礦井瓦斯治理及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化探討

付永江

（貴州盤南煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州六盤水 561601）

0 引言

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤礦行業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。在煤炭資源開發(fā)過程中，我國逐漸形成了以大型國有煤礦為主、中小煤礦為輔的格局。然而，我國煤礦安全生產(chǎn)事故時常發(fā)生，因煤礦開采而死亡的人數(shù)呈上升趨勢。礦難的發(fā)生不僅造成了大量人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，而且嚴(yán)重影響了煤炭行業(yè)的正常發(fā)展秩序。為了保證開采的安全性，需要做好瓦斯災(zāi)害的防治工作。礦井瓦斯的治理在安全生產(chǎn)中至關(guān)重要，近年來全國范圍內(nèi)的煤炭企業(yè)大多兼并重組，且很多大型礦井的建設(shè)和改造工程不斷深入，在多種因素的影響下，煤礦瓦斯災(zāi)害問題變得更加復(fù)雜和嚴(yán)峻。因此，加強(qiáng)對煤礦瓦斯防治工作的研究探討非常有必要。

1 礦井瓦斯爆炸的相關(guān)情況分析

煤炭是社會工業(yè)生產(chǎn)以及生活工作中不可或缺的組成部分，煤炭的開采歷史比較悠久，但是隨著時間的推移，煤礦的開采難度越來越大。隨著煤礦深度的增加，提升了開采的復(fù)雜性和瓦斯的濃度，一旦瓦斯的濃度超過限制就會發(fā)生爆炸。自20 世紀(jì)90 年代開始，我國瓦斯爆炸事故的發(fā)生率逐年提升，其中最主要的原因就是瓦斯含量超標(biāo)。瓦斯的燃點(diǎn)比較高，在正常溫度下不會引發(fā)瓦斯爆炸，但是煤礦開采工作在地下開展，工作人員需要長時間處于黑暗的環(huán)境，為了正常的工作需要不間斷的照明，這些因素會促使礦井下的電壓發(fā)生變化[1-2]。若是電壓出現(xiàn)異常，就會促使溫度發(fā)生變化，溫度的急速上升，會引發(fā)瓦斯爆炸。

我國煤礦發(fā)生重大傷亡事故，絕大多數(shù)都是由于井下通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年發(fā)生的各類礦難中，有70%以上是通風(fēng)系統(tǒng)的責(zé)任事故。從近年來國內(nèi)發(fā)生的幾起特大礦難來看，幾乎全部是由于井下安全監(jiān)控系統(tǒng)失靈而引起的“盲區(qū)”，造成人員窒息死亡或中毒受傷等惡性后果。在許多情況下，由于監(jiān)控系統(tǒng)的失效導(dǎo)致作業(yè)人員不能及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患。同時，由于現(xiàn)場作業(yè)人員的盲目操作或違章指揮，使隱患得不到及時消除而造成慘劇的發(fā)生。

礦井瓦斯的爆炸受到多種因素的影響，瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣都會誘發(fā)瓦斯爆炸。礦井瓦斯爆炸不僅會造成礦井的塌陷，也會產(chǎn)生大量的廢氣，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境，更會對開采人員的人身安全造成影響。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題

目前，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)為單一進(jìn)風(fēng)井、斜井雙巷開采，主要巷道布置在+1465m 水平，為一翼貫通，通風(fēng)方式為一翼回風(fēng)、一翼正常通風(fēng)，主要通風(fēng)機(jī)為YCS708 型。+1465m 水平一翼采用全風(fēng)壓通風(fēng)方式，+1465m 水平采用正常通風(fēng)方式。礦井總回風(fēng)量約為56000m3/min；進(jìn)風(fēng)巷道總長度為3281m，回風(fēng)巷道總長度為3759m。礦井主要通風(fēng)機(jī)配備2 臺YCS708 型抽出式對旋式通風(fēng)設(shè)備，額定風(fēng)量為2385m3/min。該設(shè)備安裝在+1465m 水平的進(jìn)風(fēng)巷道中，布置在進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的主要進(jìn)風(fēng)巷道斷面為3.5m×3.5m（凈寬）。進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置1 臺YCS708型抽出式對旋式通風(fēng)機(jī)，主要用于主回風(fēng)系統(tǒng)的補(bǔ)充通風(fēng)。

