西铭矿通风系统与瓦斯治理的历史沿革和展望

赵文曙

(西山煤电股份有限公司 西铭矿， 山西 太原 030052)

矿井通风与瓦斯治理是一项极其复杂的综合性、系统性工程，涉及到各方面的具体工作。矿井通风系统设计是矿井总体设计的一个重要组成部分，它的基本任务是结合矿井开拓、开采设计，建立一个安全可靠、经济合理、便于管理的通风系统，并在此基础上计算各用风地点所需风量、总风量和总风压，以利于选择矿井通风设备，通风系统选取的合理性关系到瓦斯治理的难易程度。本文以西铭矿历史发展为轴线，阐明矿井通风与瓦斯治理之间的相互关系。

1 矿井系统现况

西铭矿通风系统设计，兼顾了矿井中长期阶段的通风要求，当前矿井采用“七进三回”机械抽出式通风方法，分区混合式通风方式，具有完整独立的通风系统。矿井目前总进风量36 297 m3/min,总回风量36 623 m3/min，有效风量34 664 m3/min，有效风量率95.50%.

2 通风系统和瓦斯治理的衍变

2.1 早期阶段

西铭矿成立于1956年，初期的采煤方法有刀柱式、房柱式、巷柱式，采用爆破方式落煤，工作面较短、工艺简单，出煤方式比较原始。采空区顶板利用回采工作面采场周边或两侧的煤柱支撑，采后不随工作面推进及时处理采空区，造成大量的采场空洞，形成瓦斯库，且生产时通风系统多采用串联通风系统，管理复杂，常造成瓦斯积聚隐患。

建矿初期至1998年，由于采煤面多数为走向不超过1 000 m的储量较小的工作面，采煤面瓦斯涌出量在8 m3/min以下，矿井采煤面通风系统采用纯“U”型系统，未采用任何的瓦斯抽采措施和手段，单纯依靠风排即可解决瓦斯隐患。矿井的绝对瓦斯涌出量多年保持在20～50 m3/min，瓦斯隐患对矿井的威胁程度不太突显。掘进面瓦斯涌出量在0.3 m3/min以下，巷道开拓掘进期间，采用28 kW局部通风机即可保证掘进头面能够安全掘进。

2.2 中期阶段

1999—2012年，随着采掘部署接替，工作面向西四采区、南二采区、小南四采区、南四采区延展，矿井瓦斯涌出量也呈现出跳跃式增长，矿井绝对瓦斯涌出量也增加至60～85 m3/min，单纯依靠纯“U”型通风系统难以解决瓦斯问题，各类瓦斯安全隐患逐年增加，突出表现在：上隅角瓦斯时常出现超限积聚，检测采空区内局部区域瓦斯浓度甚至出现“白板”现象，回风流中瓦斯浓度也增加至0.50%～1.0%. 矿井通风系统也变得更为复杂化、网络化，部分下层煤工作面利用上层煤的采空区、空巷进行不合理通风，瓦斯不仅没有得到治理，反而给煤层自然发火造成了隐患。北三采区下组煤9#煤开采时，曾发生49309采空区自然发火封闭工作面支架、设备事故，49308采煤面后部遗煤自燃产生一氧化碳威胁采煤面安全生产事故。

矿井于2006年建立冀家沟地面高负压瓦斯抽采泵站，2012年建立低负压瓦斯抽采泵站，通过瓦斯抽采缓解了风排瓦斯压力。高负压抽采系统安装3台2BEC72-1BG3型水环式真空泵，电机功率560 kW，最大吸气量450 m3/min，其中1台运行，2台备用；低浓度抽采系统安装2台2BEC-100型水环式真空泵，电机功率1 120 kW，最大吸气量1 000 m3/min，其中1台运行，1台备用；在南四盘区、西十二采区各建有1座移动抽采泵站，均安设有2台2BEC-52型移动抽采泵，电机功率315 kW，最大吸气量260 m3/min，1台运行，1台备用。

2004年，开采南四采区时，为彻底治理上隅角瓦斯，通风系统由单纯的“U”型系统升级为“U+L”型系统。通过增加一条瓦斯治理巷、开掘采空区排瓦斯横贯方式治理上隅角瓦斯，见图1，在南四采区48707工作面开采期间，“U+L”系统首次应用，瓦斯治理取得了一定的效果，同时发现还存在一些问题，主要是：横贯间距严重影响上隅角瓦斯治理效果，横贯间距控制在120 m以内效果较好，超过120 m后，由于采空区跨塌冒落密实，后部横贯回风不畅，仍会造成上隅角瓦斯出现超限隐患。通过实践应用得出，最理想效果是控制在50～80 m，不易过宽。但仔细分析就会发现，“U+L”型系统同样存在采空区通风问题，瓦斯治理可能取得较好的效果，但煤层自然发火隐患同样存在。

