新元礦瓦斯治理及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

杜江濤

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

1 概況

瓦斯作為煤炭開采常見的氣體，一旦出現(xiàn)爆炸或大量溢出，都將嚴(yán)重威脅到井下工作人員的生命安全，也給煤礦企業(yè)帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失。綜放工作面的工作特點(diǎn)可能會(huì)造成在短時(shí)間內(nèi)大量煤體涌出的同時(shí)瓦斯含量也會(huì)快速增大，因此傳統(tǒng)的綜放工作面U 型通風(fēng)系統(tǒng)很容易在區(qū)段回風(fēng)平巷上隅角處出現(xiàn)瓦斯積聚超標(biāo)，嚴(yán)重威脅到綜放工作面的正常開采作業(yè)。針對(duì)這種現(xiàn)象，本文以新元礦為研究對(duì)象，對(duì)該礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)礦井工作面進(jìn)行瓦斯治理。

新元礦煤層厚度4.3～6.2 m，年產(chǎn)煤炭180 萬t，礦井為雙斜井布置，放頂煤工藝開采。根據(jù)資料顯示，該礦的瓦斯涌出量為20.3 m3/t，屬于高瓦斯礦井。該礦原有通風(fēng)系統(tǒng)為并列式“U+L”型通風(fēng)，如圖1 所示，安裝BDK54-8-N023 通風(fēng)設(shè)備，供應(yīng)風(fēng)量4500 m3/min。該工作面布置為“2+1”式，即2 條平巷沿煤層底板布置，1 條工作面瓦斯尾巷排放瓦斯，沿煤層頂板布設(shè)。實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，綜放工作面開采各階段該礦瓦斯巷道內(nèi)的瓦斯涌出量仍保持在高瓦斯礦井含量范圍，基本保持在2.5%以上濃度，危險(xiǎn)性大。且瓦斯巷很容易在頂煤冒放過程中出現(xiàn)堵塞，影響瓦斯排放過程，因此急需進(jìn)行瓦斯治理及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。

圖1 原“U+L”型通風(fēng)方式示意圖Fig.1 Original'U+L'ventilation schematic

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配計(jì)算

實(shí)際生產(chǎn)過程中需要通過礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)量分配定律對(duì)巷道風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

（1） 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)搭建。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是利用線、點(diǎn)以及其它屬性組成的系統(tǒng)來進(jìn)行表示的，通過多條支路進(jìn)行組合連接，每條支路都有各自編號(hào)，支路的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)。支路代表的是井下的各個(gè)巷道，而節(jié)點(diǎn)則代表巷道的連接處或叉口，這種結(jié)構(gòu)可以更為簡潔的表達(dá)出礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（2） 風(fēng)量平衡定律。在通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，任一時(shí)刻時(shí)間節(jié)點(diǎn)流入的空氣質(zhì)量應(yīng)與流出的空氣質(zhì)量相同，也就是流入與流出風(fēng)量應(yīng)該相等，即：

式中：Qr為流入的風(fēng)量，m3/s；Qh為流出的風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)以上2 個(gè)規(guī)律可以對(duì)每個(gè)巷道以及各支路的風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，串聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的各風(fēng)量是相同的，而并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)則要對(duì)各巷道的通風(fēng)阻力進(jìn)行計(jì)算。但在實(shí)際情況中，礦井井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)大多是角聯(lián)型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，很難直接進(jìn)行計(jì)算，需進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性分析進(jìn)行計(jì)算。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性分析

當(dāng)?shù)V井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)支路也就是井下某個(gè)巷道的通風(fēng)阻力增加時(shí)，該巷道的風(fēng)量就會(huì)減小，同時(shí)風(fēng)壓也會(huì)相應(yīng)增大；相反通風(fēng)阻力減小時(shí)，該巷道的風(fēng)壓會(huì)減小風(fēng)量也會(huì)增加。巷道即網(wǎng)絡(luò)支路風(fēng)阻變化，除了自身風(fēng)量發(fā)生變化，對(duì)其余的分支也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，離該支路越近受到的影響越大。因此，在巷道貫通區(qū)域進(jìn)行礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)礦井現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，貫通巷道內(nèi)的風(fēng)壓值計(jì)算量應(yīng)取決于兩端處的風(fēng)壓差值。在日常通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是否改變、局部通風(fēng)阻力的變化以及通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)工況，因此需根據(jù)這些特性，對(duì)新元礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 “Y+L”型通風(fēng)系統(tǒng)

“Y+L”型通風(fēng)系統(tǒng)是結(jié)合“Y”與“U+L”兩者結(jié)合的產(chǎn)物。

“Y”型通風(fēng)也是兩進(jìn)一回形式，工作面上下巷道均進(jìn)風(fēng)，其中一條進(jìn)風(fēng)巷在靠近采空區(qū)的一側(cè)，承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)并通過加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行維護(hù)，如圖2 所示。該通風(fēng)方式可以有效避免原有“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)上隅角瓦斯積聚問題，而且確保了刮板輸送機(jī)以及各管線處于新鮮風(fēng)流當(dāng)中，更為安全可靠；回風(fēng)巷道內(nèi)無構(gòu)筑物以及管線限制回風(fēng)量，安全性也得到提高。但該通風(fēng)方式施工上較為困難，在采空區(qū)維護(hù)巷道的成本也較高。

