業(yè)的進(jìn)行中伴隨著一系列的開采工作實(shí)施，工作面存在著瓦斯危害，為了消除瓦斯對(duì)作業(yè)人員和開采作業(yè)的影響，綜合現(xiàn)場(chǎng)的全部因素，最終選用了風(fēng)排方式，以通過這一方式來降低工作面現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛萚1]。但風(fēng)排方式下雖然能夠給作業(yè)面提供新鮮的風(fēng)流條件，但也存在著一定的問題，比如，采面尾部聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)的瓦斯聚集迅速，且控制難度系數(shù)較高；在采面不同位置上聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)存在著角聯(lián)通風(fēng)的情況，無法保持通風(fēng)的穩(wěn)定性。

4.通風(fēng)優(yōu)化方案優(yōu)選

結(jié)合對(duì)該礦井多年來的產(chǎn)能、工藝、瓦斯涌出量等數(shù)據(jù)的全面分析，確定了該礦井中回采工作面的最大瓦斯涌出量和抽采后的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，從生產(chǎn)和技術(shù)角度對(duì)比了不同通風(fēng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選定了最佳的通風(fēng)方式。

(1)生產(chǎn)方面

如果在該礦井內(nèi)選用的是雙U形通風(fēng)系統(tǒng)，這一通風(fēng)系統(tǒng)的使用使得工作面上的漏風(fēng)量大大減小，且可以給礦井生產(chǎn)提供相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)流條件，但因?yàn)檫@一通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成十分復(fù)雜，在礦井中應(yīng)用以后，后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)中需投入大量的人力資源來負(fù)責(zé)這一系統(tǒng)的管理，管理難度大且常常伴隨著一些突發(fā)性問題的出現(xiàn)。U形通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成要素少，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在利用這一通風(fēng)系統(tǒng)開展礦井施工作業(yè)時(shí)，巷道施工的技術(shù)難度小，且漏風(fēng)量偏小且風(fēng)流穩(wěn)定，后續(xù)的管理工作十分便捷且高效，但在該礦井中應(yīng)用以后，上隅角瓦斯集聚的現(xiàn)象無法避免[2]。相比較而言，Y形通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果最佳，雖然可能伴隨著巷道漏風(fēng)問題且回風(fēng)巷的維護(hù)難度較大，但經(jīng)由相應(yīng)的管理和維護(hù)，可以有效克服這些問題。

(2)技術(shù)方面

從技術(shù)角度分析，當(dāng)采用的雙U形通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，在巷道斷面與送風(fēng)量相同的情況下，此時(shí)的送風(fēng)量相對(duì)偏小，設(shè)備維護(hù)便捷且在這一方面的資金投入量低，極易出現(xiàn)巷道漏風(fēng)問題，后續(xù)需在巷道維護(hù)方面投入較高的成本和較多的人力[3]。U形通風(fēng)下存在上隅角瓦斯集聚的現(xiàn)象。Y形通風(fēng)系統(tǒng)下，掘進(jìn)量相對(duì)偏小且巷道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有更高的安全性，且上隅角瓦斯集聚現(xiàn)象不易出現(xiàn)，只需要進(jìn)行沿空留巷即可。

5.采面通風(fēng)系統(tǒng)改造

(1)通風(fēng)系統(tǒng)改造

對(duì)該礦井的4607綜采工作面開展Y形通風(fēng)系統(tǒng)改造，具體的實(shí)施過程中，是在回采工作面推進(jìn)到與聯(lián)絡(luò)巷相接近的位置時(shí)，立即密閉該聯(lián)絡(luò)巷，確保在此條件下的采空區(qū)內(nèi)聯(lián)絡(luò)巷處于封閉條件下。高瓦斯煤層開采工作的進(jìn)行中，煤壁與落煤的瓦斯涌出量偏高，改造以后的通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出多巷進(jìn)風(fēng)的特點(diǎn)，完全可以達(dá)到通風(fēng)需求。

在該回采工作面通風(fēng)系統(tǒng)改造以后，采面回風(fēng)側(cè)密閉墻實(shí)現(xiàn)了封閉處理，在通風(fēng)的過程中，回風(fēng)流不經(jīng)過采面采空區(qū)側(cè)聯(lián)絡(luò)巷就可以達(dá)到良好的通風(fēng)效果，因此，具體的處理過程中，煤礦企業(yè)只需要對(duì)回風(fēng)上隅角瓦斯加以適當(dāng)處理即可。對(duì)采空區(qū)中的瓦斯加以抽采，通過此方式來減小上隅角的瓦斯涌出。采空區(qū)的瓦斯抽采，可以使得回風(fēng)上隅角處的瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?；采面采空區(qū)的壓力也同步下降；采空區(qū)中的負(fù)壓最低點(diǎn)經(jīng)由回風(fēng)上隅角向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。

(2)采空區(qū)內(nèi)瓦斯抽采設(shè)計(jì)

4706綜放工作面上的通風(fēng)選用兩進(jìn)兩回的方式，其中，47061、47063分別作為主進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷而存在，而47062、47064都作為回風(fēng)巷而存在。為解決在礦井開采作業(yè)中上隅角瓦斯集聚的問題，具體應(yīng)采用采空區(qū)瓦斯抽采、上隅角瓦斯稀釋的方式，因?yàn)?706綜放工作面開采作業(yè)的特殊性，采空區(qū)的瓦斯抽采過程中，鉆孔應(yīng)為高、中位鉆孔相結(jié)合的方式。

