诚意煤矿5105工作面均压通风技术探索

赵军荣

(内蒙古伊泰煤炭股份有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

诚意煤矿井田内共有可采煤层4层：3、4-2、5、6号层，其中5、6号层为全井田可采的稳定煤层，3号层为局部零星可采的稳定煤层，4-2层为零星可采的不稳定煤层。由于沟谷切割较发育[1-3]，将3#、4-2煤层切割得支离破碎，致使北部地区零星分布、不连续。因此，对3#煤及4-2煤采用露天剥离的方法进行回采，回采时由于煤炭露天氧化[4-6]，造成局部着火。同时因5#煤层与上部煤层同时开采，上部煤层着火后，有毒有害气体有可能通过裂隙导入5#煤层[7]，对5#煤层的开采造成安全隐患，因此在5105工作面回采时进行均压通风技术探索，消灭安全隐患，保证安全生产。

1 工程概况

1.1 工作面概况

诚意煤矿5105工作面位于井田南部，东邻、南邻井田边界(经调查两相邻煤矿均无采动)，西起南翼辅运大巷，北邻5104工作面(已回采)。

1.2 工作面技术参数及回采工艺

工作面采用综合机械化采煤，一次采全高、全部垮落法管理顶板。采面选用ZY6800/09/19型掩护式支架，有效通风断面为7.65 m2，工作面倾斜长度为216 m，走向长度为1 428.7 m，煤层平均厚度为1.76 m，煤层倾角平均为1°～3°，底板标高为1 274～1 285 m，循环进度为0.8 m。两顺槽高度均2.45 m，宽度均为4.5 m。辅运顺槽、运输顺槽回采长度均为1 428.7 m，辅运顺槽安设设备列车，长度约80 m，运输顺槽安设DSJ100/55/2×160型胶带运输机。

1.3 与上覆采空区及邻近矿区的关系

上覆4#煤层层间距33 m，平均厚度2.9 m，过去采用房柱式开采遗留大量的煤柱，现采用露天剥离方式回收煤柱，现已剥离大部分，只有少部没有剥离，剥离部分都已回填，回填厚度15～25 m，平均20 m，回填物为煤层覆盖剥离物。根据2011年10月煤炭科学研究总院为诚意煤矿提供的《矿井水文地质类型划分报告》，5#煤层开采所产生的导水裂缝带高度

(1)

式中：M—回采厚度，m。因此，在目前综采采高为1.76 m的条件下，5#煤覆岩导水裂隙带高度为20.83 m，未触及4#煤层采空区。考虑到再增加20 m的安全距离后裂隙带高度为40.83 m，超过了33 m的层间距。经实测，5105工作面上方已全部剥离并覆盖完毕，地面观测此范围无发火迹象未发现烷烃类、烯烃类火灾标志性气体，为预防5105工作面回采期间采空区裂隙导通地表覆盖区内部遗煤，造成自燃，影响井下安全生产，所以进行均压通风方法以消除潜在的安全隐患。

2 均压通风方法确定的影响因素

2.1 外部因素分析

考虑到5105工作面上部4#煤火区未剥离范围可能含有残余一氧化碳气体。通过气体取样检测分析，目前未发现烷烃类、烯烃类火灾标志性气体，其它各种气体符合《煤矿安全规程》规定。剥离后回填区域存在高温煤矸石氧化，可能造成工作面上隅角有毒有害气体超限，影响正常回采。

2.2 本煤层防灭火影响

由于5#煤层顶板为泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩组成的复合型顶板，工作面随采随冒，跟进及时。5#煤采高小，回采率高，采空区遗留的浮煤少，且采面顶板局部有淋水现象，采面沿走向有1°～3°的仰角，生产过程中的涌水进入采空区，根据前几个采面观察，采空区未出现自然发火征兆，综合考虑后，确定采用均压通风是科学、安全、合理的方法。

3 均压通风设计

均压通风技术的目的是改变采面内外压差，从而控制漏风和风流交换，控制有毒有害气体向采煤工作面或巷道泄漏。本次设计均压通风是提高采面空间内的绝对气压，抑制采空区或采空区上部火区有毒有害气体涌入工作面，从而平衡采空区漏风压差或改变采空区压力方向，减少漏风或改变漏风方向、防止上覆4#煤层的火区一氧化碳等有害气体涌入采煤工作面。按照矿井均压防灭火技术规范(MT/T626—1996)有关技术要求，设计如下。

3.1 风量计算

按甲烷(或二氧化碳)涌出量计算：

Q采=100·q瓦采·Kc

(2)

