急倾斜特厚煤层综采工作面均压通风技术研究与应用

孙秉成，杜昌昂，丁文龙，王 刚

(1.神华新疆能源有限责任公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

随着东部煤炭资源开采殆尽，西部在未来将成为中国煤炭开采的主战场。我国新疆乌鲁木齐矿区的急倾斜煤层储量占全国急倾斜煤层储量的25%以上[1-3]。目前新疆地区对急倾斜特厚煤层常用的开采方法是水平或斜切分段放顶煤采煤法[4-6]，由于其具有采放比较大(乌东煤矿采放比约1∶7)、埋藏较浅、地表向采空区漏风、底部煤体自卸压瓦斯逸散、采空区范围大且遗煤较多、自然风压对采空区漏风影响较大等特点，导致工作面瓦斯防治工作难度较大，隅角气体积聚和火灾事故频发。

通风是保持井下人员工作环境健康的基础[7，8]。过大的通风量会造成采空区氧气浓度持续升高，造成遗煤氧化甚至发生采空区火灾，过小风量则会导致危险气体浓度超标，人员供风量不足，威胁井下作业人员健康。均压通风是利用井下构筑物以及增设局部通风机等设施，达到既减小采空区漏风，同时又保持基本的供风量的目的，其基本宗旨为“降压减风，管风防火，堵风防漏，以风治火”[9-12]，同时均压通风具有实用性较强、管理较为方便等特点[13-14]。本文研究均压通风技术在急倾斜特厚煤层综采工作面的研究与应用，确定合理的均压参数，结合乌东煤矿实际情况设计急倾斜特厚煤层复杂条件下综放开采工作面实际情况的均压监测系统，并对均压系统的效果和稳定性进行验证，解决了综采工作面低氧，毒害气体浓度过高，自然风压变化对采空区漏风影响较大等问题，对于保障急倾斜特厚煤层安全回采具有重要意义。

1 矿井概况

1.1 工作面概况

乌东煤矿+600水平45#煤层东翼综采工作面位于矿井开采东翼，上分层为+620水平45#煤层东翼综采工作面采空区，下分层为+575水平45#煤层东翼煤层，设计一个阶段开采高度为25m，其开采方法如图1所示，煤层倾角43°～46°，煤层位于43#煤层北侧，开采工作面走向长度为2923m，倾向长度40m。

图1 水平分段放顶煤采煤法开采

1.2 自然风压现场测定

为了能更好地反映乌东煤矿不同时段的自然风压变化规律，对春、夏、秋、冬一天中3∶00、6∶00、9∶00、12∶00、15∶00、18∶00、21∶00、24∶00，采用间接测定法[15]进行自然风压测定，自然风压测定结果如图2所示。

图2 乌东煤矿不同季节不同时段自然风压变化

由图2可以得出，冬、夏两季自然风压日变化趋势较大，春、秋两季自然风压日变化趋势较小。从四个季节实测数据可知，自然风压值在15∶00时左右处于较低水平，凌晨自然风压处于最高水平。自然风压对采空区漏风影响较大。春秋冬三季自然风压为正，有助于矿井通风，同时会使采空区漏风严重。夏季自然风压波动较大，一天内会出现自然风压的正负交替，造成采空区的“呼吸”状态促使采空区的遗煤自燃，给火灾的防治带来了挑战。

1.3 工作面气体浓度及漏风现场测定

由于开采方式的特殊性，地表、老采空区及上部采空区将会形成多次塌陷，从而形成漏风通道，存在地表新鲜空气逐步置换采空区气体的问题。通过对早、中、晚现场实测回风隅角平均氧气浓度低于15%，CO浓度高达0.03‰，CH4浓度为1.5%左右。通过SF6示踪气体对工作面漏风进行现场实测，采样结果与漏风测算结果如图3—图5所示，通过对进风巷和回风巷实测可知，进风巷风量为845m3/min，回风巷风量为873m3/min，回风巷风量大于进风巷风量，存在采空区向工作面漏风的问题，南北巷风量差值为28m3/min。虽然在地面采取了回填堵漏措施，但是来自采空区漏风情况仍较为明显，根据水平分段放顶煤回采工艺特点，为了避免采空区自然发火，隅角气体积聚，采取均压通风。

图3 工作面SF6示踪气体监测点布置

图4 工作面SF6色谱分析浓度变化曲线

图5 工作面各区间漏风量、漏风率以及漏风速度变化

2 急倾斜特厚煤层均压通风监测预警系统

2.1 工作面风量计算

通过对工作面具体需风量进行计算，结果见表1，综合分析表1可知工作面最小风量为729m3/min。

表1 风量计算汇总 m3/min

2.2 均压通风方案的提出及监测预警系统的建立

针对现场实测的+600水平45#煤层东翼综采工作面漏风情况以及采空区有害气体涌出等问题，减少采空区漏风，防止上部采空区遗煤自燃，减少火患和一氧化碳气体对工作面的影响，在不影响整个矿井负压通风的情况下，采用均压通风。对该工作面进行局部均压通风改造，不影响整个通风系统的通风方式，工作面均压通风方案布置如图6所示。均压通风方案如下：南、北巷各设置2道均压风门，风门闭锁可靠，实现自动关闭；均压风机选型为FBDNO8.1-2×55kW压入式对旋轴流风机，风机需设置为两台，一台备用，双风机双电源具备自动切换的功能，设置“双风机、双电源”，均压风筒选取1000mm骨架风筒向工作面供风；决定在巷道进、回风隅角区域，通过挂设挡风帘，减少采空区漏风；均压风机运转时，通过调节风窗锁口面积，提高均压区回风侧压力或降低进风侧风流压力来实现调整均压区压力的目的。

