金海洋矿区下部工作面均压防灭火技术研究及应用

孟凡银

（中煤集团山西华昱能源有限公司，山西朔州036900）

1 引言

金海洋矿区所属各煤矿为兼并重组整合矿井，井田内含3#、4#、6#、9#和11#煤等5层煤，其中大多数矿井3#煤层蹬空不可采；4#煤层大部分在整合前被采空，存在大量小窑老空区。煤层赋存深度200m左右，煤层结构简单。

6105工作面上覆为回采后的4102工作面采空区，6#煤层与4#煤层间距为8.56～19.72m，平均15m，由南向北逐渐变厚。顶板砂岩抗压强度平均29.3MPa。

2 安全隐患

根据现场条件和以往经验，分析认为该矿6105工作面在开采6#煤层时有如下安全隐患：①老空区积水隐患（已在工作面两顺槽切眼内利用水压致裂弱化顶板技术提前探放）；②顶板大面积突然垮落隐患（顶板隐患在开采前已采用水压致裂弱化顶板技术处理）。现场实地勘查发现，该矿在小煤窑开采时期形成数量众多的大面积4#煤老空区，老空区域内老巷、采空区呈网状分布，遗留的老空区长30～60m，宽7～30m，高6～9m，大部分老空区顶板悬而未落。根据周边矿井经验，6#煤层工作面回采时，4#煤层老空区顶板可能大面积突然垮落，容易导致冲击支架，损坏设备，出现飓风以及有毒有害气体涌入工作面等安全事故[1]。

③4#煤层火区隐患。该煤矿井田中东部存在406火区，在距406火区955m处于井田中西部的4103工作面顺槽，掘进期间曾经在附近老巷密闭处监测到浓度达1000ppm的CO气体，在406火区东北方向289m的4#煤层大巷内5号密闭处，CO浓度高达10000ppm，用红外测温仪测得火区附近煤壁温度为97℃，说明406火区是个不完全封闭的活火区，其产生的有害气体已经在4#煤层老空区发生了大范围扩散，严重危及工作面人员安全。

3 采煤工作面均压通风防灭火技术

3.1 均压通风防灭火原理

均压通风防灭火实质上为风窗-风机增压调节。所谓的增压调节是指使两调压装置中间的风路上的风流的压能增加。为此，风机安装在风窗的上风侧。正压调节又可分为风量不变和减少两种[2]。

在实施均压通风之前风路的压能曲线图为直线abcd，实施均压通风后，在风机的作用下B点压能提升对应的压能由b变为b’，由于风路的风量不变，BC段的摩擦阻力不变，C点的压能由c变为c’。风机提供的能量H与风窗消耗的能量hw在数值上相等。

在实施均压通风之前风路的压能曲线图为直线abcd，实施均压通风后，由于风路的风量减少，巷道摩擦阻力减少，A点的压能由a增加为a’；在风量减少和风机联合的作用下B点压能提升对应的压能由b变为b’；由于C处风窗的安设大大增加了风路的总阻力，所以由于风路的风量不变，BC段的摩擦阻力不变，C点的压能由c变为c’，风窗后变为o，D点的压能由d变为d’。风机提供的能量H小于风窗消耗的能量hw。

3.2 6105工作面均压防灭火参数计算

3.2.1 6105工作面需风量计算

6105工作面回采过程中，采用全风压“U”型通风系统，6105主运顺槽进风，6105辅运顺槽回风。采煤工作面实际需风量，应按CH4、CO2涌出量和爆破后的有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取最大值。经计算，按工作面气象条件和风速计算出的风量最大，结合该矿生产实际，6105回采工作面回采期间配风量不小于1058m3/min。

3.2.2 6105工作面通风阻力计算

6105工作面通风阻力即副井到6105工作面通风阻力，6105工作面正式投产后，工作面通风线路为：副井→进风大巷→6#煤绕道→6#煤辅助运输大巷→6105运输顺槽→6105切眼→6105回风顺槽→6105回风联巷→6#煤回风大巷→6#煤回风下山→集中回风巷→回风井。

由此可计算出，正常生产时在工作面风量为1200m3/min的情况下，副井至6105工作面通风阻力=141-69+135=207Pa。副井至6105工作面的通风阻力207Pa即为6105工作面均压通风的压力值。

3.3 均压风机选型

3.3.1 风机风量

式中：Q扇—局部通风机工作风量，m3/min；

P—局部通风机供风巷道风筒漏风系数。风筒百米漏风系数为1.03，由于均压风机风筒长度较短（约为30m），此处P近似取1；

100—溜煤眼、6105主运顺槽端头调节墙、6104端头调节墙漏风和近似取100m3/min。

3.3.2 风机风压

均压风机全压包含两部分，一部分克服风筒阻力，另外一部分提高风筒出口处外部空气的静压，即采取均压通风需要的压力。根据均压风机风筒设计长度、通风机需要工作风量、风筒风阻及均压的大小，计算均压通风机工作风压值。因为矿井计划使用4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机作为均压风机，本方案对使用4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机进行验证。

①风筒阻力计算

风筒风阻是由摩擦风阻、局部风阻组成，其大小取决于风筒的直径、接头方式、风筒总长度、风压、单节风筒长度、风筒的材质等，因无实测资料时，应下式计算。

式中：Rp—压入式风筒的总风阻，N.S2/m8；

α—风筒摩擦阻力系数，取0.0025N.S2/m4；

L—风筒长度，30m；d—风筒直径，1.0m；ρ—空气密度，1.0kg/m3；

s—风筒断面积，0.785m2；n—风筒接头个数，风筒长度按30m考虑，每节风筒长度为10m，n取3；ζj0—风筒接头局部阻力系数，取0.1；

ζbei—风筒拐弯局部阻力系数，拐弯角度为35°，取0.2；ζin—风筒入口局部阻力系数，当入口处完全修圆时，取0.1；不加修圆的直角入口时，取0.5～0.6，此处取0.1。

