金海洋矿区下部工作面均压防灭火技术研究及应用

孟凡银

【摘 要】利用均压防灭火理论，设计了金海洋矿区某矿回采工作面均压防灭火系统并投入使用，有效防止了上覆煤层房柱式采空区CO及低浓度氧气等有毒有害气体的涌出，使下部回采工作面免受灾害影响，同时解决了本煤层采空区遗煤氧化自燃的威胁，具有一定推广价值。

【Abstract】Through using the theory of pressure equalizing fire prevention and extinction， the pressure equalizing fire prevention and extinction system of a mining face in Jinhaiyang mining area is designed and put into use. It effectively prevents the emission of toxic and harmful gases such as CO and low concentration oxygen in the roof pillar goaf of overlying coal seam， and makes the lower mining face is free from disaster， and at the same time， the threat of the oxidation and spontaneous combustion of the residual coal in the goaf of this coal seam is solved. It has certain popularizing value.

【关键词】下部回采；均压防灭火系统；有毒有害气体；遗煤氧化

【Keywords】the lower mining；the pressure equalizing fire prevention and extinction system ； toxic and harmful gases； residual coal oxidation

【中图分类号】TD72 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0156-03

1 引言

金海洋矿区所属各煤矿为兼并重组整合矿井，井田内含3#、4#、6#、9#和11#煤等5层煤，其中大多数矿井3#煤层蹬空不可采；4#煤层大部分在整合前被采空，存在大量小窑老空区。煤层赋存深度200m左右，煤层结构简单。

6105工作面上覆为回采后的4102工作面采空区，6#煤层与4#煤层间距为8.56～19.72m，平均15m，由南向北逐渐变厚。顶板砂岩抗压强度平均29.3MPa。

2 安全隐患

根据现场条件和以往经验，分析认为该矿6105工作面在开采6#煤层时有如下安全隐患：①老空区积水隐患（已在工作面两顺槽切眼内利用水压致裂弱化顶板技术提前探放）；②顶板大面积突然垮落隐患（顶板隐患在开采前已采用水压致裂弱化顶板技术处理）。现场实地勘查发现，该矿在小煤窑开采时期形成数量众多的大面积4#煤老空区，老空区域内老巷、采空区呈网状分布，遗留的老空区长30～60m，宽7～30m，高6～9m，大部分老空区顶板悬而未落。根据周边矿井经验，6#煤层工作面回采时，4#煤层老空区顶板可能大面积突然垮落，容易导致冲击支架，损坏设备，出现飓风以及有毒有害气体涌入工作面等安全事故[1]。

③4#煤层火区隐患。该煤矿井田中东部存在406火区，在距406火区955m处于井田中西部的4103工作面顺槽，掘进期间曾经在附近老巷密闭处监测到浓度达1000ppm的CO气体，在406火区东北方向289m的4#煤层大巷内5号密闭处，CO濃度高达10000ppm，用红外测温仪测得火区附近煤壁温度为97℃，说明406火区是个不完全封闭的活火区，其产生的有害气体已经在4#煤层老空区发生了大范围扩散，严重危及工作面人员安全。

3 采煤工作面均压通风防灭火技术

3.1 均压通风防灭火原理

均压通风防灭火实质上为风窗-风机增压调节。所谓的增压调节是指使两调压装置中间的风路上的风流的压能增加。为此，风机安装在风窗的上风侧。正压调节又可分为风量不变和减少两种[2]。

在实施均压通风之前风路的压能曲线图为直线abcd，实施均压通风后，在风机的作用下B点压能提升对应的压能由b变为b，由于风路的风量不变，BC段的摩擦阻力不变，C点的压能由c变为c。风机提供的能量H与风窗消耗的能量hw在数值上相等。

在实施均压通风之前风路的压能曲线图为直线abcd，实施均压通风后，由于风路的风量减少，巷道摩擦阻力减少，A点的压能由a增加为a；在风量减少和风机联合的作用下B点压能提升对应的压能由b变为b；由于C处风窗的安设大大增加了风路的总阻力，所以由于风路的风量不变，BC段的摩擦阻力不变，C点的压能由c变为c，风窗后变为o，D点的压能由d变为d。风机提供的能量H小于风窗消耗的能量hw。

