东曲煤矿29204工作面通风及瓦斯治理设计

2023-09-21康龙龙

现代矿业 2023年7期

康龙龙

（山西焦煤西山煤电东曲矿）

据统计，2022年我国工业原煤产量已达45.6 亿t［1］，与2021 年相比增加了9%［2］。但随着浅部煤层的逐渐开采殆尽［3］，原煤产量的逐渐上升即代表煤层的开采深度也逐渐加深［4］，这无形中对煤矿的安全生产工作提出了更高的要求。本文基于矿井已有的资料对东曲煤矿29204 工作面的通风系统和瓦斯治理系统进行规划设计，以期对煤矿安全措施的制定提供一定的参考。

1 工作面概况

东曲煤矿29204 工作面位于+860 水平二采区9#煤层，该工作面北东为+860 水平二采区边界回风巷，北西为28202 低抽巷，南东为28206 低抽巷，南西为+860 总回风巷，上方为28204 工作面（已回采）。29204 工作面所回采9#煤层属上石炭统太原组煤层，结构简单，煤层厚度变化不大，属稳定煤层。煤层厚度1.9～2.8 m，平均2.47 m。29204 工作面走向长度1 210、1 221 m，倾斜长为141 m，轨顺巷道断面13.02 m2，皮带顺槽巷道断面13.95 m2，切眼断面为21.08 m2。29204 工作面整体呈单斜构造，在回采过程中预计揭露断层5 条，对回采有一定影响，该工作面区域有2 处陷落柱，对回采无影响。水文地质条件简单，不受地表水、小窑老空水影响，顶板为砂质泥岩，为相对隔水层，不含水，对回采无影响，因此需要对该工作面的通风系统和瓦斯治理系统进行规划设计。

2 29204工作面通风系统

2.1 工作面U型通风系统

根据《东曲煤矿瓦斯涌出量预测》，预计29204 工作面回采期间最大绝对瓦斯涌出量为4 m3/min，相对瓦斯涌出量1.77 m3/t。工作面采用U 型通风系统，轨道顺槽进风，皮带顺槽回风。

2.2 工作面通风、反风系统

新鲜风流：西平硐—下水平猴车暗斜井—+860东翼轨道巷—二采3#联络巷带—联络巷—29204 轨道顺槽—工作面。

污浊风流: 工作面—29204 皮带顺槽—29204 皮顺回风联络巷—+860总回风巷—+860水平下组煤总回风巷—长峪沟回风井—地面。

2.3 需风量计算

2.3.1 按气象条件计算

按照气象条件计算需风量Qcf1为

式中，Vcf为工作面风速，取1.0 m/s；S为工作面的平均有效断面积，取13.888 m2；Kh为采高系数，取1.2；Kl为长度系数，取1。

计算得出需风量为700 m3/min。

2.3.2 按瓦斯涌出量计算

29204 工作面回采时，预计绝对瓦斯涌出量4 m3/min，其中瓦斯抽采量1 m3/min，风排瓦斯量3 m3/min，按照瓦斯涌出量计算需风量Qcf2为

式中，Qcg为回风巷绝对瓦斯涌出量，m3/min；Kcg为瓦斯涌出不均匀备用风量系数，取1.70。

计算得出需风量为638 m3/min。

2.3.3 按照二氧化碳涌出量计算

按照气象条件计算需风量Qcf3为

式中，qcc为绝对CO2涌出量，m3/min；Kcc为备用风量系数，取1.20。

计算得出需风量为96 m3/min。

2.3.4 按人数计算

按人数条件计算需风量Qcf4为

式中，Ncf采煤工作面同时作业的最多人数，取40人。

计算得出需风量为160 m3/min。

根据4种需风量计算，取以上计算结果的最大值700m3/min为29204工作面的实际需要风量。

2.4 风速验算

验算最小风量：

式中，h为采高，取3.1m；Smin为最小有效断面积，m2；Lmin最小控顶距，取4.08 m。

验算最大风量：

式中，Smax为最大有效断面积，m2；Lmax为最大控顶距，取4.88 m；

通过验算可知，159 m3/min＜700 m3/min＜2 656 m3/min。因此，29204 工作面实际需要风量取700 m3/min即可以满足工作面风速要求。

3 瓦斯治理方案

3.1 设置瓦检员

在煤矿生产期间，每班需安排瓦检员至少检查3次工作面及回风流中瓦斯浓度，同时需检查各类传感器及安全防护装置的运行状况，如发现异常状况应马上向调度室汇报［5］。瓦检员在工作过程中需严格遵守瓦检员岗位责任制及其他各类安全操作规程，在其巡检过程中要如实填写各类表格，同时需要将检查结果告知井下负责人［6］。瓦检员在检查过程中如发现瓦斯浓度出现异常，应当迅速安排现场员工撤离至安全地点，并向调度室汇报，按照预设方案解决瓦斯浓度异常问题，直至瓦斯浓度恢复正常方可继续作业。当班瓦检员与上班瓦检员应现场交接，在交接时需准确描述是否存在问题及其他各类隐患。