①高位采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔

在47061綜放工作面的47062巷的10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)、24號(hào)和30號(hào)聯(lián)絡(luò)巷位置，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的高位瓦斯抽采鉆孔布設(shè)，在每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷位置均布設(shè)4個(gè)高位鉆孔，根據(jù)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，經(jīng)由對(duì)應(yīng)的計(jì)算和模擬，得出高位鉆孔的最佳布置位置，根據(jù)此鉆孔的具體情況，高位鉆孔最適宜布設(shè)在煤層頂板上覆40m的位置，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 高位采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

②中位采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔

在47062巷的3號(hào)、7號(hào)、11號(hào)…25號(hào)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，都要進(jìn)行中位采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔的布設(shè)，其中，每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷中的抽采鉆孔數(shù)量都為8個(gè)，為發(fā)揮鉆孔對(duì)瓦斯抽采的重要作用，鉆孔應(yīng)遵循上下兩層的布設(shè)要求，而終孔處于煤層頂板20m、25m處。

③采空區(qū)埋管

在此礦井回采工作面的回采工作進(jìn)行中，伴隨著回采作業(yè)的不斷進(jìn)行，在采面后方的第一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷位置，要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采管埋設(shè)，使得在此區(qū)域中的瓦斯可以實(shí)現(xiàn)埋管抽采，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃谡７秶鷥?nèi)。根據(jù)對(duì)該采空區(qū)的具體情況分析，埋管抽采的處理中，需安排專業(yè)人員在聯(lián)絡(luò)巷的相應(yīng)位置上進(jìn)行對(duì)應(yīng)的埋管，所選取的抽采管管徑為D400mm。

6.采面通風(fēng)及瓦斯治理效果

(1)風(fēng)排瓦斯量及抽采瓦斯量

為獲得在對(duì)4706綜放工作面實(shí)施通風(fēng)改造和瓦斯防治以后的開采作業(yè)情況，給實(shí)際的開采作業(yè)提供切實(shí)的指導(dǎo)，在具體的通風(fēng)優(yōu)化和瓦斯治理中，因?yàn)椴扇×瞬煽諈^(qū)瓦斯抽放的處理方式，就需要了解這些改造和抽采以后的通風(fēng)情況和瓦斯涌出量，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)應(yīng)的開采工藝優(yōu)化。結(jié)合該采面的通風(fēng)改造情況，主要包含了4個(gè)通風(fēng)階段，具體為Y形通風(fēng)階段、初步改造階段、改造后期階段、兩進(jìn)一回通風(fēng)階段。當(dāng)在該采面實(shí)施了Y形通風(fēng)系統(tǒng)以后，即使在通風(fēng)的后期階段，采空區(qū)側(cè)聯(lián)絡(luò)巷仍未完全封閉，具有良好的通風(fēng)作用；經(jīng)由過渡階段以后，采面后方聯(lián)絡(luò)巷得以全面密閉，通過在采空區(qū)中瓦斯抽采管路的預(yù)埋，瓦斯抽采工作得以高效實(shí)施。

對(duì)此作業(yè)面通風(fēng)改造以后4個(gè)階段的風(fēng)排瓦斯、抽采瓦斯量等參數(shù)指標(biāo)加以全面監(jiān)測(cè)，根據(jù)對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在Y形通風(fēng)階段，依舊采用的是Y形通風(fēng)系統(tǒng)，此時(shí)的采面風(fēng)量相對(duì)較大，采空區(qū)中的瓦斯治理是由風(fēng)排方式來完成的，與此同時(shí)，采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)尚未正式投入運(yùn)行；在初步改造階段和改造后期階段，采空區(qū)立體瓦斯抽采鉆孔與采空區(qū)埋管瓦斯抽采正式投入使用，瓦斯抽采量保持在相對(duì)穩(wěn)定的條件下，保持在25m3/min左右，但風(fēng)排瓦斯量大大降低，由于是在改造的后期階段，整個(gè)采空區(qū)的瓦斯抽采量達(dá)到了最大值，此時(shí)回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)排瓦斯量都處于相對(duì)較低的水平，回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采量與風(fēng)排瓦斯量之間存在著負(fù)向變化的關(guān)系。

(2)采面上隅角瓦斯?jié)舛?/h3>

對(duì)4706綜放工作面的通風(fēng)系統(tǒng)加以全面優(yōu)化以后，實(shí)施了為期10個(gè)月的開采作業(yè)，在開采作業(yè)進(jìn)行的過程中，上隅角瓦斯?jié)舛仍谧罡叩臈l件下達(dá)到了0.75%，根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，瓦斯?jié)舛仍?.6%以上的時(shí)間達(dá)到了45d，而在0.4%～0.6%之間的瓦斯?jié)舛葧r(shí)間持續(xù)了105d，說明這一通風(fēng)系統(tǒng)改造以后的作用明顯，符合礦井安全生產(chǎn)的切實(shí)需求。

7.結(jié)語

當(dāng)下的煤礦企業(yè)生產(chǎn)中，很多礦井回采工作面都面臨著通風(fēng)和瓦斯方面的問題，為了給開采作業(yè)創(chuàng)造相對(duì)理想的作業(yè)環(huán)境，各個(gè)礦山企業(yè)都應(yīng)在回采工作面上進(jìn)行對(duì)應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和瓦斯治理，以全面推進(jìn)開采作業(yè)的有序?qū)嵤?/p>