目前，我國煤礦井田多、地質(zhì)條件復(fù)雜，采區(qū)巷道長，生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生大量粉塵。而我國大部分煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)仍以自然進(jìn)風(fēng)為主(包括局部機(jī)械通風(fēng))，即依靠風(fēng)流和煙氣自身流動，滿足井下人員與設(shè)備的正常呼吸需要。這種傳統(tǒng)的自然進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在以下問題。

2.1 局部通風(fēng)機(jī)能力不足

在煤礦井下，由于巷道狹窄、煤壁較厚，在掘進(jìn)過程中容易產(chǎn)生風(fēng)流短路。同時，由于巷道內(nèi)溫度高、空氣稀薄，造成礦井內(nèi)的氧氣濃度低。為了保證作業(yè)人員呼吸安全及防止一氧化碳中毒事故的發(fā)生，要求礦井必須保證足夠的風(fēng)量。但是，目前我國大多數(shù)的煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)條件比較落后，設(shè)備陳舊老化現(xiàn)象嚴(yán)重，特別是部分老礦的生產(chǎn)技術(shù)裝備水平較低(如綜采工作面)，其配套的風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)或性能差導(dǎo)致局部通風(fēng)能力不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。此外，回風(fēng)巷道的風(fēng)量較小，滿足不了礦井生產(chǎn)的需要[3]。

2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不合理

在煤礦的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，礦井主扇、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和輔助回風(fēng)的布置是決定礦井通風(fēng)能力的主要因素之一，如果這些部分布置不當(dāng)，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的風(fēng)量不足。當(dāng)前，大多數(shù)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置極不合理，且主井及副井通風(fēng)能力不足，部分巷道（尤其是部分采區(qū)回風(fēng)巷道）沒有形成全風(fēng)壓通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致部分巷道風(fēng)量不足，部分巷道風(fēng)流短路。例如在平硐開拓掘進(jìn)工作面，由于采空區(qū)面積大、空間狹小以及煤巖體自燃發(fā)火等自然條件的影響，造成采空區(qū)的漏風(fēng)量增大。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況合理地布置各條巷道中的風(fēng)流通道及風(fēng)機(jī)房的位置和數(shù)量。同時，還要注意對各主要風(fēng)流通道進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)處理。

2.3 采掘工作面風(fēng)流不穩(wěn)定

在生產(chǎn)過程中，由于煤巖體賦存條件和開采工藝的不同，各采區(qū)、各個采煤工作面的風(fēng)流狀況不穩(wěn)定，尤其是主井、回風(fēng)巷道風(fēng)流穩(wěn)定性差。當(dāng)巷道斷面發(fā)生變化或頂板來壓時，風(fēng)流就會發(fā)生較大變化；當(dāng)回風(fēng)上山出現(xiàn)片幫、冒落等地質(zhì)災(zāi)害時，風(fēng)流也會產(chǎn)生較大波動；當(dāng)遇到斷層破碎帶或構(gòu)造裂隙發(fā)育的軟巖層時，還會形成“漏風(fēng)”。而在煤礦井下，由于巷道彎曲、狹窄和煤壁凹凸不平，導(dǎo)致風(fēng)流分布不均勻；在開采過程中，由于采動引起頂板巖層松動或垮落、冒落以及回風(fēng)巷破壞等影響，也會使工作面的風(fēng)量發(fā)生變化，這些因素都會造成風(fēng)流不穩(wěn)定。此外，局部通風(fēng)機(jī)未按規(guī)定進(jìn)行維修或未及時更換，局部通風(fēng)機(jī)電源不穩(wěn)定，出現(xiàn)頻繁停電的現(xiàn)象，影響工作面的正常通風(fēng)。

