急傾斜特厚煤層綜采工作面均壓通風技術研究與應用

孫秉成，杜昌昂，丁文龍，王 剛

(1.神華新疆能源有限責任公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

隨著東部煤炭資源開采殆盡，西部在未來將成為中國煤炭開采的主戰場。我國新疆烏魯木齊礦區的急傾斜煤層儲量占全國急傾斜煤層儲量的25%以上[1-3]。目前新疆地區對急傾斜特厚煤層常用的開采方法是水平或斜切分段放頂煤采煤法[4-6]，由于其具有采放比較大(烏東煤礦采放比約1∶7)、埋藏較淺、地表向采空區漏風、底部煤體自卸壓瓦斯逸散、采空區范圍大且遺煤較多、自然風壓對采空區漏風影響較大等特點，導致工作面瓦斯防治工作難度較大，隅角氣體積聚和火災事故頻發。

通風是保持井下人員工作環境健康的基礎[7，8]。過大的通風量會造成采空區氧氣濃度持續升高，造成遺煤氧化甚至發生采空區火災，過小風量則會導致危險氣體濃度超標，人員供風量不足，威脅井下作業人員健康。均壓通風是利用井下構筑物以及增設局部通風機等設施，達到既減小采空區漏風，同時又保持基本的供風量的目的，其基本宗旨為“降壓減風，管風防火，堵風防漏，以風治火”[9-12]，同時均壓通風具有實用性較強、管理較為方便等特點[13-14]。本文研究均壓通風技術在急傾斜特厚煤層綜采工作面的研究與應用，確定合理的均壓參數，結合烏東煤礦實際情況設計急傾斜特厚煤層復雜條件下綜放開采工作面實際情況的均壓監測系統，并對均壓系統的效果和穩定性進行驗證，解決了綜采工作面低氧，毒害氣體濃度過高，自然風壓變化對采空區漏風影響較大等問題，對于保障急傾斜特厚煤層安全回采具有重要意義。

1 礦井概況

1.1 工作面概況

烏東煤礦+600水平45#煤層東翼綜采工作面位于礦井開采東翼，上分層為+620水平45#煤層東翼綜采工作面采空區，下分層為+575水平45#煤層東翼煤層，設計一個階段開采高度為25m，其開采方法如圖1所示，煤層傾角43°～46°，煤層位于43#煤層北側，開采工作面走向長度為2923m，傾向長度40m。

圖1 水平分段放頂煤采煤法開采

1.2 自然風壓現場測定

為了能更好地反映烏東煤礦不同時段的自然風壓變化規律，對春、夏、秋、冬一天中3∶00、6∶00、9∶00、12∶00、15∶00、18∶00、21∶00、24∶00，采用間接測定法[15]進行自然風壓測定，自然風壓測定結果如圖2所示。

圖2 烏東煤礦不同季節不同時段自然風壓變化

由圖2可以得出，冬、夏兩季自然風壓日變化趨勢較大，春、秋兩季自然風壓日變化趨勢較小。從四個季節實測數據可知，自然風壓值在15∶00時左右處于較低水平，凌晨自然風壓處于最高水平。自然風壓對采空區漏風影響較大。春秋冬三季自然風壓為正，有助于礦井通風，同時會使采空區漏風嚴重。夏季自然風壓波動較大，一天內會出現自然風壓的正負交替，造成采空區的“呼吸”狀態促使采空區的遺煤自燃，給火災的防治帶來了挑戰。

1.3 工作面氣體濃度及漏風現場測定

由于開采方式的特殊性，地表、老采空區及上部采空區將會形成多次塌陷，從而形成漏風通道，存在地表新鮮空氣逐步置換采空區氣體的問題。通過對早、中、晚現場實測回風隅角平均氧氣濃度低于15%，CO濃度高達0.03‰，CH4濃度為1.5%左右。通過SF6示蹤氣體對工作面漏風進行現場實測，采樣結果與漏風測算結果如圖3—圖5所示，通過對進風巷和回風巷實測可知，進風巷風量為845m3/min，回風巷風量為873m3/min，回風巷風量大于進風巷風量，存在采空區向工作面漏風的問題，南北巷風量差值為28m3/min。雖然在地面采取了回填堵漏措施，但是來自采空區漏風情況仍較為明顯，根據水平分段放頂煤回采工藝特點，為了避免采空區自然發火，隅角氣體積聚，采取均壓通風。

圖3 工作面SF6示蹤氣體監測點布置

圖4 工作面SF6色譜分析濃度變化曲線

圖5 工作面各區間漏風量、漏風率以及漏風速度變化

2 急傾斜特厚煤層均壓通風監測預警系統

2.1 工作面風量計算

通過對工作面具體需風量進行計算，結果見表1，綜合分析表1可知工作面最小風量為729m3/min。

表1 風量計算匯總 m3/min

2.2 均壓通風方案的提出及監測預警系統的建立

針對現場實測的+600水平45#煤層東翼綜采工作面漏風情況以及采空區有害氣體涌出等問題，減少采空區漏風，防止上部采空區遺煤自燃，減少火患和一氧化碳氣體對工作面的影響，在不影響整個礦井負壓通風的情況下，采用均壓通風。對該工作面進行局部均壓通風改造，不影響整個通風系統的通風方式，工作面均壓通風方案布置如圖6所示。均壓通風方案如下：南、北巷各設置2道均壓風門，風門閉鎖可靠，實現自動關閉；均壓風機選型為FBDNO8.1-2×55kW壓入式對旋軸流風機，風機需設置為兩臺，一臺備用，雙風機雙電源具備自動切換的功能，設置“雙風機、雙電源”，均壓風筒選取1000mm骨架風筒向工作面供風；決定在巷道進、回風隅角區域，通過掛設擋風簾，減少采空區漏風；均壓風機運轉時，通過調節風窗鎖口面積，提高均壓區回風側壓力或降低進風側風流壓力來實現調整均壓區壓力的目的。

