礦井間斷通風(fēng)瓦斯積聚機(jī)理及防治技術(shù)研究

仇婷婷 李金龍

山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602

在礦井生產(chǎn)過程中瓦斯含量超標(biāo)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)行，隨著機(jī)械化水平的不斷提高，采空區(qū)垮落面積越來越大，采空區(qū)賦存的瓦斯和工作面開采過程中的瓦斯回流至巷道上隅角等地方，一旦發(fā)生煤與瓦斯突出事故，將對礦井造成巨大的損失。采空區(qū)是瓦斯聚集的主要地方，大量瓦斯的涌出嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)，不僅影響設(shè)備的運(yùn)行，更危及到工作人員的生命安全[1]。本文針對礦井間斷通風(fēng)期間瓦斯積聚的問題，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。

1 間斷通風(fēng)產(chǎn)生原因及影響

1.1 間斷通風(fēng)產(chǎn)生的原因

即使礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)流滿足《煤礦安全規(guī)程》，因為通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定也會造成氣體濃度變化超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。造成通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素有很多，一般分為兩類：一類是正常通風(fēng)情況下的不穩(wěn)定現(xiàn)象，一般往往是主通風(fēng)線路穩(wěn)定，分支通風(fēng)因為停機(jī)、反向等原因不穩(wěn)定；另外一種則是會引起災(zāi)變的不穩(wěn)定通風(fēng)。目前，造成礦井間斷通風(fēng)的主要因素主要有三種：主通風(fēng)機(jī)故障造成的風(fēng)流停風(fēng)；巷道風(fēng)阻過大造成了間斷通風(fēng)現(xiàn)象；風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，倒機(jī)過程中造成的常規(guī)停風(fēng)[2]。本文主要研究正常通風(fēng)情況下風(fēng)機(jī)倒機(jī)過程中造成的間斷通風(fēng)，這種情況下引起間斷通風(fēng)的主要因素是主通風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定造成，最終導(dǎo)致了供風(fēng)不足，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的失穩(wěn)。

1.2 間斷通風(fēng)的影響

目前礦井采用抽出式通風(fēng)，該通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流循環(huán)線路如下：新鮮風(fēng)流從風(fēng)井進(jìn)入巷道，經(jīng)過回采工作面后，最終通過回風(fēng)大巷流經(jīng)回風(fēng)井排放到空氣中。在整個通風(fēng)系統(tǒng)中，主通風(fēng)機(jī)和備用風(fēng)機(jī)在交換的過程中，電動機(jī)的啟動、停止造成了間斷通風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，風(fēng)機(jī)倒機(jī)過程如下：關(guān)閉主通風(fēng)機(jī)的電機(jī)，通過控制風(fēng)機(jī)閥門，關(guān)閉了主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后打開備用風(fēng)機(jī)，運(yùn)行備用風(fēng)機(jī)，整個倒機(jī)過程持續(xù)約10min，10min的間斷通風(fēng)，瓦斯將通過煤層的孔隙結(jié)構(gòu)向外不斷擴(kuò)散，雖然礦井有相應(yīng)的瓦斯抽采管，但是當(dāng)煤層埋深較大時，采動將極大改善煤層的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)瓦斯的涌出，涌出的瓦斯與新鮮風(fēng)流混合在一起排到地面，倒機(jī)過程中，風(fēng)流不穩(wěn)定，瓦斯并不能及時的排出地面，因此造成了瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的現(xiàn)象。

2 采空區(qū)及工作面瓦斯分析

隨著工作面開采、采空區(qū)頂板的垮落下沉，煤層在應(yīng)力擾動下出現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋的擴(kuò)張發(fā)育為瓦斯氣體的流動提供了便利通道，因此了解采空區(qū)及工作面附近的瓦斯?jié)舛茸兓瘜Π踩a(chǎn)有重要意義。一般而言，采空區(qū)因為通風(fēng)條件差、受到開采煤層與未開采煤層的共同作用，瓦斯?jié)舛茸兓哺訌?fù)雜，基于此原因，對采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行考量時需要作出一定的假設(shè)，假設(shè)如下：

（1）當(dāng)巷道內(nèi)沒有風(fēng)流時，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)，實際情況下，即使處于無風(fēng)狀態(tài)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫彩菚幸欢ú町惖?，但是為了得到瓦斯?jié)舛炔钜鸬耐咚沽鲃訑U(kuò)散能力，只能假設(shè)無通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯呈現(xiàn)均勻分布。

