自动调压技术在综放工作面瓦斯治理中的应用

张瑞江，翟 伟，周 宁

(1.开滦(集团)有限责任公司 煤业分公司通风部，河北 唐山 063000；2.华北理工大学，河北 唐山 063000)

煤炭是我国工业生产中的主要能源，预计2050年，煤炭能源将占比50%左右，所以煤矿开采的瓦斯安全防控问题不容忽视[1]。在国内外有很多学者对防控矿山瓦斯爆炸提供了治理方法。成辰欣，苏志刚等学者结合国内外工作面瓦斯治理经验，最终形成“U”型通风方式、横川预埋管路抽排采空区和上隅角瓦斯的抽采方式[2]；马强，马钱钱等学者对顶板走向低位抽采巷抽采机理进行分析，给出了低位抽采巷设计原则，确定了王坡煤矿低位抽采巷布置层位[3]；石增柱等采用了增加工作面风量、在工作面迎头施工瓦斯钻孔泄放、提高掘进工艺等综合瓦斯治理措施[4]；付向明结合矿井实际情况，采用优化高位钻孔参数及钻孔施工顺序、改变套管直径等措施，达到有效治理工作面瓦斯的目的[5]。开滦集团唐山矿井深巷远，系统复杂，采空区与采空区相连通[6]，采空区瓦斯涌出受大气压力影响的问题较为突出[7]，矿井安全与外界大气压关联很大，当大气压力突然降低时，采空区瓦斯就会大量涌出，对矿井安全生产造成一定影响[8]。为合理控制工作面采空区瓦斯涌出量，减少采空区瓦斯对工作面涌出的可能性，唐山矿在Y484综放工作面进行了自动调压治理瓦斯的研究与探索，取得了一定效果。

1 矿井概况

唐山矿为高瓦斯矿井，2015年度矿井瓦斯等级鉴定绝对瓦斯涌出量为53.75m3/min，相对瓦斯涌出量为7.03m3/t[9]。现在主要开采矿井为5煤层、8煤层、9煤层，其瓦斯涌出量分别占矿井瓦斯涌出量的13.43%、34.25%、42.44%。其中Y484工作面为唐山矿岳胥区14水平工作面，东部为8241大巷、Y480运料边眼，南部为Y485采空区，西部为III下-7断层保护煤柱，北部为T1493采空区，上方为T1452、T1453采空区。工作面走向长度799m，倾斜长度153m，煤层倾角平均21°，煤层厚度平均11.5m[10]。工作面有效风量20.53m3/s，工作面瓦斯涌出量8.85～12.42m3/min，当地面大气压力急剧下降时，工作面瓦斯涌出量最大可达33.02m3/min。

Y484工作面通风系统：新风→9280→Y484风道外段→新170m带式输送机→Y484溜子道→Y484切眼→Y484风道→Y484架子道→Y485运料巷→9041回风巷→0044里下段→504→二号回风井。如图1所示。

图1 Y484工作面通风系统

2 工作面通风基本参数测试与分析

2.1 工作面瓦斯异常涌出原因分析

为保持平衡状态，Y484采空区内的压力与巷道内的通风压力需要达到数值相持的状态。当外界大气压降低时，井下巷道的通风静压也随之下降，此时采空区内的压力高于通风静压而导致瓦斯大量涌出；如若保持采空区中瓦斯处于未涌出的状态，使其处于安全期，则外界大气压力不能处于降低状态，巷道内的通风压力要处于高于采空区内的压力的状态；只有当大气压力变化平缓，巷道内的通风压力与采空区内压力相对平衡，瓦斯均匀涌出时，整个井下巷道通风状态才是安全的[11]。从Y484工作面瓦斯涌出情况看，瓦斯大量涌出多发生在大气压力下降较为明显的时期[12]。

2.2 工作面通风网络

为了更好地对Y484井下矿井通风抽象的结构进行描述，采用能够简化多节点与多巷道，甚至还能简化未经过构图处理的通风网络图，这有利于实际问题的解决分析，Y484工作面通风网络如图2所示。

图2 Y484工作面通风网络

2.3 通风阻力测定

利用风表、秒表、皮尺、干湿温度计、矿井通风参数仪，现场测量静压、风速、干湿温度以及巷道断面面积，对测量数据进行分析整理，得出工作面通风参数基础数据，见表1。

根据表1中唐山矿矿井通风阻力测定结果，矿井进风段、采区用风段、矿井回风段通风阻力比例为4∶2∶4；通过Y484工作面通风系统及阻力测定结果进行分析，该采区进风阻力高达723.44Pa，工作面通风阻力为853.59Pa，采区回风阻力为195.68Pa，采区进风段、用风段、回风段通风阻力比例为4∶5∶1；因此，Y484工作面进风阻力、Y484工作面通风阻力、Y484工作面回风阻力比例约为5∶1∶4。Y484工作面进风阻力过大，容易造成工作面采空区瓦斯向外涌出，导致工作面回风瓦斯浓度增大。