式中：q瓦采—工作面的平均瓦斯绝对涌出量，1.684 m3/min(依据内蒙古安科检验公司2012年度矿井瓦斯等级鉴定报告)；Kc—工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，取1.5。故Q采= 100×1.684×1.5=252.6 m3/min。

按工作面温度选择适宜的风速进行计算：

Q采=60×Vc×Sc×Ki

(3)

式中：Vc—均压通风状态下工作面适宜风速，取1.0 m/s；Sc—采煤工作面有效断面，取7.65 m2；Ki采面长—工作面长度系数，取1.5。故Q采=60×1.0×7.65×1.5=688.5 m3/min。

按工作面同时作业人数计算：

Q采=4·N

(4)

式中：N—工作面同时工作的最多人数，取40人。则Q采=4×40=160 m3/min。

5105工作面上覆岩层覆盖厚度35～100 m，只要对采空区塌陷及时治理，采空区漏风率较小，考虑采空区漏风量在15～30 m3/min左右，并考虑1.5倍的富裕系数。依据以上计算，设计5105回采工作面配风量为700 m3/min。根据《煤矿安全规程》规定，按采煤工作面最低风速0.25 m/s，最高风速为4 m/s的要求进行验算。则综合机械化回采工作面，0.25·60S采1≤Q普≤4·60S采2；S采1—最大控顶距，5.4 m2；S采2—最小控顶距4.7 m2，81 m3/min≤700 m3/min≤1 128 m3/min。经风速验算，回采工作面的风量定为700 m3/min满足要求。

3.2 风压设计

通风阻力定律见式(5)

(5)

式中：α—摩擦阻力系数，取0.029，kg/m3;L—巷道长度，1 494.5 m；U—巷道断面周长，2×(2.45+4.5)=13.9 m；s—巷道的净断面积，4.5×2.45-0.15=10.875 m2，其中0.15为设备列车影响面积；Q—巷道流过的风量，700/60=11.667 m3/s。

均压通风未开启时5105辅运顺槽通风阻力，可依式(5)计算，即

回风顺槽调节风窗阻力(局部通风阻力)的大小，取决于在5105工作面采用局部升压后，其回风顺槽风压要克服并大于地面相对于矿井整个负压系统作用在其回风顺槽上的负压影响。在矿井全负压系统状态下，5105工作面回风顺槽最末端F处的负压如上述计算为-300 Pa。即回风顺槽调节风窗阻力(局部通风阻力)应为300 Pa。

(6)

通过上述计算回风顺槽调节风窗面积应为0.3 m2，取0.8 m2便于调节。均压通风开启后5105工作面通风阻力合计为176.99+300=476.99 Pa。

考虑到矿井自然风压-3.2 Pa(数据来自2012年5月内蒙古安科安全生产检测检验有限公司)，风机风筒及出风口压力损失1 150 Pa，采用局扇和调节风窗方式对5105综采面均压，压力提升选择200 Pa，则风机选择风压应大于(-3.2)+1 150+476.99+200=1 823.79 Pa。

在实际应用中要注意观察地面、井下绝对压力及风机风量和漏风情况，并根据采面推进度通过调节风窗面积达到工作面所需风量和绝对压力，本工作面均压通风效果可根据回风顺槽施工的钻孔风流方向始终向上，并通过水柱计显示0～6 mm H2O监测调整。

3.3 风机选型

考虑到本井田后续工作面有可能继续采用均压通风方法，故选择通风机时尽量选择偏大型号，目前煤矿FBDY№8.0/2×75kW型矿用隔爆型压入式对旋轴流局部通风机，经实测该风机风量8～20 m3/s，风压1 860～5 160 Pa。可满足工作面需要。风机特性曲线如图1所示。

图1 对旋轴流局部通风机性能曲线

3.4 均压系统的构成和相关要求

均压风机：在5105辅回撤通道均压风机专用通道内安设两台均压风机，一台工作，一台备用。在与辅运顺槽交叉口处构筑一道挡风墙(JY-1)，挡风墙距辅运顺槽开口点20 m，墙体厚度不小于500 mm，在挡风墙体上安设一个φ1 000 mm铁质风筒，并用特制风筒与铁质导风筒相联接，要求联接处严密不漏风。铁质导风筒自动切换挡风板要转动灵活，出风口侧安设调压阀门。

无压风门：在5105辅运顺槽距开口点10 m处构筑一组无压风门(JY-2)，风门之间安设声光报警器。风门要开启灵活，关闭严密，风门要联锁(连锁钢丝绳要牢固并可解除)，并设置风门开闭传感器。

