回采工作面通风系统优化及瓦斯防治研究

2022-03-06＊王谦

当代化工研究 2022年3期

＊王谦

（潞安化工集团古城煤矿山西 046000）

随着我国煤矿行业产业结构的调整，国家对煤矿企业的生产提出了越来越高的要求，各个煤矿企业在生产日渐扩大的过程中，都在积极进行生产系统的改革和技术的优化。从行业发展来看，矿井生产中的通风条件有着严格的规定，回采工作面的通风系统优化和瓦斯防治，已经成为了当下很多煤矿企业所不可忽视的重点性工作，为全面推进生产的高效、安全进行，各个煤矿企业都要根据自身的矿井条件，来进行对应的通风系统优化，将瓦斯浓度控制在安全标准内。

1.煤矿瓦斯治理面临的困境

煤矿生产作业的进行中，瓦斯对生产安全性的危害巨大，一旦在作业现场的瓦斯浓度超出了正常标准，将严重干扰人体的呼吸循环，在一些极端情况下，易引起作业人员的窒息死亡。此外，瓦斯易燃易爆，在封闭空间内的瓦斯，一旦遭遇了明火，就会发生严重的火灾甚至爆炸事故。因此，当下的煤矿生产中，瓦斯治理已经成为了重点工作。但一些煤矿企业的瓦斯治理却面临着困境，影响了生产安全，主要面临的困境为：

(1)技术和资金投入不足

煤矿瓦斯治理专业性较强，为保障治理的有效性，相关人员在治理的过程中必须要详细掌握现场的具体情况，在了解了现场瓦斯浓度、瓦斯分布区域等情况后，配备先进的设备设施来降低瓦斯含量。一些煤矿企业在当下的发展条件下，虽然从思想上意识到了瓦斯治理的重要性，但自身发展实力有限，在瓦斯治理方面没有足够的资金和技术投入，因为资金的匮乏，导致在瓦斯治理方面的技术和设备更新不够，无法控制现场的瓦斯浓度，给作业人员创造通风佳、瓦斯低的环境。

(2)瓦斯监控不完善

为有效保障煤矿生产中的瓦斯治理效果，在企业内部需建立完善的瓦斯监控系统，由该系统中的自动化环节来负责瓦斯的安全监测，当监测到瓦斯超标时，系统会立即发送警报，提醒煤矿作业人员注意。在行业现代化的发展步伐下，国家在强制推进煤矿安全监控系统的升级与改造，但因为市场上依旧存在有一些小规模的煤矿企业，这部分企业因为考虑到瓦斯监控系统建设时的成本和技术投入，在整个的升级改造方面，主动性不够。其次，在部分煤矿企业内部虽形成了瓦斯监控系统，但系统的功能不足，管理漏洞多，在系统投入使用以后，无法对瓦斯异常情况加以预警。

(3)瓦斯处理方式有问题

在煤矿瓦斯的治理方面，治理效果深受处理技术的影响，如果在煤矿生产的过程中，所选用的瓦斯处理技术不先进，将无法有效保障治理效果。就我国绝大多数的煤矿企业而言，在瓦斯治理方面一般都采用的是井下抽放的方式，这种方式与地面抽放相比，常常会存在很多的问题，稍不留意就会造成安全事故。通风系统的建设对瓦斯治理有着突出的作用，但很多煤矿企业并未形成完善的通风和排水系统，瓦斯超标的现象无法解决。

2.对于优化煤矿瓦斯治理的措施建议

(1)更新生产设备

为保障煤矿瓦斯的治理效果，在企业内部一般要给瓦斯治理配备现代化设备，以通过设备的更新来发挥设备的功能作用。因此，各个煤矿企业在生产的过程中，都需要严格做好生产设备的更新，结合煤矿中的资金情况，给设备的更新设置专项资金。煤矿企业可与设备研发企业合作，将自身的瓦斯治理经验分享给设备研发企业，使得该企业可在瓦斯治理相关设备的研发中，有更为实用的参考，实现对设备参数、结构等的优化，使得所研发的设备可更好地被应用在瓦斯治理中。

(2)建立完善的监控系统

因为瓦斯的无色无味性，处于瓦斯环境中的煤矿作业人员，并不能识别出煤矿的瓦斯情况。因此，就需要在煤矿企业中，加强现代化技术的应用，在企业内构建完善的瓦斯监测系统，利用该系统中的传感器等智能化设备，实现对瓦斯浓度的自动监测，一旦监测到瓦斯超标的现象，系统会立即发送预警，提醒相关人员开展瓦斯治理。煤矿企业中的监控系统建设可借助自动化技术来完成，确保所建立的监控系统具有综合性，可采集和传输语音、视频和数据，在煤矿开采作业的进行中，该监测系统可收集与瓦斯有关的浓度、范围等信息，这些信息可作为后续瓦斯治理的依据。

