近距离煤层老窑破坏井田均压防治技术应用

刘晓恒，师传壮

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司， 山西 介休 032000)

近距离煤层小煤窑密布，井田煤层破坏严重,小煤窑空巷纵横交错,漏风通道复杂,易形成大量隐蔽高温区域,产生有毒有害气体,一旦与生产区域沟通,严重威胁矿井的安全生产。为此，许多专家对近距离煤层自然发火防治技术进行了研究，解决了实际问题。王永文[1]针对近距离煤层小煤窑密布井田漏风通道复杂,采空区大面积连通,高温区域难以准确判定,单一手段治理火区困难的问题，通过分析火区成因，应用各种防灭火技术，形成一套复杂成因自燃隐蔽灾害治理技术体系,为矿井安全、高效、绿色开采提供了保障。高峰[2]通过老巷探测、地面钻探、井下探查等方式对火区进行探查,圈定了上覆4#煤层的井巷位置及自然发火的区域,并采取了井下密闭隔离、均压通风、地面注浆等综合防控技术，有效预防和控制了采空区自燃。李强、邬剑明等[3],通过采取预先打孔埋管监测近距离煤层中上分层采空区气体随下分层工作面推进的分布规律及浓度,预测预报上分层采空区遗煤自燃情况，解决了中煤平朔煤业有限责任公司井工二矿近距离煤层群开采下分层过程中极易引起上覆采空区遗煤自燃等问题。

汾西矿业集团柳湾煤矿属近距离煤层开采，低瓦斯矿井，主采煤层自然倾向性为Ⅱ类自燃，煤尘具有爆炸危险性。在长期的生产过程中矿井井田及周边存在严重的私挖滥采现象，造成了大量位置不详的老窑采空区。该矿61115综放工作面所采太原组10+11#煤，放顶煤开采，煤层均厚5.43 m，煤层倾角3°左右，采用“U”型全风压通风方式，瓦斯绝对涌出量0.43 m3/min. 工作面两侧均已回采，两侧煤柱留设20 m，上部为9#煤小煤窑采空破坏区，层间距约10 m. 在掘进期间材料巷、运输巷多处与小窑空巷贯通导致CO涌出超限、氧气浓度低于18%，虽然进行堵漏，但仍无法杜绝气体异常涌出。为确保工作面回采期间的安全生产，防止有毒有害气体侵入及煤层自燃，对工作面采用“风机-风窗”联合均压防治技术。

1 “风机-风窗”联合均压防治技术原理

“风机-风窗”联合均压防治技术是通过在工作面进、回风巷内设置局部通风机、通风构筑物、测压装置等设施来实现的，“风机-风窗”联合均压示意图见图1，在工作面进风侧C处安设调压风机，在回风侧D处安设调节风窗，调压设施的使用增加了C、D间风流的压能。其原理是在不影响矿井主要通风机正常运转的情况下，控制井下工作面巷道间风流流动状态，通过调节局部通风系统中均压范围内的压能，使漏风通道两端的风压差达到平衡，减少或防止漏风，达到“堵风防漏、以风防火、以风制火”的目的[4].

图1 风机-风窗联合均压示意图

2 “风机-风窗”联合均压设计方案

61115综放工作面应配风量为650 m3/min，随着工作面的推进，漏风量及CO涌出量不断增大，上隅角局部CO积聚，正常情况下CO浓度为0.018‰～0.024‰，但在放煤、移架或顶板冒落等异常涌出条件下，上隅角局部CO浓度可达0.05‰～0.06‰. 在61115工作面中部、进回风隅角及两巷前、中、后部设置的9个测风点进行漏风量测定，各点风量见表1，发现主要漏风点在工作面上隅角处，漏风量约为80 m3/min.

表1 61115工作面各测点风量表

根据联合均压防治原理，结合61115工作面实际情况，在工作面进风联巷安设调压风机，进、回风巷C、D两点分别两组调压风窗，见图2.

图2 工作面均压系统布置示意图

2.1 调压范围的确定

61115工作面采用均压系统，通过增大工作面风压，使其与漏风通道风压平衡，减小漏风通道的漏风量，达到减小有毒有害气体侵入及防治自然发火的目的。为达到预期效果，在采用“风机-风窗”联合均压技术前，需确定工作面增压值(范围)，但由于采空区漏风通道复杂，且多与地表裂隙沟通，直接测定漏风通道阻力比较困难，又因为采空区漏风通道与进风井进风形成了并联通风网络(图3)，故选择与其并联的“进风井→漏风点”通风支路进行阻力计算[5].