图1 回风巷埋管抽采采空区瓦斯示意图

48707工作面在开采过程中遇到横贯间距超过130 m，上隅角瓦斯仍时常出现超限现象。2005年初，西铭矿在南四采区建立了一座移动抽采泵站，采用200 mm铁管作为抽采管路，上隅角瓦斯经埋管抽采，经移动抽采泵排至南四采区回风巷内，通过采用移动抽采泵，上隅角瓦斯治理得到了抑制，短时期内瓦斯降到了1.20%以下安全值。

2006年，西铭矿在小南四采区开始对下组煤8#煤层进行本煤层钻孔施工并进行预抽，同时设计了底抽钻场对下邻近层9#煤层进行预抽，并通过底抽钻场巷道对采空区进行抽采。同时，又在回风侧巷道施工顶板裂隙带钻场，布置穿层钻孔对裂隙高位区域进行抽采，采用多打孔、打深孔、全方位、立体化模式，瓦斯治理取得了较好的效果，采场空间的风排瓦斯量降至工作面瓦斯涌出总量的40%以下，见图2，图3.

图3 顶板穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯示意图

2010年以前，西铭矿瓦斯抽采方法比较单一，只采用本煤层抽采和裂隙带抽采技术，存在抽采率低、上隅角和回风流瓦斯治理不彻底的问题。为从根本上解决瓦斯问题，西铭矿在南二采区48205采煤面试验掘送了西山矿区第一条高抽巷，该高抽巷布置在8#煤层上覆顶板炭质页岩层中，距8#煤层顶板垂高38 m，内错平行于距皮带顺槽27 m(水平投影)，巷道全长565 m，采用DN630 mm抽采管路接入高瓦斯抽采系统。2010年11月11日开始试采，当工作面推进至34 m时，采空区顶板垮落冒落严实，抽采纯量迅速提升至35 m3/min，上隅角瓦斯量迅速降低至0.82%以下。之后，抽采纯量趋于稳定状态，平均达到35 m3/min，最高可达到45 m3/min，上隅角瓦斯浓度降至0.50%以下，配风量也由初采初放期间的3 500 m3/min 降低至2 598 m3/min，工作面回采至后半段时配风量降低至1 900 m3/min左右。

高抽巷的优点是抽采量大，抽采效果好，缺点是全部为岩石巷道，掘进送道工期长、施工难度大，费用高。部分矿区会因地质条件和受上部采空区影响不便于掘送高抽巷。

2013年前后，西铭矿为治理邻近层9#煤层瓦斯对8#煤层开采期间的影响，在南二采区48201采煤面掘送一条长达600 m的底抽巷，巷道全部采用架棚支护，施工9#煤层本煤层顺层钻孔，孔间距5 m，孔深205 m，孔径113 mm，并提前进行了不少于6个月的预抽采。但在48201采煤面初采初放后，受基本顶初次来压和顶板周期来压影响，在工作面推进不足30 m时，底抽巷出现明显的采动影响，棚梁、棚腿严重弯折，支护维护工程量加大，抽采管路、抽采钻孔维护量也加大，孔口密封段受压造成漏气泄压。随着采煤面向前推进328 m左右时，底抽巷受煤层采动影响巷道形变收缩、棚梁支护破坏范围波及整条巷道，原巷道断面由9 m2缩小至不足2 m2，人员已不能再安全进入，邻近层瓦斯抽采提前宣告结束。实践证明，由于地质条件限制，底抽巷不适用于近距离煤层群，不能保证预抽期和边采边抽，并且巷道支护是个明显的难题。

2.3 现阶段

西铭矿2018年瓦斯绝对涌出量105.92 m3/min，瓦斯相对涌出量为18.62 m3/t. 随着盘区布置向深部发展，预计瓦斯涌出量会越来越大，预估算，在未来10年内，矿井瓦斯绝对涌出量将会突破160～180 m3/min.