(3)优化瓦斯治理技术

随着煤炭资源需求的日渐增多，各个煤矿企业都加大了开发力度，但随着开采深度的增大，开采过程中面临着越来越复杂的条件，存在的瓦斯威胁更大。为提高瓦斯治理效果，应结合煤矿现场的具体情况，来选择最为恰当的瓦斯治理技术。瓦斯治理方面不能局限在单一的治理技术上，而应该多种治理结合起来使用，煤矿企业之间要加强相互之间的技术交流和经验共享，科学选择增透措施，优化矿井中的钻孔方式，借鉴国外发达国家的瓦斯抽放方式。

当然，瓦斯治理中的通风方式也十分关键，只有保障了矿井中良好的通风条件，才可避免瓦斯在封闭空间内的过度集聚，因此，各个煤矿企业都要结合自身的矿井条件和通风系统特点，做好现代化通风设备的引进和配置，并在通风系统的运行过程中，加强风速、风量等的科学控制，以通过风向流动来减少瓦斯含量。

3.工程背景

以某煤矿企业为例，该矿井在开展大采高综采或者厚煤层综放开采作业的过程中，因为对于开采作业面有着严格的通风条件要求，经由对矿井通风的分析，矿井中大多都采用的是双U形、Y形通风以及三进两回通风方式。该矿井中的采煤层包含2号、4号、9号、11号，现场的煤层厚度分别为3.2m、6.8m、2.9m、2.2m，现阶段的开采工作进行中，重点是对4号煤层的开采，结合对该煤层现场情况的全面分析，煤层顶底板为致密泥岩分布，平均埋深保持在360m左右，伴随着开采作业的进行，瓦斯含量为5.8t/min，不存在突出危险性，但存在煤尘爆炸风险。

在4706综放工作面上，因为开采作业的进行中伴随着一系列的开采工作实施，工作面存在着瓦斯危害，为了消除瓦斯对作业人员和开采作业的影响，综合现场的全部因素，最终选用了风排方式，以通过这一方式来降低工作面现场的瓦斯浓度[1]。但风排方式下虽然能够给作业面提供新鲜的风流条件，但也存在着一定的问题，比如，采面尾部联络巷内的瓦斯聚集迅速，且控制难度系数较高；在采面不同位置上联络巷通风存在着角联通风的情况，无法保持通风的稳定性。

4.通风优化方案优选

结合对该矿井多年来的产能、工艺、瓦斯涌出量等数据的全面分析，确定了该矿井中回采工作面的最大瓦斯涌出量和抽采后的瓦斯涌出量数据，根据对这些数据的总结和分析，从生产和技术角度对比了不同通风方案的优缺点，选定了最佳的通风方式。

(1)生产方面

如果在该矿井内选用的是双U形通风系统，这一通风系统的使用使得工作面上的漏风量大大减小，且可以给矿井生产提供相对稳定的风流条件，但因为这一通风系统的结构组成十分复杂，在矿井中应用以后，后续的生产作业中需投入大量的人力资源来负责这一系统的管理，管理难度大且常常伴随着一些突发性问题的出现。U形通风系统的结构构成要素少，且系统简单，在利用这一通风系统开展矿井施工作业时，巷道施工的技术难度小，且漏风量偏小且风流稳定，后续的管理工作十分便捷且高效，但在该矿井中应用以后，上隅角瓦斯集聚的现象无法避免[2]。相比较而言，Y形通风系统的应用效果最佳，虽然可能伴随着巷道漏风问题且回风巷的维护难度较大，但经由相应的管理和维护，可以有效克服这些问题。

(2)技术方面

从技术角度分析，当采用的双U形通风设计时，在巷道断面与送风量相同的情况下，此时的送风量相对偏小，设备维护便捷且在这一方面的资金投入量低，极易出现巷道漏风问题，后续需在巷道维护方面投入较高的成本和较多的人力[3]。U形通风下存在上隅角瓦斯集聚的现象。Y形通风系统下，掘进量相对偏小且巷道结构简单，具有更高的安全性，且上隅角瓦斯集聚现象不易出现，只需要进行沿空留巷即可。

5.采面通风系统改造

(1)通风系统改造

对该矿井的4607综采工作面开展Y形通风系统改造，具体的实施过程中，是在回采工作面推进到与联络巷相接近的位置时，立即密闭该联络巷，确保在此条件下的采空区内联络巷处于封闭条件下。高瓦斯煤层开采工作的进行中，煤壁与落煤的瓦斯涌出量偏高，改造以后的通风系统在运行时表现出多巷进风的特点，完全可以达到通风需求。