皮带预留口：在5105运输顺槽与5105辅回撤交叉口向工作面方向4 m处构筑一组带皮带预留口和小行人门的调节风窗(JY-3)。要求墙体跨在皮带上，调节风窗高度1 000 mm，宽度1 200 mm，皮带预留口高度1 100 mm，宽度1 400 mm，预留口上部和两侧安设宽度10 mm的皮带条做成的挡风帘，减少漏风。小行人门高度1 200 mm，宽度800 mm，每道小行人门要安设能自动关闭的弹簧装置，小行人门之间安设声光报警装置。

密闭墙：为保证5105工作面均压通风系统稳定、可靠，在主回撤通道与辅运顺槽交叉口处、在主、辅回撤通道与运输顺槽绕道处构筑厚度为500 mm的密闭墙，并在运输顺槽绕道构筑一组无压风门(构筑位置详见均压后通风系统示意图)。确保设施施工质量，防止工作面泄压。

水柱计：在均压风机均压墙外和5105运输顺槽第一道调节风窗(靠皮带机头侧)外分别安装水柱计，便于随时观测、掌握5105工作面的压力情况。

安装要求：均压风机供电系统安装要求均压风机供电线路、控制开关等设施需满足负荷。均压风机必须采用“三专”供电线路，并实现“双风机双电源自动切换”和“风电闭锁、瓦电闭锁”功能(详见均压风机供电图和机电设备布置图)。

3.5 传感器的安装

工作面按AQ1029—2007标准安设甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、风速传感器。工作面甲烷传感器报警浓度为≥1.0%，断电浓度为≥1.5%，回风巷甲烷传感器报警浓度为≥1.0%，断电浓度为≥1.0%，断电范围均为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备，复电浓度均为<1.0%。一氧化碳传感器报警浓度为0.002 4%。传感器吊挂标准为距顶板不大于0.3 m，距煤帮不小于0.2 m。监控传感器要实行挂牌管理，监测中心24 h不间断监测。

为防止循环风导致工作面有毒有害气体超限，在均压风机入风口前5 m处安设一组甲烷、一氧化碳传感器。甲烷传感器报警浓度为≥0.5%，断电浓度为≥0.5%，断电范围均为辅运顺槽、工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备，复电浓度为<0.5%。一氧化碳传感器报警浓度为0.002 4%。

在5105运输顺槽800 m钻孔下风侧不大于10 m处巷道顶板安设一组甲烷、一氧化碳和烟雾传感器。甲烷传感器报警浓度为≥1.0%，断电浓度为≥1.5%，断电范围为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备，复电浓度为<1.0%。一氧化碳传感器报警浓度为0.002 4%。

在皮带机头处、上隅角挡风帘以里1.5 m处安设束管监测装置，其前端安设水分过滤器，实现24 h监测采空区气体变化情况，发现问题，及时处理。

在工作面头、中、尾部以及工作面两顺槽每隔200 m处分别安设均压风机开停声光报警装置，使工作面人员随时掌握均压风机运转情况。

3.6 风量调节及试运转

调节5105运输顺槽调节风窗的面积或风筒出口面积控制工作面的风量和压力，使工作面有毒有害气体不超限，初步调整工作面风量为700 m3/min，风压为200 Pa(以800 m处钻孔水柱计显示为准，水柱计皮胶管一端通向钻孔里，一端接在水柱计玻璃管上，接胶管的一端玻璃管水柱比未接胶管的玻璃管水柱高出20 mm)。

均压风机的风量必须根据工作面实际需要风量来确定，在满足最大均压值和保证工作面通风、除尘及良好的工作环境的条件下，应尽量采取低风量通风。

工作面均压系统建成后，必须进行试运转，并经矿联合验收小组验收合格后，方投入使用。5105工作面均压前、后通风系统示意图如图2、3所示。

图2 5105工作面均压前通风系统示意图

4 结语

5105工作面采用正压通风经过近6个月的回采，共回收煤炭资源约70万t，回采期间风量始终控制在700～750 m3/min，与地表大气压差始终控制在100～400 Pa之间，运输顺槽调节风窗面积调整为0.2～0.4 m2，工作面温度15～18 ℃。回采期间上隅角一氧化碳浓度为60～95 ppm，最高达到195 ppm，工作面一氧化碳浓度始终控制在8～22 ppm，回风流一氧化碳浓度为10～16 ppm，其他有毒有害气体均无异常，采空区漏风量控制在15～30 m3/min之间，期间未出现任何安全事故，通风效果良好，为矿井的安全生产积累了经验。

图3 5105工作面均压后通风系统示意图