矿井瓦斯治理及通风系统优化探讨

2023-12-19付永江

中国科技纵横 2023年19期

付永江

（贵州盘南煤炭开发有限责任公司，贵州六盘水 561601）

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源，在国民经济中发挥着重要作用。随着经济的发展，煤矿行业也进入了快速发展阶段。在煤炭资源开发过程中，我国逐渐形成了以大型国有煤矿为主、中小煤矿为辅的格局。然而，我国煤矿安全生产事故时常发生，因煤矿开采而死亡的人数呈上升趋势。矿难的发生不仅造成了大量人员伤亡、财产损失，而且严重影响了煤炭行业的正常发展秩序。为了保证开采的安全性，需要做好瓦斯灾害的防治工作。矿井瓦斯的治理在安全生产中至关重要，近年来全国范围内的煤炭企业大多兼并重组，且很多大型矿井的建设和改造工程不断深入，在多种因素的影响下，煤矿瓦斯灾害问题变得更加复杂和严峻。因此，加强对煤矿瓦斯防治工作的研究探讨非常有必要。

1 矿井瓦斯爆炸的相关情况分析

煤炭是社会工业生产以及生活工作中不可或缺的组成部分，煤炭的开采历史比较悠久，但是随着时间的推移，煤矿的开采难度越来越大。随着煤矿深度的增加，提升了开采的复杂性和瓦斯的浓度，一旦瓦斯的浓度超过限制就会发生爆炸。自20 世纪90 年代开始，我国瓦斯爆炸事故的发生率逐年提升，其中最主要的原因就是瓦斯含量超标。瓦斯的燃点比较高，在正常温度下不会引发瓦斯爆炸，但是煤矿开采工作在地下开展，工作人员需要长时间处于黑暗的环境，为了正常的工作需要不间断的照明，这些因素会促使矿井下的电压发生变化[1-2]。若是电压出现异常，就会促使温度发生变化，温度的急速上升，会引发瓦斯爆炸。

我国煤矿发生重大伤亡事故，绝大多数都是由于井下通风系统出现严重故障造成的。据统计，全国每年发生的各类矿难中，有70%以上是通风系统的责任事故。从近年来国内发生的几起特大矿难来看，几乎全部是由于井下安全监控系统失灵而引起的“盲区”，造成人员窒息死亡或中毒受伤等恶性后果。在许多情况下，由于监控系统的失效导致作业人员不能及时发现并排除隐患。同时，由于现场作业人员的盲目操作或违章指挥，使隐患得不到及时消除而造成惨剧的发生。

矿井瓦斯的爆炸受到多种因素的影响，瓦斯浓度、温度、氧气都会诱发瓦斯爆炸。矿井瓦斯爆炸不仅会造成矿井的塌陷，也会产生大量的废气，严重影响周围环境，更会对开采人员的人身安全造成影响。

2 矿井通风系统的现状和存在的问题

目前，矿井的通风系统为单一进风井、斜井双巷开采，主要巷道布置在+1465m 水平，为一翼贯通，通风方式为一翼回风、一翼正常通风，主要通风机为YCS708 型。+1465m 水平一翼采用全风压通风方式，+1465m 水平采用正常通风方式。矿井总回风量约为56000m3/min；进风巷道总长度为3281m，回风巷道总长度为3759m。矿井主要通风机配备2 台YCS708 型抽出式对旋式通风设备，额定风量为2385m3/min。该设备安装在+1465m 水平的进风巷道中，布置在进风巷道内的主要进风巷道断面为3.5m×3.5m（净宽）。进风巷道内设置1 台YCS708型抽出式对旋式通风机，主要用于主回风系统的补充通风。

目前，我国煤矿井田多、地质条件复杂，采区巷道长，生产过程中容易产生大量粉尘。而我国大部分煤矿的通风系统仍以自然进风为主(包括局部机械通风)，即依靠风流和烟气自身流动，满足井下人员与设备的正常呼吸需要。这种传统的自然进风系统在运行过程中存在以下问题。