在该回采工作面通风系统改造以后，采面回风侧密闭墙实现了封闭处理，在通风的过程中，回风流不经过采面采空区侧联络巷就可以达到良好的通风效果，因此，具体的处理过程中，煤矿企业只需要对回风上隅角瓦斯加以适当处理即可。对采空区中的瓦斯加以抽采，通过此方式来减小上隅角的瓦斯涌出。采空区的瓦斯抽采，可以使得回风上隅角处的瓦斯浓度大大降低；采面采空区的压力也同步下降；采空区中的负压最低点经由回风上隅角向采空区转移。

(2)采空区内瓦斯抽采设计

4706综放工作面上的通风选用两进两回的方式，其中，47061、47063分别作为主进风巷和辅助进风巷而存在，而47062、47064都作为回风巷而存在。为解决在矿井开采作业中上隅角瓦斯集聚的问题，具体应采用采空区瓦斯抽采、上隅角瓦斯稀释的方式，因为4706综放工作面开采作业的特殊性，采空区的瓦斯抽采过程中，钻孔应为高、中位钻孔相结合的方式。

①高位采空区瓦斯抽采钻孔

在47061综放工作面的47062巷的10号、15号、20号、24号和30号联络巷位置，进行对应的高位瓦斯抽采钻孔布设，在每个联络巷位置均布设4个高位钻孔，根据对相应的数据分析，经由对应的计算和模拟，得出高位钻孔的最佳布置位置，根据此钻孔的具体情况，高位钻孔最适宜布设在煤层顶板上覆40m的位置，钻孔布置如图1所示。

图1 高位采空区瓦斯抽采钻孔布置示意图

②中位采空区瓦斯抽采钻孔

在47062巷的3号、7号、11号…25号联络巷内，都要进行中位采空区瓦斯抽采钻孔的布设，其中，每个联络巷中的抽采钻孔数量都为8个，为发挥钻孔对瓦斯抽采的重要作用，钻孔应遵循上下两层的布设要求，而终孔处于煤层顶板20m、25m处。

③采空区埋管

在此矿井回采工作面的回采工作进行中，伴随着回采作业的不断进行，在采面后方的第一个联络巷位置，要进行对应的瓦斯抽采管埋设，使得在此区域中的瓦斯可以实现埋管抽采，将瓦斯浓度控制在正常范围内。根据对该采空区的具体情况分析，埋管抽采的处理中，需安排专业人员在联络巷的相应位置上进行对应的埋管，所选取的抽采管管径为D400mm。

6.采面通风及瓦斯治理效果

(1)风排瓦斯量及抽采瓦斯量

为获得在对4706综放工作面实施通风改造和瓦斯防治以后的开采作业情况，给实际的开采作业提供切实的指导，在具体的通风优化和瓦斯治理中，因为采取了采空区瓦斯抽放的处理方式，就需要了解这些改造和抽采以后的通风情况和瓦斯涌出量，进而在此基础上进行对应的开采工艺优化。结合该采面的通风改造情况，主要包含了4个通风阶段，具体为Y形通风阶段、初步改造阶段、改造后期阶段、两进一回通风阶段。当在该采面实施了Y形通风系统以后，即使在通风的后期阶段，采空区侧联络巷仍未完全封闭，具有良好的通风作用；经由过渡阶段以后，采面后方联络巷得以全面密闭，通过在采空区中瓦斯抽采管路的预埋，瓦斯抽采工作得以高效实施。

对此作业面通风改造以后4个阶段的风排瓦斯、抽采瓦斯量等参数指标加以全面监测，根据对这些监测数据的分析，发现在Y形通风阶段，依旧采用的是Y形通风系统，此时的采面风量相对较大，采空区中的瓦斯治理是由风排方式来完成的，与此同时，采空区瓦斯抽放系统尚未正式投入运行；在初步改造阶段和改造后期阶段，采空区立体瓦斯抽采钻孔与采空区埋管瓦斯抽采正式投入使用，瓦斯抽采量保持在相对稳定的条件下，保持在25m3/min左右，但风排瓦斯量大大降低，由于是在改造的后期阶段，整个采空区的瓦斯抽采量达到了最大值，此时回风巷内的瓦斯浓度和风排瓦斯量都处于相对较低的水平，回采工作面采空区瓦斯抽采量与风排瓦斯量之间存在着负向变化的关系。

(2)采面上隅角瓦斯浓度

对4706综放工作面的通风系统加以全面优化以后，实施了为期10个月的开采作业，在开采作业进行的过程中，上隅角瓦斯浓度在最高的条件下达到了0.75%，根据相应的监测结果分析，瓦斯浓度在0.6%以上的时间达到了45d，而在0.4%～0.6%之间的瓦斯浓度时间持续了105d，说明这一通风系统改造以后的作用明显，符合矿井安全生产的切实需求。