3.2 瓦斯浓度监测

在工作面进风流及上隅角布置甲烷传感器。如果检测到瓦斯浓度超过0.8%时，应当立即停止作业，关闭区域内所有电源并组织人员撤离至安全地点，之后由矿总工程师组织通风、安监等部门进行联合调查，采取相应的措施并使瓦斯浓度降到规定值后才可继续生产［7］。每班下井的队长及其他技术人员需携带便携式瓦斯检测仪，随时对现场瓦斯浓度进行测量。通风队要保证各用风地点的风量满足要求，并定期进行核查。放炮作业前要制定相应的安全措施，并落实一炮三检制度［8］。

3.3 瓦斯抽采

由于29204 工作面采用U 型通风系统，根据工作面瓦斯抽采方案的要求，在29204皮带顺槽布置一趟上隅角抽采管路。上隅角插管抽采沿29204 皮带顺槽距巷道顶板120 mm，采用钢丝绳加管卡的方式吊挂在巷道的右帮。当管路安装到距工作面30 m 的位置，采用φ500 mm 弹簧风筒延伸到端头液压支架侧护板，跟随工作面回采支架移挪收缩风筒抽采。当工作面超前支护与抽采管路接触时，拆除20 m 抽采管路，确保管路末端距工作面30 m，并调整弹簧风筒的长度，保证上隅角抽采的稳定。

在20204 皮带顺槽布置瓦斯抽采系统，沿着巷道铺设瓦斯抽采管路，使用绝缘工具将抽采管路固定在距离顶板和巷帮300 mm的位置。在抽采管路上每间隔100 m 安装一处接地装置，此接地装置的电阻值应小于80 Ω。在瓦斯抽采管路的出口位置应安装各类监测传感器、流量计以及安全装置等。

所有的瓦斯抽采管路上都应配备各类传感器，监测瓦斯浓度、流量，一氧化碳浓度、流量等参数，且传感器要定期组织专门人员进行检查，核查其运行情况、检测准确度等，以防其失效或出现较大误差而造成其他严重后果。

3.4 综合防突措施

3.4.1 区域防突措施

3.4.1.1 突出危险性预测

根据《西山煤电（集团）有限责任公司东曲矿9#煤层煤与瓦斯突出危险性区域预测报告》，29204 工作面无突出危险性。

在工作面回采的过程中，需每隔1 段距离进行1次区域验证［9］。如果结果显示无突出危险，则采取相应防护措施后即可回采；如果结果显示有突出危险，应该立即实施工作面防突措施，且之后的采掘作业必须采取局部综合防突措施。

3.4.1.2 区域验证

验证方法为钻屑瓦斯解吸指标法，指标为钻屑瓦斯解吸指标K1值和钻屑量S值。

施工验证钻孔时根据工作面实际情况使用手持式风动钻机或手持式乳化液钻机，配套φ42 mm 钻杆和φ45 mm 钻头。进行区域验证时，在29204 切眼每隔15 m 施工1 个孔径为42 mm、深10 m 的验证孔，钻孔与回采方向平行。29204 切眼长136 m，每次区域验证至少需施工9个验证孔。钻孔时，测定每米的钻屑量S，同时隔2 m测定一次指标K1。

在工作面回采过程中，若连续2次验证结果为无突出危险，保留2 m 的预测超前距进行回采（允许回采进度为8 m）。从第三次区域验证开始，每天进行1次区域验证。在构造破坏带连续进行区域验证。区域验证纳入工作面正常作业工序，在确保满足上述所有条件的前提下，每天在检修班进行。

若指标K1和S的测定结果均处于安全范围内，在回采过程中未见突出隐患，即可认定该区段无突出危险；在回采过程中有突出隐患出现，则认定该工作面有突出危险性，在工作面回采的过程中需实施相应的防突措施。若指标K1或S的测定结果未处于安全范围，则认定该工作面有突出危险性，在工作面回采的过程中需实施相应的防突措施。

3.4.2 局部防突措施

3.4.2.1 突出危险性预测

预测的方法及判断标准与区域验证相同，预测无危险后回采8m 继续进行预测，以此循环。在工作面推进的过程中，如发现地层结构不连续，必须采取防突措施后才能继续回采。

3.4.2.2 工作面防突措施

根据《防治煤与瓦斯突出细则》第一百零二条可知，如预测结果显示有突出危险性，可在工作面前方打钻孔预抽瓦斯以消除突出危险性。

在29204 切眼施工2 排孔径75 mm、孔深15 m 的排放孔，纵向间距1 m，横向间距5 m，排放孔施工完成后必须预抽瓦斯4 h以上。

钻孔时应使用气动架柱式钻机或钻进能力相当的钻机，配套φ69mm 钻杆和φ75mm 钻头。钻孔在控制范围内应均匀布置，煤层地质结构出现异常时，必须了解具体情况，酌情修改钻孔参数并报总工程师批准后实施。