圖6 均壓通風方案

工作面建立完善的均壓通風系統，北巷正方向風門間距10m，南巷砌筑4道正方向風門，間距10m，設置1m×1.2m調壓風窗；在煤門內安裝2個“U”型壓差計，分別測定北、南巷均壓區內外壓差，在北巷均壓區內向上分層施工探孔安裝“U”型壓差計，測定上分層采空區與均壓區內壓差；在南巷向采空區埋入?50mm PE管作為觀測管，觀測采空區與均壓區壓力及采空區氣體變化情況，有效指導均壓壓力調整及防滅火措施的制定；系統運行期間安排專人看管，負責觀測均壓區壓力變化及氣體管控。

2.3 均壓系統數據監測

采取均壓通風后，工作面進風風量749.5m3/min，回風巷風量742.6m3/min，漏風量為7.9m3/min，工作面風量大于729m3/min，風量充足。采取均壓通風措施后，當日對三班數據進行現場實測，均壓通風后回風隅角、回風流中氣體濃度見表2、表3。

表2 均壓通風后回風隅角氣體濃度

表3 均壓通風后回風流中氣體濃度

根據現場數據，采取均壓通風后，烏東煤礦45#煤層均壓區(進回風)水柱計壓力差(h2-h3)基本控制在20～30Pa，煤門水柱計壓力差(h1)保持在10～20Pa，通過現場實測漏風量在10m3/min以下，回風隅角氧氣濃度在19%以上，回風隅角各氣體指標正常。

當監測數據不處于安全區間時，由于系統運行期間安排專人不間斷看管，觀測均壓區壓力變化及氣體管控，實現了對一些災害的預測預警，降低了災害發生的風險，同時對預警的有效性和實時性提出了嚴格的要求。由于烏東煤礦具有完善的通信系統，井下工作人員通過與地面工作人員取得聯系實現對災害的提前預警及時采取應對措施，進行安全預警，均壓通風監測預警系統流程如圖7所示。

圖7 均壓通風監測預警系統流程

通過對急傾斜特厚煤層均壓通風監測預警系統的研究，在+600水平45#煤層東翼綜采工作面進行了布置，得到了很好的應用。通過實踐，實現了對上部采空區氣壓變化和工作面有害氣體的實時監測，防止有害氣體對工作面內工人造成傷害，并且完善了均壓通風系統的調節方式，給礦井的安全生產提供了方便。

2.4 均壓系統的使用規定及相應安全技術措施

1)在+600水平45#煤層東翼工作面建立均壓通風系統，均壓風機為2×55kW對旋局扇，負責對均壓系統壓力和風量變化情況進行監測，同時做好均壓設施的維護工作。

2)通過在南北巷均壓風門上安裝風門開關傳感器，與礦井監控系統聯網，進行實時監控。

3)嚴禁工作人員同時打開兩道均壓風門以及對調節風量、風壓的風窗進行調節。

4)均壓風機一旦停止運行，打開南、北巷風門進行全負壓通風，同時通知瓦斯檢查員對工作面進行檢查，確認氣體正常后方可正常作業。

5)每天對均壓區進回風巷道的風量、工作面的瓦斯氣體進行測定，并及時調整好均壓區壓力(一般要求南北巷壓力差20～30Pa)，并做好調節、測定記錄。

6)每天對壓差計及其軟管進行檢查，確保正常；每天對進風側和回風側的均壓風門進行保養性維護，保證風門不漏風且能自動關閉。

3 均壓通風效果分析及穩定性檢驗

實施均壓通風是為了減小采空區漏風，CH4、CO濃度均有不同程度的下降，解決了漏風嚴重，O2供氧不足等問題，均壓效果良好。在一定程度上縮減采空區內氧化帶，減少采空區漏風防止上部采空區老火復燃方面起到了較好效果，保證煤礦安全高效開采。

通過對均壓系統15d的連續觀測，氣體濃度及漏風量監測曲線如圖8所示。由圖8可以看出，回風隅角CH4濃度最大值不超過0.3%，基本維持在0.15%左右符合安全規程不高與1%要求；CO濃度均在在0.024‰以下，最大值為0.013‰，符合煤礦安全規定，O2濃度基本穩定在18%以上，漏風量基本保持在10m3/min以下，位于5～10m3/min之間，均壓系統較為穩定。

圖8 氣體濃度及漏風量監測曲線

4 結 論

1)烏東煤礦采用均壓通風技術成功解決了+600水平45#煤層東翼綜采工作面存在漏風嚴重、回風隅角氣體積聚、自然風壓對漏風影響較大，工作面氧氣濃度過低問題，同時對采空區防滅火工作的開展也起到積極的作用。

2)均壓通風措施為在南、北巷各設置2道均壓風門，風門閉鎖可靠，實現自動關閉，均壓風機運轉時，通過調節風窗鎖口面積，提高均壓區回風側壓力或降低進風側風流壓力來實現調整均壓區壓力的目的。根據實測數據，烏東煤礦45#煤層均壓區(進回風)水柱計壓力差基本控制在20～30Pa，煤門水柱計壓力差保持在10～20Pa，漏風量在5～10m3/min，即可保持均壓區壓力穩定，工作面氣體指標正常。

3)通過對采取均壓通風后15d內進行效果檢驗，對回風隅角各氣體進行現場實測，各氣體指標均符合煤礦安全規定，均壓系統較為穩定，保證了+575水平45#東翼工作面的安全回采。