浅埋藏煤层火区下开采均压防灭火技术研究

郑忠亚，桑 聪，姚海飞，吴海军，徐长富，刘彦青

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

中煤集团山西华昱能源有限公司元宝湾矿设计生产能力0.9Mt/a，主要可采煤层3号、4号、6号、9号、11号。其中大部分3号和4号煤层被以房柱(或巷采)方式进行破坏性开采，形成大量老空区。4号煤层埋深约140～145m，6号煤层埋深约167～171m。井田东南部的4号煤层406采区出现火区，面积约25480m2。2014年矿方曾对火区进行探测和治理，钻孔内温度最高达1040℃，CO浓度最高达4570×10-6。2017年，再次对火区进行监测和治理，通过对施工的70个见采空区钻孔进行观测，钻孔最高温度516℃，温度大于50℃的钻孔共有58个。由于4号煤层小窑采空区及废弃巷道相互串通，煤自燃产生的CO等有毒有害气体大量扩散，威胁矿井工作面生产。

元宝湾煤矿正在生产工作面为6号煤层6105综采面，工作面倾斜长度932m，回采长度876m，走向宽度240m，煤层倾角平均4°，煤层厚度平均3.5m，工作面采用综合机械化回采工艺，采用“U”型抽出式负压通风方式。6105工作面切眼与406火区水平距离约100m，6号与4号煤层层间距较小，且4号小窑采空区顶板存在大面积悬顶。回采过程中，随着6号煤顶板垮落，冒落的采空区会与4号煤老空区相联通，且4号煤层顶板宜出现垮落现象，则4号煤层采空区大量有毒、有害气体将向工作面内溢出、渗漏，危及工作面人员人身安全。基于此，元宝湾煤矿对6105工作面采取风机-风窗联合均压防灭火技术[1-2]，防治顶板垮落过程中采空区有毒有害气体涌出以及本煤层采空区因漏风发生自燃现象。

1 均压防灭火技术措施

1.1 技术必要性

均压防灭火技术是应用通风原理，采用局部风机向工作面供风，既保持风量满足工作面生产需求，又能够使工作面气体压力达到与采空区、火区不发生空气交换，以减少采空区漏风，抑制遗煤自燃，防止CO等有毒有害气体涌入工作面的目的[3-5]，从而保证工作面正常生产的进行，是火区附近的生产工作面和火区下部煤层的工作面能够实现连续安全生产的一种行之有效的防灭火技术方法[6-7]。

1.2 实施措施

6105综采面均压防灭火技术措施实质上为风窗-风机联合增压调节，风机安装在风窗的上风侧，使两调压装置中间的风路上的风流的压能增加[8-9]。具体实施方法为：在6105运输巷进风联巷口向里15m与25m处各施工1道密闭墙，各设1道1600mm×2500mm的平衡风门作为行人安全出口；密闭上留2个直径为1000mm的洞口，安装铁质风筒；在6105运输巷进风联巷口安装2组4台2×45kW局部通风机(两用两备)；在6105回风联巷口中间处施工1道密闭墙，墙体安设调节2000mm×2000mm风窗。如图1所示。

2 均压防灭火技术参数测定

2.1 工作面平衡均压值测定

均压防灭火技术受自然风压、气候环境影响较大，要维持工作面与地表压差的平衡十分困难[10]。6105工作面上层为4号煤层大面积小窑采空区，且矿区位于山区，自然环境多变，因此，6105工作面维持与地表平衡的增加参数不是一个恒定的值。

6105综采面增压值即工作面上方地表至工作面的压差，因元宝湾煤矿位于朔州市山阴县马营乡山区，工作面上方为采煤塌陷区，无法进行实测。因此，该增压值可理解为工作面额定供风量时副井井口到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力，即副井井口与6105工作面回风巷风门内侧绝对压力、位压、动能损失以及气压波动差值之和。工作面通风线路为：副井→进风大巷→6号煤辅助运输大巷→6105运输巷→6105切眼→6105回风巷→6105回风联巷→6号煤回风大巷→6号煤回风下山→集中回风巷→回风井。通风阻力计算公式[11-12]如式(1)所示，空气密度[13]计算公式如式(2)所示。

(1)

式中，hr1-2为测段间的压差或阻力，Pa；P1，P2为气压计读数，Pa；h1，h2为巷道始末点的标高，m；ρ1，ρ2为井巷测段始末点的空气密度，kg/m3；Δp为地面大气压变化值，Pa；V1，V2为井巷测段始末点的风速，m/s。

(2)

式中，ρw为湿空气密度，kg/m3；φ为空气相对湿度，%；Pb为饱和水蒸汽压力，kPa；P为绝对压力，Pa；T为温度，℃。

6105综采面均压参数测定共进行2次，第一次为2017年5月5日下午15时～18时；第二次为2017年5月5日23时～5月6日2时。参数如表1所示。

工作面当前风量为1400m3/min时，副井井口到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力P1分别为226Pa和223Pa。

但是，若启动均压防灭火系统，调节风窗添加木板减小有效通风面积进行增压的同时，会导致风流损失，风量减小。采煤工作面设计风量为1200m3/min。因此，需要对工作面的额定供风量1200m3/min时副井井口到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力进行计算分析。

表1 6105工作面均压参数记录

工作面当前风量为1400 m3/min时，6105进风风门内侧到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力P2分别为130.68Pa和160.71Pa。

矿井通风学中，通风阻力与风量(m3/s)的平方成正比关系[14]，如式(3)所示。

H=RQ2

(3)