图3 工作面采用均压系统前后通风支路网络图

根据井下巷道通风阻力计算公式：

其中各测点的空气密度按下式计算：

式中：

P1、P2—回采面漏风通道起末两测点风流的绝对静压，Pa；

Z1、Z2—两测点的标高，m；

v1、v2—回采面漏风通道起末两测点风流的风速，m/s；

ρ′—两测点风流密度的平均值，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2，取9.8；

t—测点空气的温度，℃；

h自—漏风通道自然风压，冬季与地面主要通风方向相同，夏季与地面主要通风机方向相反，秋季和春季方向不定，Pa，一般最大为100～200.

经实测工作面主要漏风点上隅角处P2、Z2、t2、v2值分别为92 686 Pa、850 m、17 ℃、0.88 m/s；进风井口处P1、Z1、t1值分别为90 776 Pa、1 050 m、10 ℃；v1取漏风通道起点风流的风速，0；h自取150 Pa.

利用上述公式计算可得出h最大=310 Pa、h最小=110 Pa. 因此，61115综放工作面漏风通道阻力最大为310 Pa、最小为110 Pa，增压范围为110～310 Pa.

2.2 调压风机的选型

工作面选择调压风机时应满足调压风机的最小风压、最小风量应大于工作面最大增压值310 Pa、工作面需风量650 m3/min.故选用两台FBD№7.1/2×45 kW的风机，风压范围为670～1 350 Pa，风量850～939 m3/min.

2.3 调压风门及风窗的安设

在61115材料巷、运输巷内各安设3道调压风门，其间距均为15 m，对前两道调压风门进行闭锁。运巷安设调压风门时必须对皮带处进行全部封闭，以减少漏风提高均压效果。在调压风门上施工1 m×1 m插板式调节风窗，安设位置为距顶板500 mm，用以调节工作面风量及压差，并在两巷均压风门附近各安设“U”型水柱计。

2.4 建立工作面的监控系统

建立完善的工作面监控系统，包括安全监测监控、束管监测、风门闭锁监测、压差监测，实现对工作面气体浓度、风量、压差的全方位实时监测与传输，在调度室即可随时掌握工作面均压区域气体浓度及压差动态变化情况。

2.5 调压期间安全技术措施

开启61115材料巷的调压风机后，先关闭材料巷调压调节风门，后关闭运输巷调压风门，逐步调整调节风窗的面积。要密切关注工作面气体参数变化，不断调整调压调节风门，确保工作面气体正常与通风系统的稳定。调整的最终结果为进风顺槽风量保持不低于设计风量(应配风量650 m3/min)，进风侧风量要略大于回风侧风量25 m3/min；同时进、回风顺槽调压风门内外的压差均保持在110～310 Pa，工作面与邻近采空区压能基本平衡，各种气体浓度均符合《煤矿安全规程》及相关规定。

综上所述，调压风机、调节风窗及其辅助设施的安设，使工作面形成了一个相对封闭的均压区域。通过调节均压区域的调节风窗开启大小对工作面的风压及风量进行调整，增加工作面的风流压力，使工作面与采空区漏风通道的压差达到平衡，减少采空区漏风量及有害气体的涌出。

3 联合均压防治系统的效果分析

61115工作面在02:00启用调压风机，通过关闭两巷调压风门，调整调节风窗面积控制均压效果，每2 h对工作面上隅角气体进行监测，检验工作面均压防治效果，上隅角的CO气体浓度变化趋势见图4. 均压防治系统启用后，工作面上隅角CO浓度从0.024‰降至0.002‰左右(表2)，工作面漏风量保持在20 m3/min左右,材料巷压力保持在280 Pa左右(表2). 此外，在与61115工作面相邻近的采空区密闭内也未检测到自然发火标志性气体。该联合均压防治方案的实施不仅限制了采空区有毒有害气体进入工作面，减少了工作面的漏风量，对预防采空区自然发火也有积极的作用。

图4 工作面均压系统启用前后上隅角CO变化趋势图

表2 工作面均压系统启用前后上隅角CO浓度、材运巷压力变化对照表

4 应用效果

均压防治系统启用后，工作面上隅角CO浓度从24×10-6下降至2×10-6左右，工作面漏风量保持在20 m3/min左右,材料巷压力保持在280 Pa左右，有效限制了采空区有毒有害气体进入工作面，减少了工作面的漏风量。

5 结 论

柳湾煤矿采用“风机-风窗”联合均压防治技术后有效解决了工作面漏风，上隅角CO浓度超限。该技术的核心是通过增加调压设施间工作面压能，使其与漏风通道末端风流的绝对压力相平衡，阻断漏风通道通风支路的形成，减少漏风。由于均压系统的平衡随大气压变化及工作面推进情况时刻变化，在使用该技术时必须每班关注工作面气体、压差及风量变化，根据实际情况进行风量及压差调整，确保均压系统可靠有效。调压风机因故停风或调压设施遭到破坏时，工作面必须强制停产并撤出人员。