圖2 “Y”型通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.2 'Y'ventilation system schematic

由圖2 可以看出，進(jìn)風(fēng)巷在采空區(qū)后的一段承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)，但由于技術(shù)限制以及巷道維護(hù)成本等因素，此次設(shè)計(jì)選用“Y+L”型通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行代替，如圖3 所示。

圖3 “Y+L”型通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.3 'Y+L'ventilation system

該系統(tǒng)同樣兩巷道進(jìn)風(fēng)，同時(shí)有尾巷設(shè)計(jì)，是兩者結(jié)合的產(chǎn)物。兩風(fēng)巷均可布設(shè)設(shè)備，風(fēng)阻較小且設(shè)備之間互不妨礙，符合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)新元礦實(shí)際情況，對(duì)尾巷的設(shè)計(jì)長度進(jìn)行了縮減，長度保持在60～100 m，有助于通風(fēng)安全。兩條通風(fēng)巷進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)及設(shè)備運(yùn)輸，瓦斯排放力度增強(qiáng)且綜放面產(chǎn)量也會(huì)相應(yīng)提高，優(yōu)勢(shì)明顯。

但該通風(fēng)系統(tǒng)仍有一些缺陷，一是風(fēng)流要通過采空區(qū)進(jìn)行排放，采空區(qū)頂板垮落較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響風(fēng)量，特別是在上隅角處影響更為嚴(yán)重，因此需要進(jìn)行人工維護(hù)，留設(shè)通風(fēng)空間，工程量較大；二是采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會(huì)伴隨風(fēng)流流入回風(fēng)巷，增加了回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.3 局部風(fēng)量調(diào)節(jié)

局部風(fēng)量調(diào)節(jié)是指對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中某支路風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)過程中風(fēng)量不能滿足生產(chǎn)需要導(dǎo)致的。此次新元礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，需對(duì)該礦回風(fēng)尾巷的風(fēng)量進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。

局部風(fēng)量調(diào)節(jié)方式包括增加和減少風(fēng)量2 種。增加風(fēng)量的一種方式是降低巷道通風(fēng)阻力，但這種方式效果不好，且工程量大，需要拆除通風(fēng)構(gòu)筑物等，因此一般可通過局部通風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的增加，但該方案也會(huì)對(duì)其余支路風(fēng)量造成一定影響；減少巷道風(fēng)量則可通過布設(shè)風(fēng)窗來實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示，通過增阻法進(jìn)行風(fēng)量控制，但這種方法會(huì)增加通風(fēng)總阻力，增加風(fēng)能損耗。根據(jù)新元礦實(shí)際情況，回風(fēng)尾巷調(diào)節(jié)是因瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，需增加風(fēng)量，因此通過在進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷處布設(shè)局部通風(fēng)機(jī)送風(fēng)，進(jìn)行風(fēng)量調(diào)控，確保生產(chǎn)安全。

圖4 增阻調(diào)節(jié)風(fēng)窗簡圖Fig.4 Brief diagram of resistance increasing adjusting wind window

4 通風(fēng)效果監(jiān)測(cè)設(shè)備

綜采工作面的安全開采以及礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否維持正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要井下瓦斯傳感器對(duì)瓦斯含量監(jiān)測(cè)來進(jìn)行判別，瓦斯傳感器的監(jiān)測(cè)精度以及可靠性是衡量其設(shè)備好壞的主要指標(biāo)。煤礦常用的2類瓦斯傳感器分別熱導(dǎo)式和熱效式。熱導(dǎo)式是利用瓦斯氣體與常規(guī)氣體之間的導(dǎo)熱級(jí)別不同進(jìn)行瓦斯含量監(jiān)測(cè)，原理簡單但監(jiān)測(cè)精度較低，井下潮濕的工作環(huán)境以及風(fēng)量、溫度對(duì)熱導(dǎo)式傳感器的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性有著極大的影響；熱效式瓦斯傳感器利用可燃性材料引導(dǎo)瓦斯自燃進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以此來判斷瓦斯含量，雖不會(huì)受到井下工作環(huán)境的制約，但井下燃燒氣體也包括硫元素等，因此監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)有較大誤差。

針對(duì)新元礦井下實(shí)際情況，對(duì)瓦斯傳感器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。將該礦井下熱導(dǎo)式瓦斯傳感器可燃性材料更換為SnO2，解決了監(jiān)測(cè)精度低的問題。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)以及瓦斯防治技術(shù)，不但在通風(fēng)成本上耗資巨大，通風(fēng)效果以及通風(fēng)量的靈活調(diào)節(jié)手段較差，而且瓦斯防治技術(shù)上也存在很大弊端。以新元礦為研究對(duì)象，利用礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)量分配公式計(jì)算各巷道需風(fēng)量，提出采用“Y+L”型通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)該礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓`活調(diào)節(jié)巷道通風(fēng)方式，滿足了各種復(fù)雜條件下的風(fēng)量供應(yīng)，保障了井下煤炭資源的安全高效開采。