风筒阻力计算：

式中：hft—均压风机风筒阻力，Pa。

②均压通风机工作风压

式中：hf——均压风机工作风压，Pa。

3.3.3 矿方预选风机验证

矿井当前闲置4台FBD№8.0（2×45kW）局部通风机，计划将4台风机“两两并联”起来使用。4台同型号同厂家的局部通风机，其曲线也相同。两台风机并联运行的曲线，风压看作不变，对应相同风压的风量相加，可将均压的风压值看作1台均压风机的风压，均压风量的50%看作为1台均压风机的风量。

风机铭牌标风量为680～380m3/min，风压为600～7800Pa。井下空气密度约1.0kg/m3，则风机风量为680～380m3/min，风压为500～6500Pa。按照风筒消耗阻力114Pa，且提供均压207Pa，即局扇的理想工作压力为321Pa。

根据风机性能曲线，按照每台均压风机风量为650m3/min，估算风机工作风压为大于均压通风的风压321Pa。但由于6105工作面主运顺槽端头处存在3处调节设施和1处溜煤眼，即6105主运顺槽调节墙、6104主运顺槽调节墙、6104主运进风联巷风门和6104溜煤眼，在实施均压通风的过程中，这3处调节设施及溜煤眼均会存在漏风泄压，需严格控制6105主运顺槽调节墙、6105主运顺槽进风联巷风门、6104主运顺槽调节墙、6104主运进风联巷风门和6104溜煤眼漏风的情况下，6105工作面能够达到理论的均压通风效果。

3.3.4 均压通风设施施工调试

①施工均压设施前，通风区密闭工提前备料，通风设施的构筑必须按质量标准化及操作标准的要求进行作业。

②6105主运进风联巷均压挡风墙及均压风机安装完毕后，开始根据均压通风要求按配风计划调节采面风量。

③调风前及时通知调度室和有关领导，调风时撤出采面所有人员，检查砌筑通风设施的完好情况。在6105主运顺槽测风站和6105辅运顺槽回风联巷调节风窗处各安装1部临时电话。均压风机运转后，关闭6105主运顺槽进风联巷密闭墙平衡风门，逐步调节6105辅运顺槽回风联巷调节风窗的大小，同时在6105主运顺槽测风站测量6105工作面风量[3]。

④当6105进风联巷均压风机启动后，6105工作面压力升高，6105主运顺槽端头调节风窗、6104主运顺槽端头调节风窗、6104主运顺槽联巷风门及6105辅运顺槽风门的漏风均会有所增加并降低均压效果，应合理减小漏风面积，保证均压效果。

⑤必须按规定安装风机的“三专两闭锁”和风机间的闭锁，每台风机必须按要求安设开停传感器和声光信号，保证信号齐全、灵敏、可靠，如果均压风机停转则灯亮铃响。

⑥均压风机开启后，进入均压通风区域的所有人员在进出风门时，严禁将两道风门同时打开，人员通过后要立即关闭风门，非通风区的调风人员严禁调节均压通风区域调节风窗的大小。

⑦采面的进风、回风压差和风量由通风区测风人员实测并记录。

4 均压通风参数测试及效果分析

自2017年5月5日至8月15日，6105工作面回风隅角CH4、CO气体浓度均为0，O2和CO2气体检测情况如图1和图2所示。

由监测结果可知，自6105工作面均压防灭火系统启动以来，工作面氧气浓度迅速上升，恢复正常，上覆上部4#煤层采空区泄漏气体中CO2气体迅速下降，且一直未发现有CH4和CO气体涌出现象。

5月12日早班，由于上覆上部4#煤层采空区顶板冒落，对工作面造成冲击，短时间加大6#煤层采空区气体压力，工作面出现短暂低氧、CO2浓度偏高现象，后迅速恢复正常，且无CH4和CO气体涌出。

2017年5月13日至6月27日，工作面O2浓度均处于20.0%以上，CO2浓度均低于0.13%，且无CH4和CO气体。

图1 46105工作面回风隅角O2浓度分布曲线

图2 6105工作面回风隅角CO2浓度分布曲线

自6月28日起，根据6105工作面推进距离，工作面上覆采空区已在上覆小窑采空区覆盖范围之外，即尝试改为U型负压通风方式，立即工作面回风隅角O2浓度迅速下降至18%，CO2浓度增长至1.23%。后该矿在调度室立即决定通知井下重新开启6105工作面4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机（两用两备），对工作面继续实施均压通风防灭火技术措施。系统恢复后，6105工作面回风隅角O2浓度迅速恢复，自7月4日至8月15日，回风隅角O2浓度持续位于19.6%～20.7%之间；回风隅角CO2浓度除7月9日短暂出现0.8%的浓度之外，其余时间浓度均小于等于0.3%。

5 结论

通过2017年5月5日至10月6日气体观测结果，6105工作面均压通风参数测试及效果分析说明6105工作面均压防灭火系统实施以来，有效的防止了上覆上部4#煤层房柱式采空区CO及低浓度氧气等有毒有害气体的涌出，杜绝了工作面来自上覆4#采空区有毒有害气体以及本煤层采空区遗煤氧化自燃的威胁，同时也证明了均压防灭火系统在6105工作面防治火灾安全隐患的有效性。