2.4 瓦斯管理不嚴(yán)格

在煤礦生產(chǎn)過程中，如果通風(fēng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行嚴(yán)格的維護(hù)和檢查，或者操作人員責(zé)任心不強(qiáng)、安全意識淡薄等會造成通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)壓不足、風(fēng)量不夠或漏風(fēng)嚴(yán)重等問題。當(dāng)發(fā)生透水事故時，就會使大量風(fēng)流進(jìn)入采掘工作面，從而增加采掘作業(yè)人員的危險程度。另外，在發(fā)生瓦斯事故后，也會導(dǎo)致大量風(fēng)流進(jìn)入工作面而加大人員傷亡程度。因此，必須對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查維修，及時排除各種隱患，避免瓦斯事故的發(fā)生。

3 礦井瓦斯治理方法分析

根據(jù)生產(chǎn)需求及礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，現(xiàn)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，主要內(nèi)容如下。

3.1 改造瓦斯抽放系統(tǒng)

在瓦斯治理的過程中，對井下采掘工作面、運(yùn)輸大巷、主要通風(fēng)設(shè)施等高風(fēng)險區(qū)域?qū)嵤┓劳淮胧?。對于沒有防突措施的采掘工作面或未安裝安全避險系統(tǒng)的運(yùn)輸大巷和主要通風(fēng)設(shè)施，必須立即進(jìn)行技術(shù)改造；對于已經(jīng)完成防突措施的采掘工作面或已安裝安全避險系統(tǒng)的運(yùn)輸大巷和主要風(fēng)機(jī)房等重點(diǎn)場所，必須及時開展檢測檢驗(yàn)和安全評估；對于存在重大隱患的井工礦、露天礦，要制定應(yīng)急預(yù)案并嚴(yán)格落實(shí)。對一翼回風(fēng)巷進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)主井、副井同時提升的目標(biāo)[4]。

3.2 優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在煤礦開采過程中，隨著采空區(qū)、廢棄巷道等空間的存在和不斷增多，導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)通風(fēng)阻力增大的問題。為保證井下作業(yè)人員呼吸暢通及生產(chǎn)安全，必須對通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改造。在礦建井后進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對井下所有風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)、閥門等進(jìn)行全面改造。同時，將全礦各生產(chǎn)工作面采用中央控制室集中控制的方式，實(shí)現(xiàn)“無人值守”，使各個作業(yè)地點(diǎn)由原來各自為政的獨(dú)立管理變?yōu)榻y(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理模式。利用地面監(jiān)控中心對井下各個區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與指揮調(diào)度，與現(xiàn)場操作人員密切配合，確保整個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 改造老空區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)

老空區(qū)的形成主要是由于井下巷道空間有限，采掘工作面布置緊湊，造成局部區(qū)域風(fēng)量不足、溫度較高而形成“熱害區(qū)”，隨著開采時間的增加，“老空”會越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國煤礦的“老空”面積占總可采面積的10%左右，在這種情況下，必須對“老空”進(jìn)行改造。老空區(qū)的治理是煤礦生產(chǎn)中一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，由于井下巷道縱橫交錯、空間狹小，通風(fēng)設(shè)施布置復(fù)雜、施工難度大，為滿足運(yùn)輸、通風(fēng)等需要，必須設(shè)置大量的井筒和采場風(fēng)門，這些井筒和風(fēng)門的安裝位置往往位于礦體的中部或偏下部位，與煤體呈“V”型或倒“V”型關(guān)系(即沿走向方向)，造成局部區(qū)域形成空氣滯留帶。當(dāng)遇到微風(fēng)時，“V”字型的兩個開口處會產(chǎn)生渦流并引起氣流紊亂；當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)時，則會出現(xiàn)強(qiáng)烈紊流并導(dǎo)致風(fēng)流短路甚至斷鏈?zhǔn)鹿拾l(fā)生。另外，“V”型空間結(jié)構(gòu)的另一端往往是回風(fēng)的出口通道口或進(jìn)風(fēng)的主入口通道口，一旦出現(xiàn)堵塞或者漏風(fēng)，就會導(dǎo)致整個區(qū)域的通風(fēng)能力下降甚至喪失，因此必須改造老空區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)[5]。