根据国家煤矿瓦斯治理要求，通风系统变更为纯“U”型或“Y”型系统。瓦斯管理难度明显增加，采煤面难治理，掘进面同样也面临着瓦斯治理问题。

采煤面回采期间瓦斯难治理，主要分为几个特殊阶段：1) 工作面初采初放期间，瓦斯绝对涌出量相对来说是最高的，如北七采区48709、48707、48705、48710等工作面。2) 遇向斜或背斜构造，尤其是较大的向斜或背斜轴部，瓦斯异常涌出较为明显，如西十二采区42209工作面前半部包裹落差较大的向斜轴部，在开采该段期间，最大瓦斯绝对涌出量达到26 m3/min，过向斜后，日常绝对瓦斯涌出量仅为7 m3/min左右，采用上隅角埋管抽采、裂隙带抽采就可解决瓦斯问题，回风流瓦斯控制在0.22%以下，上隅角瓦斯控制在0.39%以下，未出现瓦斯超限或积聚影响。3) 工作面推进即将揭露陷落柱、断层带等地质构造时，一般在遇构造前5～35 m，瓦斯呈现出马鞍形规律增长，初期增长较快，中期稳定一段时期，后期呈现衰减趋势，直至揭露构造为止，而在真正过构造期间，瓦斯涌出量反而趋于正常值，过构造后又呈现出前阶段的规律，但瓦斯涌出变化幅度相比前一阶段小很多，见图4.

图4 过构造期间瓦斯涌出量变化曲线图

掘进期间，尤其是开采西部扩区下山开拓区域，瓦斯涌出量也逐渐增加。因此，西铭矿采取了掘进面瓦斯抽采措施，抽采钻孔布置见图5，钻孔参数见表1.

图5 掘进面抽采钻孔布置示意图

根据《西铭矿煤层瓦斯基本参数测定报告》，该矿各煤层钻孔瓦斯流量衰减系数均大于0.05 d-1，煤层透气性系数在1.5～8.3 m2/MPa2·d，根据开采层预抽瓦斯难易程度分类表(表2)可知，各煤层均属可以抽采到较难抽采类型，通过采取一些强化抽采措施，开采层瓦斯抽采还是可行的，见图6.

表2 开采层预抽瓦斯难易程度分类表

1—抽放瓦斯管 2—注浆管 3—砂(泥浆)充填物 4—观测管 5—密闭墙图6 密闭采空区插管抽采示意图

在引进澳大利亚威利郞沃长米定向钻机后，西铭矿不再掘送高抽巷，通过采用定向钻机施工顶板高位裂隙孔代替高抽巷，取得了较好的瓦斯治理效果。

3 展 望

1) 矿井主要通风机房实现无人值守，设备全部实现在线监测和故障诊断，使用最低的耗电量保证安全、合理的需风量，将风量在线监测融入监控系统，促进节能减排，推进故障诊断技术智能化，最终实现不停风机倒机。

2) 推进主要通风机、局部通风机的风量调节控制智能化发展，使通风机运行在工况点合理、低功耗、高效能区段，最终实现节能降耗目的，尤其是多风井并列运行的矿井，借助网络技术将通风机在线监测关键技术融入智能化控制系统中，实现全矿井通风机安全高效运行。

3) 利用好通风系统网络解算软件，建立稳定可靠的通风系统。保证系统正常生产时期能够满足安全生产需要，灾变时期能够保证主要通风机正常运转、通风设施灵活、风流快速调控可靠，进一步使通风网络管理向现代化、科学化、精确化方向发展。

4) 将工业4.0智能制造技术引入通风设备制造中，提高设备的精加工水平，改善通风设备质量，最大限度地降低能耗，提高设备效率，通过技术攻关，解决通风机与通风网络匹配问题，实现通风机个性化定制，提高通风设备的自动化、信息化水平，让人工智能技术应用在通风管理工作中。

5) 加强通风灾变系统研究，得出通风系统稳定性与矿井灾害之间的耦合关系。研制发明可靠性高、自动化程度高、能实现远程操控的风流调控设施，研究通风智能化分析决策技术，及时掌握灾变信息，实现快速决策能力，为应急救援提供技术保障。

6) 采用千米钻机实现长钻孔定向钻进，对上、下邻近层瓦斯进行提前预抽采。对未开拓的区域，采用从地面施工长距离的穿层“L”型或“U”型大直径钻孔，采用多打分支的方法进行地面直接抽采，预抽采时间保证在5年以上。

4 结 语

通过上述通风系统和瓦斯治理方法的研究分析，期望能够在通风系统改造、瓦斯治理方法创新方面实现大提升、大转变，真正实现本质安全型通风系统、本质安全型瓦斯治理矿井。