（2）實際情況下，采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯氣體在封閉空間內(nèi)會隨著時間的積累逐漸積聚，如果沒有抽采措施，采空區(qū)瓦斯含量將會特別高，本文中，假設(shè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊淖兓慌c工作面漏風(fēng)有關(guān)，對于瓦斯?jié)舛鹊陀?%的部分進(jìn)行研究，確定了影響瓦斯?jié)舛鹊淖兞恳蛩刂皇情g斷通風(fēng)造成。

（3）忽略臨近煤層以及尾巷等對采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽?/p>

（4）工作面瓦斯涌出量包括掘進(jìn)過程中瓦斯的涌出量，對于過渡區(qū)域的瓦斯涌出量應(yīng)該分為采空區(qū)和工作面兩部分。

過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊臏y試方法如下：在過渡區(qū)域空間均勻分為5個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)分別布置間距為0.9m的9個測點，為了避免測量結(jié)果的偶然性，多次測量求平均值，通過計算便可得到過渡區(qū)域內(nèi)工作面瓦斯涌出量和采空區(qū)瓦斯涌出量的值。

計算得到圖1所示的過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓€，從圖中可以看出，不同界面內(nèi)瓦斯?jié)舛榷汲尸F(xiàn)先降低后增加的趨勢，即每個斷面內(nèi)都存在最低濃度區(qū)，總體而言，最低濃度區(qū)一般出現(xiàn)在距離煤壁4-6m的位置，造成這種現(xiàn)象的主要原因是工作面漏風(fēng)所致。實際測量數(shù)據(jù)顯示，漏風(fēng)對于中間斷面的影響最大，在距離工作面煤壁6m的位置瓦斯?jié)舛戎挡胚_(dá)到最低。此外，對于截面Ⅴ而言，在距離工作面煤壁4m的位置瓦斯?jié)舛戎颠_(dá)到最低，此時和采空區(qū)的距離達(dá)到4m，由此便可得到過渡區(qū)域內(nèi)工作面瓦斯涌出量比值為55.6%，采空區(qū)瓦斯涌出量比值為44.4%。

圖1 過渡區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓€

3 間斷通風(fēng)解決方案

礦井目前的通風(fēng)方式存在諸多問題，主要原因是在倒機(jī)的10min過程中，礦井出現(xiàn)間斷通風(fēng)，造成了瓦斯含量超標(biāo)，考慮到井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性以及成本問題，對通風(fēng)系統(tǒng)做出調(diào)整，改進(jìn)后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，該通風(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、對空風(fēng)門以及蝶閥組成，通過電動機(jī)驅(qū)使蝶閥平衡，保證了電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時減少了通風(fēng)過程中的阻力，提高了兩臺風(fēng)機(jī)的重排速度。具體過程如下：先打開備用風(fēng)機(jī)A，同時打開相應(yīng)的阻尼器，此時風(fēng)機(jī)A開始運(yùn)行，空氣經(jīng)過阻尼器流經(jīng)巷道，通過通風(fēng)井流出；隨后緩慢關(guān)閉風(fēng)機(jī)A和與其對應(yīng)的阻尼器，并打開風(fēng)機(jī)B和與其對應(yīng)的阻尼器；之后打開備用風(fēng)機(jī)，緩慢關(guān)閉風(fēng)機(jī)B和與其對應(yīng)的阻尼器；最后完全關(guān)閉風(fēng)機(jī)A和與其對應(yīng)的阻尼器，風(fēng)機(jī)B和與其對應(yīng)的阻尼器也需完全關(guān)閉。需要注意的是，在整個倒機(jī)過程中，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率無需改變，按照原頻率運(yùn)行即可。

圖2 改進(jìn)后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

風(fēng)機(jī)倒機(jī)過程中參數(shù)如表1所示，

表1 風(fēng)機(jī)倒機(jī)過程中電機(jī)運(yùn)行參數(shù)

從表中可以看出，改進(jìn)后的通風(fēng)方案下，整個倒機(jī)過程大約持續(xù)1min，相較之前的10min明顯降低，無論是一級電機(jī)還是二級電機(jī)，在整個倒機(jī)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，無異常振動現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)的流速范圍為135.20 m3/s-159.32 m3/s之間，通量的最大變化率小于10%，整個通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，同時監(jiān)測倒機(jī)過程中巷道內(nèi)瓦斯含量的變化，氣體濃度維持在穩(wěn)定值，滿足安全生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)束語

針對礦井倒機(jī)過程間斷通風(fēng)造成的瓦斯含量超標(biāo)的問題，進(jìn)行了瓦斯?jié)舛葰怏w的監(jiān)測，并提出了連續(xù)通風(fēng)方案，在方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實際應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，倒機(jī)過程中風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，整個通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，有效改善了間斷通風(fēng)期間瓦斯超標(biāo)的現(xiàn)象，為安全生產(chǎn)提供了保障。