式中，H为通风阻力，Pa；R为摩擦风阻，N·S2/m8；Q为风量，m3/s。

由式(3)可以计算出6105工作面风量为1200m3/min时，进风风门内侧到工作面回风巷风门内侧的通风阻力P3分别为106.61Pa和131.20Pa。则6105工作面风量为1200m3/min时，副井井口到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力[15]P=P1-P2+P3，分别为202Pa和194Pa，即为6105工作面平衡均压参数。

2.2 调节风窗增压参数测定

为分析调节风窗有效通风面积与工作面增压参数的关系，便于在生产过程中及时调整工作面压力，维持与采空区压力的平衡，达到防治采空区CO有毒有害气体涌出和回风隅角低氧的目的，对6105工作面增压参数进行测定。

在进行均压通风试验时，在6105工作面布置了1个风量测点(Q)和4个压力测点(P1～P4)(见图1)。风量测点布置在辅运巷(回风巷)回风联巷上风侧400m巷道断面平整处，用于测试工作面风量。压力测点分别布置在6105回风巷风门前(P1)、6105回风巷风门后(P2)、6105回风联巷调节前(P3)、6105回风联巷调节后(P4)。其中P1测点作为均压通风压力测试基点，可以反应地面大气波动，用于消除地面大气影响；P2测点均压前后绝对压力的上升值消除地面大气波动后可看作工作面均压数值；P3和P4测点的压差为调节风窗两端的压差，是均压效果最直接的表现，压差越大，工作面增阻均压效果越显著[16-18]。

调节风窗宽1.95m，高1.5m，增阻调节木板宽度1.95m，高0.2m；在实施均压通风前，以P1测点为基点，记录基础压差数据，对工作面当前的风量、风压进行测试并记录；然后开启均压风机，进而关闭6105进风绕道风门，待风流稳定后对工作面风量、风压进行测试；随后在6105回风联巷调节风窗处添加木板，待风流稳定后，再进行风量、风压测试，直至达到预期的均压效果。通过数据记录及计算分析，均压参数如表2所示，风窗有效通风面积、风量与工作面增压值关系曲线如图2所示。

由表2可以看出，随着调节风窗板累计高度的增加，工作面增压效果明显，当调节板增加到1.0～1.2m高度时，工作面增压152～307Pa，满足均压防灭火的要求。由图2可以看出，随着调节风窗有效通风面积减少，工作面增压数值增大，工作面风量减小。工作面增压值与风量的关系曲线为：y= 0.0006x2-1.7423x+1276；工作面增压值与调节风窗有效通风面积曲线为：y=184.09x2-663.08x+629.8。由关系曲线可以分析出，当工作面增压至采空区平衡压力值时，工作面风量小于设计风量1200m3/min；究其原因在于6104运输巷与6105运输巷联巷交界处存在溜煤眼，漏风较大，且与均压风机距离较近，在实施均压通风时，漏风泄压效果较为明显。但当工作面处于生产时，溜煤眼处于封堵状态，漏风较小，有助于提高工作面增压效果。

表2 6105工作面均压参数

图2 调节风窗有效通风面积、风量与工作面增压值关系曲线

3 工作面均压防灭火实施效果

3.1 工作面增压效果分析

2017年5月6日凌晨，6105工作面距离回风隅角10～30m区域范围内，O2浓度低至17.7%，CO浓度0～1×10-5；2017年5月6日上午，开启均压防灭火系统，调节风窗累计加板高度约1.0m，有效通风面积约0.975m2。下井对6105工作面均压参数进行检测，参数如表3所示。

表3 6105工作面均压效果测定记录

由表3数据可计算出均压风机开启后，当前供风量时副井井口到6105工作面回风巷风门内侧的通风阻力为0Pa；表明地表至6105工作面的通风阻力为0，处于平衡状态。均压系统开启后，工作面全部区域范围内O2浓度迅速恢复至20%以上，CO浓度为0，证明均压系统起到了较好的效果。

3.2 工作面有毒有害气体监测

元宝湾煤矿针对6105工作面回风隅角气体浓度进行日常监测，自2017年5月5日至8月15日的人工检测结果显示，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3和图4所示。

图3 6105工作面回风隅角O2浓度分布曲线

图4 6105工作面回风隅角CO2浓度分布曲线

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O2浓度迅速上升，恢复正常，上覆4号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4号煤层采空区顶板冒落，对工作面造成冲击，短时间加大6号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。

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，即尝试停止运行位于6105进风联巷的局部通风机，工作面由均压通风改为U型负压通风方式，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%。后召开紧急会议，重新开启6105工作面的局部通风机，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%。

通过2017年5月5日至8月15日气体观测结果，说明6105工作面均压防灭火系统实施以来，有效地防止了上覆4号煤层房柱式采空区CO等有毒有害气体的涌出，杜绝了工作面来自上覆4号煤层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方面的有效性。

4 结 论

(1)风机-风窗联合均压防灭火技术用于解决火区下浅埋深煤层开采采空区CO有毒有害气体的涌出和工作面低氧问题效果十分明显。

(2)工作面至采空区压力平衡所需的增压值不是恒定的，其受自然环境影响较大；元宝湾煤矿6105工作面平衡均压参数约194～202Pa。

(3)调节风窗有效通风面积、工作面风量与工作面增压值关系均符合二次方曲线特征，即：y=ax2-bx+c(y为工作面增压值，x为调节风窗有效通风面积或工作面风量，a、b、c均为正值)。

(4)元宝湾煤矿6105工作面均压防灭火系统启动后，在1220m3/min时，地表至6105工作面的通风阻力降为0Pa，处于平衡状态，回风隅角CH4，CO气体浓度均为0，O2和CO2气体均维持在安全浓度范围之内，有效地解决了工作面低氧和有毒有害气体涌出问题。

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