3.2 6105工作面均压防灭火参数计算

3.2.1 6105工作面需风量计算

6105工作面回采过程中，采用全风压“U”型通风系统，6105主运顺槽进风，6105辅运顺槽回风。采煤工作面实际需风量，应按CH4、CO2涌出量和爆破后的有害气体产生量以及工作面气温、风速和人数等规定分别进行计算，然后取最大值。经计算，按工作面气象条件和风速计算出的风量最大，结合该矿生产实际，6105回采工作面回采期间配风量不小于1058m3/min。

3.2.2 6105工作面通风阻力计算

6105工作面通风阻力即副井到6105工作面通风阻力，6105工作面正式投产后，工作面通风线路为：副井→进风大巷→6#煤绕道→6#煤辅助运输大巷→6105运输顺槽→6105切眼→6105回风顺槽→6105回风联巷→6#煤回风大巷→6#煤回风下山→集中回风巷→回风井。

由此可计算出，正常生产时在工作面风量为1200m3/min的情况下，副井至6105工作面通风阻力=141-69+135=207Pa。副井至6105工作面的通风阻力207Pa即为6105工作面均压通风的压力值。

3.3 均压风机选型

3.3.1 风机风量

Q扇=Q×P+100=1200×1+100=1300m3/min （式1）

式中：Q扇—局部通风机工作风量，m3/min；

P—局部通风机供风巷道风筒漏风系数。风筒百米漏风系数为1.03，由于均压风机风筒长度较短（约为30m），此处P近似取1；

100—溜煤眼、6105主运顺槽端头调节墙、6104端头调节墙漏风和近似取100m3/min。

3.3.2 风机风压

均压风机全压包含两部分，一部分克服风筒阻力，另外一部分提高风筒出口处外部空气的静压，即采取均压通风需要的压力。根据均压风机风筒设计长度、通风机需要工作风量、风筒风阻及均压的大小，计算均压通风机工作风压值。因为矿井计划使用4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机作为均压风机，本方案对使用4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机进行验证。

①风筒阻力计算

风筒风阻是由摩擦风阻、局部风阻组成，其大小取决于风筒的直径、接头方式、风筒总长度、风压、单节风筒长度、风筒的材质等，因无实测资料时，应下式计算。

Rp=6.5α×L/（d5）+（n×ζj0+∑ζbei+ζin）×[ρ/（2s2）]

=0.974335N. S2/m8 （式2）

式中：Rp—压入式风筒的总风阻，N.S2/m8；

α—风筒摩擦阻力系数，取0.0025N.S2/m4；

L—风筒长度，30m；d—风筒直径，1.0m；ρ—空气密度，1.0kg/m3；

s—风筒断面积，0.785m2；n—风筒接头个数，风筒长度按30m考虑，每节风筒长度为10m，n取3；ζj0—风筒接头局部阻力系数，取0.1；

ζbei—风筒拐弯局部阻力系数，拐弯角度为35°，取0.2；ζin—风筒入口局部阻力系数，当入口处完全修圆时，取0.1；不加修圆的直角入口时，取0.5～0.6，此处取0.1。

风筒阻力计算：

hft =Rp×Q扇×Q掘=0.974335×（650/60）2=114Pa （式3）

式中：hft—均压风机风筒阻力，Pa。

②均压通风机工作风压

hf=hft+hj=114+207=321Pa

式中：hf——均压风机工作风压，Pa。

hj——6105工作面均压值，207Pa。

3.3.3 矿方预选风机验证

矿井当前闲置4台FBD№8.0（2×45kW）局部通风机，计划将4台风机“两两并联”起来使用。4台同型号同厂家的局部通风机，其曲线也相同。两台风机并联运行的曲线，风压看作不变，对应相同风压的风量相加，可将均压的风压值看作1台均压风机的风压，均压风量的50%看作为1台均压风机的风量。

风机铭牌标风量为680～380m3/min，风压为600～7800Pa。井下空气密度约1.0kg/m3，则风机风量为680～380m3/min，风压为500～6500Pa。按照风筒消耗阻力114Pa，且提供均压207Pa，即局扇的理想工作压力为321Pa。