图6 均压通风方案

工作面建立完善的均压通风系统，北巷正方向风门间距10m，南巷砌筑4道正方向风门，间距10m，设置1m×1.2m调压风窗；在煤门内安装2个“U”型压差计，分别测定北、南巷均压区内外压差，在北巷均压区内向上分层施工探孔安装“U”型压差计，测定上分层采空区与均压区内压差；在南巷向采空区埋入∅50mm PE管作为观测管，观测采空区与均压区压力及采空区气体变化情况，有效指导均压压力调整及防灭火措施的制定；系统运行期间安排专人看管，负责观测均压区压力变化及气体管控。

2.3 均压系统数据监测

采取均压通风后，工作面进风风量749.5m3/min，回风巷风量742.6m3/min，漏风量为7.9m3/min，工作面风量大于729m3/min，风量充足。采取均压通风措施后，当日对三班数据进行现场实测，均压通风后回风隅角、回风流中气体浓度见表2、表3。

表2 均压通风后回风隅角气体浓度

表3 均压通风后回风流中气体浓度

根据现场数据，采取均压通风后，乌东煤矿45#煤层均压区(进回风)水柱计压力差(h2-h3)基本控制在20～30Pa，煤门水柱计压力差(h1)保持在10～20Pa，通过现场实测漏风量在10m3/min以下，回风隅角氧气浓度在19%以上，回风隅角各气体指标正常。

当监测数据不处于安全区间时，由于系统运行期间安排专人不间断看管，观测均压区压力变化及气体管控，实现了对一些灾害的预测预警，降低了灾害发生的风险，同时对预警的有效性和实时性提出了严格的要求。由于乌东煤矿具有完善的通信系统，井下工作人员通过与地面工作人员取得联系实现对灾害的提前预警及时采取应对措施，进行安全预警，均压通风监测预警系统流程如图7所示。

图7 均压通风监测预警系统流程

通过对急倾斜特厚煤层均压通风监测预警系统的研究，在+600水平45#煤层东翼综采工作面进行了布置，得到了很好的应用。通过实践，实现了对上部采空区气压变化和工作面有害气体的实时监测，防止有害气体对工作面内工人造成伤害，并且完善了均压通风系统的调节方式，给矿井的安全生产提供了方便。

2.4 均压系统的使用规定及相应安全技术措施

1)在+600水平45#煤层东翼工作面建立均压通风系统，均压风机为2×55kW对旋局扇，负责对均压系统压力和风量变化情况进行监测，同时做好均压设施的维护工作。

2)通过在南北巷均压风门上安装风门开关传感器，与矿井监控系统联网，进行实时监控。

3)严禁工作人员同时打开两道均压风门以及对调节风量、风压的风窗进行调节。

4)均压风机一旦停止运行，打开南、北巷风门进行全负压通风，同时通知瓦斯检查员对工作面进行检查，确认气体正常后方可正常作业。

5)每天对均压区进回风巷道的风量、工作面的瓦斯气体进行测定，并及时调整好均压区压力(一般要求南北巷压力差20～30Pa)，并做好调节、测定记录。

6)每天对压差计及其软管进行检查，确保正常；每天对进风侧和回风侧的均压风门进行保养性维护，保证风门不漏风且能自动关闭。

3 均压通风效果分析及稳定性检验

实施均压通风是为了减小采空区漏风，CH4、CO浓度均有不同程度的下降，解决了漏风严重，O2供氧不足等问题，均压效果良好。在一定程度上缩减采空区内氧化带，减少采空区漏风防止上部采空区老火复燃方面起到了较好效果，保证煤矿安全高效开采。

通过对均压系统15d的连续观测，气体浓度及漏风量监测曲线如图8所示。由图8可以看出，回风隅角CH4浓度最大值不超过0.3%，基本维持在0.15%左右符合安全规程不高与1%要求；CO浓度均在在0.024‰以下，最大值为0.013‰，符合煤矿安全规定，O2浓度基本稳定在18%以上，漏风量基本保持在10m3/min以下，位于5～10m3/min之间，均压系统较为稳定。

图8 气体浓度及漏风量监测曲线

4 结 论

1)乌东煤矿采用均压通风技术成功解决了+600水平45#煤层东翼综采工作面存在漏风严重、回风隅角气体积聚、自然风压对漏风影响较大，工作面氧气浓度过低问题，同时对采空区防灭火工作的开展也起到积极的作用。

2)均压通风措施为在南、北巷各设置2道均压风门，风门闭锁可靠，实现自动关闭，均压风机运转时，通过调节风窗锁口面积，提高均压区回风侧压力或降低进风侧风流压力来实现调整均压区压力的目的。根据实测数据，乌东煤矿45#煤层均压区(进回风)水柱计压力差基本控制在20～30Pa，煤门水柱计压力差保持在10～20Pa，漏风量在5～10m3/min，即可保持均压区压力稳定，工作面气体指标正常。

3)通过对采取均压通风后15d内进行效果检验，对回风隅角各气体进行现场实测，各气体指标均符合煤矿安全规定，均压系统较为稳定，保证了+575水平45#东翼工作面的安全回采。