2.1 局部通风机能力不足

在煤矿井下，由于巷道狭窄、煤壁较厚，在掘进过程中容易产生风流短路。同时，由于巷道内温度高、空气稀薄，造成矿井内的氧气浓度低。为了保证作业人员呼吸安全及防止一氧化碳中毒事故的发生，要求矿井必须保证足够的风量。但是，目前我国大多数的煤炭生产企业的生产条件比较落后，设备陈旧老化现象严重，特别是部分老矿的生产技术装备水平较低(如综采工作面)，其配套的风机选型不当或性能差导致局部通风能力不足的现象时有发生。此外，回风巷道的风量较小，满足不了矿井生产的需要[3]。

2.2 通风网络不合理

在煤矿的通风网络中，矿井主扇、回风巷、运输巷和辅助回风的布置是决定矿井通风能力的主要因素之一，如果这些部分布置不当，就会导致整个系统的风量不足。当前，大多数煤矿通风系统的通风网络设置极不合理，且主井及副井通风能力不足，部分巷道（尤其是部分采区回风巷道）没有形成全风压通风网络，导致部分巷道风量不足，部分巷道风流短路。例如在平硐开拓掘进工作面，由于采空区面积大、空间狭小以及煤岩体自燃发火等自然条件的影响，造成采空区的漏风量增大。因此，必须根据实际情况合理地布置各条巷道中的风流通道及风机房的位置和数量。同时，还要注意对各主要风流通道进行合理的调节处理。

2.3 采掘工作面风流不稳定

在生产过程中，由于煤岩体赋存条件和开采工艺的不同，各采区、各个采煤工作面的风流状况不稳定，尤其是主井、回风巷道风流稳定性差。当巷道断面发生变化或顶板来压时，风流就会发生较大变化；当回风上山出现片帮、冒落等地质灾害时，风流也会产生较大波动；当遇到断层破碎带或构造裂隙发育的软岩层时，还会形成“漏风”。而在煤矿井下，由于巷道弯曲、狭窄和煤壁凹凸不平，导致风流分布不均匀；在开采过程中，由于采动引起顶板岩层松动或垮落、冒落以及回风巷破坏等影响，也会使工作面的风量发生变化，这些因素都会造成风流不稳定。此外，局部通风机未按规定进行维修或未及时更换，局部通风机电源不稳定，出现频繁停电的现象，影响工作面的正常通风。

2.4 瓦斯管理不严格

在煤矿生产过程中，如果通风系统没有进行严格的维护和检查，或者操作人员责任心不强、安全意识淡薄等会造成通风系统的风压不足、风量不够或漏风严重等问题。当发生透水事故时，就会使大量风流进入采掘工作面，从而增加采掘作业人员的危险程度。另外，在发生瓦斯事故后，也会导致大量风流进入工作面而加大人员伤亡程度。因此，必须对矿井的通风系统进行定期检查维修，及时排除各种隐患，避免瓦斯事故的发生。

3 矿井瓦斯治理方法分析

根据生产需求及矿井通风系统实际情况，现对矿井通风系统进行优化，主要内容如下。

3.1 改造瓦斯抽放系统

在瓦斯治理的过程中，对井下采掘工作面、运输大巷、主要通风设施等高风险区域实施防突措施。对于没有防突措施的采掘工作面或未安装安全避险系统的运输大巷和主要通风设施，必须立即进行技术改造；对于已经完成防突措施的采掘工作面或已安装安全避险系统的运输大巷和主要风机房等重点场所，必须及时开展检测检验和安全评估；对于存在重大隐患的井工矿、露天矿，要制定应急预案并严格落实。对一翼回风巷进行改造，以实现主井、副井同时提升的目标[4]。

3.2 优化通风网络系统

在煤矿开采过程中，随着采空区、废弃巷道等空间的存在和不断增多，导致局部区域出现通风阻力增大的问题。为保证井下作业人员呼吸畅通及生产安全，必须对通风系统的设计进行优化改造。在矿建井后进行通风系统优化设计，对井下所有风筒、风机、阀门等进行全面改造。同时，将全矿各生产工作面采用中央控制室集中控制的方式，实现“无人值守”，使各个作业地点由原来各自为政的独立管理变为统一协调的管理模式。利用地面监控中心对井下各个区域进行实时监测与指挥调度，与现场操作人员密切配合，确保整个系统的正常运转。