2.4 通风系统模拟解算

利用计算机通风网络模拟软件，对Y484工作面未来的通风系统进行模拟计算，结果见表2。

表1 Y484工作面通风参数基础数据

表2 Y484工作面通风现状模拟数据

2.5 大气压力与工作面瓦斯涌出的关系

图3 大气压力与瓦斯浓度关系

2015年12月1日，Y484工作面因地面大气压力降低造成工作面回风瓦斯升高现象，如图3所示。根据图3可知，经过15h后，大气压强从103300Pa下降至102790Pa，平均下降速率40.7Pa/h，其中从11时至14时这一阶段，大气压强下降速率最大，达到100Pa/h的平均速率。从0时至11时期间，瓦斯浓度波动平稳，大约在0.3%上下波动，之后的四个小时内，瓦斯浓度明显出现上升趋势，以每小时0.11%缓慢上升，直到15h以后大气压达到最大值，瓦斯浓度呈现下降趋势，直到下降到与外界大气压相持平的状态，此时瓦斯浓度保持稳定水平。

Y484工作面三面环绕采空区，随着回采工作的进行，采空区越来越大，瓦斯涌出受大气压力影响较为明显。当地面大气压力缓慢下降(下降速率不超过60Pa/h)时，工作面瓦斯涌出变化较小；当地面大气压力连续下降超过3h且降幅超过80Pa/h时，工作面瓦斯涌出量逐步增大，导致工作面回风瓦斯浓度逐步升高[13]。

3 均压方案设计

3.1 方案思路及调压风门安设位置

通过大气压力对工作面瓦斯影响分析，只要抵消地面大气压力下降速率，就可消除大气压力降低时对工作面瓦斯涌出的影响。结合井下生产实际情况，确定在0044里下段(采区总回风巷)安装调压风门，该地点既不影响生产、运输、行人，又能实现提高Y484工作面通风压力[14]。

3.2 调压结果预测

安设调压风门后，在调压过程中需保证Y484工作面有效风量不低于16m3/s，在此基础上利用计算机进行通风网络模拟计算，结果见表3。

表3 自动调压系统使用效果模拟分析

考虑Y484工作面实际瓦斯治理需要，根据计算机模拟计算结果，调压风门分为6档进行控制，当大气压力降低时，逐档关闭调压风门，逐步提高Y484工作面通风压力，抑制大气压力降低对工作面影响，减小工作面瓦斯涌出，实现工作面安全生产。

3.3 调压风门设计

在0044里下段安装铁制调压风门，预留调节口，通过风门运行实现调节断面的变化，达到提高工作面通风压力的目的。该调压风门可通过自动控制、远程控制、人工控制进行调节。风门安装形式如图4所示。

3.4 调压风门控制原理

当工作面瓦斯浓度超过0.5%、大气压力下降速率达到55Pa/h或Y484工作面瓦斯增长速率为0.06%/h时，可能发生采空区瓦斯异常涌出。监控设备会将控制信号通过监控分站传输至PLC，PLC接受信号后对继电器执行动作，从而启动电动推杆旋转，缩小调节风门窗口面积，使得风门面积缩小，分档控制风门来提升工作面回风压力，抑制采空区瓦斯异常涌出[15]。

图4 调压风门设计

调压风门控制原理如图5所示。瓦斯传感器监测工作面回风巷与采区回风巷的瓦斯浓度，作为风门是否启动的依据；压差传感器监测风门两侧的分压，判断风门是否动作；位置传感器监测风门的移动状态；风门设置手动控制装置，设置限位开关，提升设备的可靠性。

图5 调压风门控制原理

4 实施效果

0044里下段安装调压风门后，对调压风门使用效果进行了现场测试，测试结果见表4。

通过表4可以看出，在地面大气压力降低时，实施Y484工作面调压后，Y484工作面压力逐步提升，工作面有效风量逐步降低，回风瓦斯明显下降。

5 结 论

1)综放工作面的瓦斯治理，必须对工作面瓦斯涌出来源进行详细的分析，查找瓦斯异常涌出原因，采取有针对性的综合措施。通过对现场数据与系统测算结果分析得出，Y484工作面进风阻力过大，容易造成工作面采空区瓦斯向外涌出，导致工作面回风瓦斯浓度增大。

2)当工作面采空区面积较大时，大气压力的变化对采空区瓦斯涌出的影响较大，气压变化速率越大，对采空区瓦斯涌出影响越大。

3)综合考虑矿井工作面复杂情况，在0044里下段确定调压风门位置，进行调整采区系统通风压力，可有效控制采空区瓦斯涌出状态。