根据风机性能曲线，按照每台均压风机风量为650m3/min，估算风机工作风压为大于均压通风的风压321Pa。但由于6105工作面主运顺槽端头处存在3处调节设施和1处溜煤眼，即6105主运顺槽调节墙、6104主运顺槽调节墙、6104主运进风联巷风门和6104溜煤眼，在实施均压通风的过程中，这3处调节设施及溜煤眼均会存在漏风泄压，需严格控制6105主运顺槽调节墙、6105主运顺槽进风联巷风门、6104主运顺槽调节墙、6104主运进风联巷风门和6104溜煤眼漏风的情况下，6105工作面能够达到理论的均压通风效果。

3.3.4 均压通风设施施工调试

①施工均压设施前，通风区密闭工提前备料，通风设施的构筑必须按质量标准化及操作标准的要求进行作业。

②6105主运进风联巷均压挡风墙及均压风机安装完毕后，开始根据均压通风要求按配风计划调节采面风量。

③调风前及时通知调度室和有关领导，调风时撤出采面所有人员，检查砌筑通风设施的完好情况。在6105主运顺槽测风站和6105辅运顺槽回风联巷调节风窗处各安装1部临时电话。均压风机运转后，关闭6105主运顺槽进风联巷密闭墙平衡风门，逐步调节6105辅运顺槽回风联巷调节风窗的大小，同时在6105主运顺槽测风站测量6105工作面风量[3]。

④当6105进风联巷均压风机启动后，6105工作面压力升高，6105主运顺槽端头调节风窗、6104主运顺槽端头调节风窗、6104主运顺槽联巷风门及6105辅运顺槽风门的漏风均会有所增加并降低均压效果，应合理减小漏风面积，保证均压效果。

⑤必须按规定安装风机的“三专两闭锁”和风机间的闭锁，每台风机必须按要求安设开停传感器和声光信号，保证信号齐全、灵敏、可靠，如果均压风机停转则灯亮铃响。

⑥均压风机开启后，进入均压通风区域的所有人员在进出风门时，严禁将两道风门同时打开，人员通过后要立即关闭风门，非通风区的调风人员严禁调节均压通风区域调节风窗的大小。

⑦采面的进风、回风压差和风量由通风区测风人员实测并记录。

4 均压通风参数测试及效果分析

自2017年5月5日至8月15日，6105工作面回风隅角CH4、CO气体浓度均为0，O2和CO2气体检测情况如图1和图2所示。

由监测结果可知，自6105工作面均压防灭火系统启动以来，工作面氧气浓度迅速上升，恢复正常，上覆上部4#煤层采空区泄漏气体中CO2气体迅速下降，且一直未发现有CH4和CO气体涌出现象。

5月12日早班，由于上覆上部4#煤层采空区顶板冒落，对工作面造成冲击，短时间加大6#煤层采空区气体压力，工作面出现短暂低氧、CO2浓度偏高现象，后迅速恢复正常，且无CH4和CO气体涌出。

2017年5月13日至6月27日，工作面O2浓度均处于20.0%以上，CO2浓度均低于0.13%，且无CH4和CO气体。

自6月28日起，根据6105工作面推进距离，工作面上覆采空区已在上覆小窑采空区覆盖范围之外，即尝试改为U型负压通风方式，立即工作面回风隅角O2浓度迅速下降至18%，CO2浓度增长至1.23%。后该矿在调度室立即决定通知井下重新开启6105工作面4台4FBD№8.0（2×45kW）的局部通风机（两用两备），对工作面继续实施均压通风防灭火技术措施。系统恢复后，6105工作面回风隅角O2浓度迅速恢复，自7月4日至8月15日，回风隅角O2浓度持续位于19.6%～20.7%之间；回风隅角CO2浓度除7月9日短暂出现0.8%的浓度之外，其余时间浓度均小于等于0.3%。

5 结论

通过2017年5月5日至10月6日气体观测结果，6105工作面均压通风参数测试及效果分析说明6105工作面均压防灭火系统实施以来，有效的防止了上覆上部4#煤层房柱式采空区CO及低浓度氧气等有毒有害气体的涌出，杜绝了工作面来自上覆4#采空区有毒有害气体以及本煤层采空区遗煤氧化自燃的威胁，同时也证明了均压防灭火系统在6105工作面防治火灾安全隐患的有效性。

【参考文献】

【1】王德明.矿井通风与安全[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

【2】胡强.均压通风在综采工作面中的应用[J].科技创业家，2013（11）：109.

【3】邸學勤.开区均压通风在大同矿区的应用[J].煤矿安全，2003（07）：24-25+47.