3.3 改造老空区通风系统

老空区的形成主要是由于井下巷道空间有限，采掘工作面布置紧凑，造成局部区域风量不足、温度较高而形成“热害区”，随着开采时间的增加，“老空”会越来越大。据统计，目前我国煤矿的“老空”面积占总可采面积的10%左右，在这种情况下，必须对“老空”进行改造。老空区的治理是煤矿生产中一项长期而艰巨的任务，由于井下巷道纵横交错、空间狭小，通风设施布置复杂、施工难度大，为满足运输、通风等需要，必须设置大量的井筒和采场风门，这些井筒和风门的安装位置往往位于矿体的中部或偏下部位，与煤体呈“V”型或倒“V”型关系(即沿走向方向)，造成局部区域形成空气滞留带。当遇到微风时，“V”字型的两个开口处会产生涡流并引起气流紊乱；当出现强风时，则会出现强烈紊流并导致风流短路甚至断链事故发生。另外，“V”型空间结构的另一端往往是回风的出口通道口或进风的主入口通道口，一旦出现堵塞或者漏风，就会导致整个区域的通风能力下降甚至丧失，因此必须改造老空区通风系统[5]。

3.4 严格控制巷道内的通风构筑物

煤矿井筒内严禁修建任何形式的通风设施。在井筒内不得设置风门、风桥、密闭罩等，不得采用自然通风或机械抽放式联合通风，严禁利用通风机进行局部通风，严禁利用无动力风机进行局部通风。对不符合有关标准的，一律不得通过安全监管部门验收并投入使用。在开采煤炭时，必须安装必要的风机，风机的安装有一定的要求，为了保证通风效果，风机应安装在地面安全地点。当风机需要井下安装时，风机的位置应放置在安全位置，避开可燃物和危险物，尤其是瓦斯危险区。此外，风机房应远离主要运输线，并保证人员能正常进出。

3.5 做好监控工作

目前，大多数矿山企业均采用了以地面视频监控为主、局部区域多点控制结合的视频监控系统，但随着安全生产要求的不断提高，“视频监控”技术已远远不能满足当前生产管理需要，“视频监控+地面控制室值守”成为当前最有效的安全防范手段之一。井上主扇风机关乎矿井通道的通风，若是矿井上的主扇风机停止运作，“视频监控系统”会立即发出报警信号，以此保证地面值班员可以第一时间发现问题；值班员应立即根据报警信号迅速赶赴现场进行处理，并且要及时提醒相关开采人员和工作人员，以保证在最短的时间内帮助开采人员撤离到安全地点。等待一段时间后，在确认无险情后即可恢复正常的开采工作。

4 矿井瓦斯治理的优化效果分析

通过优化矿井通风系统，可以有效地保障矿井的安全工作，对开展正常的煤矿开采工作有极大的帮助。通风系统的完善可以减少瓦斯爆炸的可能性，增加煤炭开采的安全性，也可以使煤矿企业获得良好的经济效益和社会效益。首先，煤矿开采工作经过优化后，一定程度上增加了瓦斯抽采量，瓦斯抽采效果日益明显，并且提升了矿井瓦斯的抽采率。其次，各采区进风和回风风流方向不同，根据各采区的实际风流情况，优化通风系统，回风流风速均高于优化前。最后，经过优化，通风系统大大降低了生产成本，各风机均实现了变频调速[6-7]。

通过实施矿井通风系统优化项目，提高了对风量的利用率，降低了瓦斯抽采成本；优化后的通风系统能够减少漏风、降低矿井总阻力、避免产生新干扰；在各风机变频调速控制下能够进一步提高矿井通风系统的稳定性和可靠性。因此，对于目前矿井通风系统存在问题进行优化调整的情况下，通过实施矿井通风系统优化项目能够为我国煤矿安全高效生产提供保障。