综采工作面通风方式及防灭火技术研究

鄯梦涛

(阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100)

引 言

煤炭在我国能源结构中占据主导地位，近年来，随着采煤工艺及技术的不断改进和综采设备自动化水平及可靠性的不断提升，工作面的采煤效率得到不断提升。随着开采空间的不断增大，使得工作面的遗煤量不断增加，进而导致工作面瓦斯的涌出量相当严重。尤其是针对高瓦斯突出的煤层群而言，其本身瓦斯含量就高，使得矿井发生火灾事故的概率越发增大。此外，受到采空区上覆岩运动规律和综采技术的影响，使得采空区煤炭自燃的概率仍然很高，导致煤矿火灾事故的发生[1]。为确保综采工作面的安全生产，预防工作面火灾事故的发生也是非常重要的。本文着重阐述了综采工作面的防灭火技术。

1 工作面通风方式及防灭火技术

1.1 工作面通风方式

工作面良好的通风方式是控制其瓦斯浓度的主要措施，尤其是针对高瓦斯矿井而言，必须保证其通风系统的安全性、稳定性以及连续性。目前，我国煤矿生产所采用的通风方式包括有U型、Y型、W型、E型以及Z型等，且应用最为广泛的通风方式包括有U型和Y型。

1.1.1 U型通风方式

U型通风方式的优势在于其成本低、构造简单，主要适用于瓦斯含量相对较低的工作面且煤层自燃概率相对较低的工作面。U型通风方式的劣势在于其在应用时存在通风阻力大、采空区漏风严重以及隅角范围内的瓦斯很难得到解决的问题[2]。U型通风方式的布置图如图1所示。

图1 U型通风方式的布置图

如图1所示，U型通风方式包括有后退式U型和前进式U型两种构造。

1.1.2 Y型通风方式

Y型通风方式的一般构造为巷道上下为主次进风，次巷道一次采空区的单巷道为回风。Y型通风方式的优势在于可避免隅角处瓦斯的聚集，提高工作面风流的效率，保证工作面原煤的高效生产[3]。Y型通风方式的劣势在于在回风巷道内容易造成瓦斯聚集。Y型通风方式的布置图如图2所示。

图2 Y型通风方式的布置示意图

1.2 工作面防灭火技术研究

一般情况下，采空区为发生火灾概率最高的场地，由于防火措施不当有可能导致矿井火灾保持几年或者几十年。目前，应用于工作面防灭火的技术主要包括灌浆、注氮等。

灌浆灭火是将配制好的灌浆材料通过钻孔注入注浆点，从而达到预防或者消灭工作面火灾的目的。该灭火技术应用最早也应用时间最长，目前仍然被使用。

注氮灭火是将惰性气体氮气通过输气管道注入至指定位置，降低该处的氧气浓度，从而达到抑制煤炭氧化、预防自燃的目的。

均压灭火的主体思路是采用多种措施对采空区的气流及风压进行控制，使得采空区漏风现象得到解决，从而实现对煤自燃现象的抑制。

泡沫灭火是将液相、气相以及固相的材料组合，抑制采空区煤层自燃从而达到防火的目的。该灭火方式主要适用于采空区堵漏，且具有成本低以及无污染的优势[4]。

2 工作面火灾防治数值模拟

为确保后续所设计的防灭火方案能够有效达到预防火灾和灭火的目的，需准确掌握综采工作面采空区的相关特性，具体包括有工作面采空区的漏风风速场、氧浓度、瓦斯浓度等、本文采用基于FLUENT软件对采空区相关特性进行数值模拟分析。基于FLUENT搭建模型所参照的参数如表1所示。

表1 数值模拟模型参数设置

2.1 采空区漏风风速场仿真结果分析

经仿真分析可知，主进风巷和辅助进风巷的风速较大，可达到0.1 m/s；距离工作面较近的采空区以及上下隅角范围内采空区的风速较大。而且，距离工作面越远的位置，其漏风范围在不断扩大[5]。

2.2 采空区氧浓度仿真结果分析

经仿真分析可知，受到漏风范围的影响，在进风、回风巷以及工作面附近采空区的氧浓度值最高，可达到25%。而且，距离主进风巷道80 m采空区氧浓度变化不大，而次进风巷采空区氧浓度变化较大。此外，在工作面采空区较深的位置和受进风流影响的位置氧浓度变化趋势一致，且浓度值在8%左右。

2.3 采空区瓦斯浓度仿真结果分析

随着工作面采空区的不断深入，瓦斯浓度值由5%一直增大到40%；主进风和次进风巷道以及工作侧采空区域受到漏风风流的影响，使得瓦斯浓度得到稀释。而且，距离主进风巷道80 m采空区瓦斯浓度变化不大，而次进风巷采空区瓦斯浓度变化较大。总之，受到漏风风流稀释的作用及尾抽作用的影响，瓦斯浓度在采空区走向随梯度增加而减少。

3 工作面防灭火设计及验证

3.1 工作面灭火系统设计

综合从成本、效果等方面对比分析灌浆、注氮、均匀等防灭火手段的优劣势，我矿选用灌浆和注氮联合的方式实现对综采工作面火灾的预防和处理。

3.1.1 灌浆灭火系统的运送流程

地面灌浆站→灌浆钻孔管路(直径为200 mm)→回风大巷(管路直径为200 mm)→采空区回风上山(管路直径为150 mm)→回风联巷(管路直径为100 mm)→工作面注浆点。

灌浆所采用的材质为黄土，且水土比例为1:5，所配置灌浆的密度为1.3×103 kg/m3，流入工作面灌浆的压力为10.9 MPa。

3.1.2 注氮系统的运送流程

工作面注氮硐室-西翼回风大巷(管路直径为200 mm)→东翼回风大巷(管路直径为200 mm)→回风上山(管路直径为150 mm)→回风联巷(管路直径为100 mm)→工作面注氮点。

工作面所采用注氮机组的关键参数如表2所示。

表2 注氮机组关键参数

3.2 工作面防灭火效果验证

为加快综采工作面的推进速度，除了采用上述注氮和灌浆灭火手段外，还采用相应的堵漏风的措施，从而达到抑制工作面采空区煤层自燃现象的目的。而且，在回风巷和U型通风上隅角未检测到瓦斯聚集的现象，从而提高了工作面掘进的效率和生产的安全性。

此外，在回采过程中回风巷内的瓦斯浓度与总回风量的监测结果如第103页图3所示。

如图3所示，在回采过程汇总回风巷内瓦斯的浓度一直低于0.6%，且保持在0.33%左右，满足《煤炭安全规程》的相关要求。

4 结语

综采工作面的通风方式是决定工作面瓦斯浓度的关键，在实际生产中需根据工作面瓦斯含量、地质条件以及煤层特点选用最为合适的通风方式。对于工作面采空区而言，由于通风不畅和遗煤的增加增加了采空区火灾发生的概率，严重威胁着煤矿安全生产。为此，需综合分析不同防灭火技术的特点，为工作面设计单一或者联合灭火措施，预防火灾的发生。

图3 回风巷瓦斯浓度与总回风量