3.4 嚴(yán)格控制巷道內(nèi)的通風(fēng)構(gòu)筑物

煤礦井筒內(nèi)嚴(yán)禁修建任何形式的通風(fēng)設(shè)施。在井筒內(nèi)不得設(shè)置風(fēng)門、風(fēng)橋、密閉罩等，不得采用自然通風(fēng)或機(jī)械抽放式聯(lián)合通風(fēng)，嚴(yán)禁利用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部通風(fēng)，嚴(yán)禁利用無動力風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部通風(fēng)。對不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，一律不得通過安全監(jiān)管部門驗(yàn)收并投入使用。在開采煤炭時，必須安裝必要的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的安裝有一定的要求，為了保證通風(fēng)效果，風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在地面安全地點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)需要井下安裝時，風(fēng)機(jī)的位置應(yīng)放置在安全位置，避開可燃物和危險物，尤其是瓦斯危險區(qū)。此外，風(fēng)機(jī)房應(yīng)遠(yuǎn)離主要運(yùn)輸線，并保證人員能正常進(jìn)出。

3.5 做好監(jiān)控工作

目前，大多數(shù)礦山企業(yè)均采用了以地面視頻監(jiān)控為主、局部區(qū)域多點(diǎn)控制結(jié)合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但隨著安全生產(chǎn)要求的不斷提高，“視頻監(jiān)控”技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)管理需要，“視頻監(jiān)控+地面控制室值守”成為當(dāng)前最有效的安全防范手段之一。井上主扇風(fēng)機(jī)關(guān)乎礦井通道的通風(fēng)，若是礦井上的主扇風(fēng)機(jī)停止運(yùn)作，“視頻監(jiān)控系統(tǒng)”會立即發(fā)出報(bào)警信號，以此保證地面值班員可以第一時間發(fā)現(xiàn)問題；值班員應(yīng)立即根據(jù)報(bào)警信號迅速趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理，并且要及時提醒相關(guān)開采人員和工作人員，以保證在最短的時間內(nèi)幫助開采人員撤離到安全地點(diǎn)。等待一段時間后，在確認(rèn)無險情后即可恢復(fù)正常的開采工作。

4 礦井瓦斯治理的優(yōu)化效果分析

通過優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，可以有效地保障礦井的安全工作，對開展正常的煤礦開采工作有極大的幫助。通風(fēng)系統(tǒng)的完善可以減少瓦斯爆炸的可能性，增加煤炭開采的安全性，也可以使煤礦企業(yè)獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。首先，煤礦開采工作經(jīng)過優(yōu)化后，一定程度上增加了瓦斯抽采量，瓦斯抽采效果日益明顯，并且提升了礦井瓦斯的抽采率。其次，各采區(qū)進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)流方向不同，根據(jù)各采區(qū)的實(shí)際風(fēng)流情況，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)流風(fēng)速均高于優(yōu)化前。最后，經(jīng)過優(yōu)化，通風(fēng)系統(tǒng)大大降低了生產(chǎn)成本，各風(fēng)機(jī)均實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速[6-7]。

通過實(shí)施礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化項(xiàng)目，提高了對風(fēng)量的利用率，降低了瓦斯抽采成本；優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)能夠減少漏風(fēng)、降低礦井總阻力、避免產(chǎn)生新干擾；在各風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制下能夠進(jìn)一步提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對于目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的情況下，通過實(shí)施礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化項(xiàng)目能夠?yàn)槲覈旱V安全高效生產(chǎn)提供保障。

5 結(jié)語

瓦斯災(zāi)害的防治是煤礦安全生產(chǎn)中的重中之重。目前，我國在瓦斯防治方面仍存在諸多問題，這也是煤礦安全生產(chǎn)過程中的隱患。因此，必須加強(qiáng)對礦井瓦斯治理及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化相關(guān)問題的研究探討，提高煤礦瓦斯治理能力，減少井下瓦斯?jié)舛?，進(jìn)一步提高礦井安全生產(chǎn)效率和安全性。