3.4.2.3 防突措施检验

钻孔预抽煤层瓦斯之后，应对其防突效果进行检验，检验的原则与预测的方法相同。

检验孔与预测孔、预抽孔不能交叉或连通。检验所得指标均处于安全范围内时，且在回采过程中无突出隐患出现时，可以认为防突措施发挥了作用。若指标K1或S的测定结果未处于安全范围，则认定防突措施未发挥作用，此时可继续进行回采；若在回采过程中有突出隐患出现，也认定防突措施未发挥作用，此时必须采取其他防突措施，直至指标测定结果处于安全范围。

3.4.3 安全防护措施

已建成的+860 水平东翼永久避难硐室服务于29204 工作面所在的采区。+860 水平东翼永久避难硐室位于+860水平石门和+860水平东翼轨道巷连接处，设计长度80 m，可容纳100人避险。

29204 轨道顺槽掘进期间安设2 个临时避难硐室，分别位于450、950 m 处。29204 皮带顺槽掘进期间安设2 个临时避难硐室，分别位于400、800 m 处。工作面回采前应对避难硐室支护进行修缮，对内部设施进行维护，确保可正常使用。避难硐室必须喷浆处理，喷浆厚度不小于100 mm；避难硐室的面积必须大于每人0.5 m2的标准，其大门应设计为向外开启，且平时处于常开状态；避难硐室内应有与外界保持通讯联络的设备，同时配备供氧、供水以及食物，且其数量必须能够满足工作面所有人避难的需求。

工作面回风顺槽与进风巷间的联络巷安设1 组（2道）反向风门。构筑风门的墙体其厚度应大于800 mm，墙体四周应深入岩体至少500 mm，2道风门间隔需在4 m 以上。如果有输送机、轨道等设施通过风门，必须设置安全设施。工作面内有人员进行工作时，反向风门必须处于开通状态。

在工作面回采过程中，如需进行爆破作业，必须按照爆破作业操作规程进行操作，选择远距离爆破方法进行作业，在爆破作业的过程中需采取一定的防护措施。爆破地点与工作面之间距离应在100 m以上，同时撤离工作面的人员并断电，在爆破作业结束30 min 之后，需进入工作面检验是否存在安全隐患，确认全部安全之后，方可恢复生产。

井下安设压风自救装置的位置有距离工作面30 m 左右的巷道内、爆破作业位置、爆破作业时人员集中位置、与地面联络的硐室、回风巷中需要人员作业的地点。1 组压风自救装置可供多人共同使用，且平均到每个人的供风量应在0.1 m3/min以上。

4 监测监控系统

4.1 监控设备

29204 工作面监控设备共计安设各类传感器21台，6台工作面瓦斯传感器、3台一氧化碳传感器、1台温度传感器、1台烟雾传感器、1台风速传感器、1台风向传感器、1台粉尘传感器、3台设备开停传感器、1台馈电传感器、1台断电传感器、1台风门语音传感器、1台机载断电仪。

4.2 传感器安设

29204工作面进风流距进风巷口10～15 m处设甲烷和风向传感器；切眼10 m 内设甲烷传感器；工作面上隅角回风流设甲烷传感器、一氧化碳传感器；工作面回风流距工作面10 m 内设甲烷传感器；工作面回风流距工作面煤壁30 m 内设粉尘传感器；工作面回风流距回风巷口10～15 m 处设甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、风速传感器；回风顺槽中部设甲烷传感器；皮带头的下风侧10～15 m 处安装一氧化碳、烟雾传感器。工作面探头吊挂位置距顶不大于300 mm，距帮不小于200 mm。

4.3 监测监控

当甲烷传感器、一氧化碳传感器等其他传感器监测到空气成分及浓度出现异常状况时，应当立即停止作业并将工作面人员全部撤离至安全区域，同时及时向地面调度室汇报，若瓦斯浓度出现异常时，在进行上述操作的同时还应切断电源，防止引起瓦斯或粉尘爆炸［10］。安排专人按照操作规程解决空气成分浓度异常的问题后，在做好安全防护的前提下方可恢复生产。

4.4 应用效果分析

29204 工作面在回采过程中，采用U 型通风系统，制定了一系列瓦斯防治措施，同时布置了多组传感器，实时监测空气中的CH4浓度、CO 浓度、粉尘浓度、风速、温度等参数。监测数据显示，工作面的平均粉尘浓度长期保持在160 mg/m3以下，平均CH4浓度长期保持在0.5%以下。这表明通风及瓦斯防治系统在29204工作面应用取得了较好的效果。