深部矿井通风系统优化提高火灾防治应用研究

翟继云 张晓龙

（1.滕州市级翔（集团）级索煤矿，山东 滕州 277500；2.青岛第一市政工程有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

煤自燃作为矿井火灾的主要形式，对井下煤层的开采工作产生了巨大的影响。在矿井开采的过程中，不合理的通风系统会增大煤自燃的危险性。现阶段煤自燃的防治技术主要有灌浆［1-2］、喷淋阻化剂［3］、注入惰气［4］、封堵漏风［5］、注入凝胶［6］和三相泡沫［7］、均压等防灭火技术。通风方式会对工作面的漏风情况造成不同程度的影响，而漏风强度的大小是影响煤自燃的重要因素之一。深部矿井的环境高温导致了需要增大通风量来降低工作面的温度，通风量的增大导致了煤自燃的危险性增大。采用合理的通风方式可以降低煤自燃的危险性。基于此，大量学者通过研究通风方式来采取针对性的措施进行煤自燃的防治。赵建［8］采用ANSYS软件对不同的漏风形式进行了模拟分析，得到了U形、Y形及W形通风方式对煤自燃的影响性差异；梁军等［9］通过仿真模拟的方法对矿井的通风系统进行设计，现场应用结果表明能够实现井下风流的模拟和异常报警。目前，优化通风方式的方法在煤自燃的防治中取得了一定的效果，但在某些矿井中通风系统紊乱，通风方式不合理等造成了煤自燃的危险性增大。为了有针对性地控制采空区的漏风，本研究对东滩煤矿63上03综采工作面的漏风进行测定，得到工作面区段漏风情况，并采取风机—风窗调压的方式控制采空区漏风量，保证该综采工作面的安全生产，结果表明通过漏风降低煤自燃的危险性对矿井火灾防治具有重要意义。

1 煤自燃的影响因素

1.1 煤层自然发火因素分析

煤自燃不仅会影响矿井的安全生产，在煤自燃的过程中会产生大量的有毒气体，对工作人员的生命健康造成威胁，燃烧产生的高温也会对周围的地质环境产生一定的影响，导致地质构造不稳，甚至可能带来一系列的次生灾害，例如瓦斯爆炸、粉尘爆炸等。煤自燃是指煤与氧气发生煤氧复合作用等过程中释放出热量，在产热大于散热的情况下，热量的不断积蓄导致温度不断升高，当温度达到煤的着火点后，发生燃烧现象。

现阶段煤层的开采向深部煤层发展，与浅煤层相比，涌水量和环境温度较高。首先，长时间的水浸作用会导致煤岩和裂隙发育，增大采空区的漏风强度，为煤自燃提供了充足的氧气；其次，环境温度的升高，导致煤岩的温差减小，煤自燃的危险性增大；再次，由于环境温度的升高，为保证工作面的正常回采，需要增大供风量来降低环境温度，在供风量增大的过程中，采空区的漏风强度也相应增大，增加了煤自燃的危险性。为了实现矿井的正常开采，保障工作人员的安全，需要采取相应的措施来控制采空区的漏风和防灭火措施。

东滩煤矿采用无煤柱开采方式，形成的大面积采空区易形成多源多汇的漏风通道，且工作面推进速度慢，导致自燃现象严重。工作面开采形成的大面积采空区，漏风管理难度较大，煤自燃防治困难。随着相邻工作面的推采，与相邻工作面开采完成后所形成的采空区形成复合采空区，导致煤自燃的防治更加困难。

1.2 通风系统对煤自燃的影响

煤矿井下通风系统既是保证井下生产工作顺利开展的重要前提，同时也是影响煤矿火灾能否发生起着重要因素。采空区煤自燃需要的供氧量，大部分来源于工作面向采空区的漏风，若没有充足的氧气含量，内因火灾难以发生，因此，控制工作面漏风量可以有效防止煤自燃。

通风条件对于煤炭自燃火灾的影响，主要表现在易发生自燃火灾地点的漏风供氧情况。因此，漏风量的大小是衡量自燃火灾能否发生的重要因素之一。工作面漏风量大小也和煤矿井下工作面采用的通风方法有一定的关系。

煤矿井下发生火灾，也会对通风系统产生或多或少的影响，具体影响程度受火灾的严重程度而定。研究表明：不同的通风方式对煤自燃的影响不同，Y形、U形、W形三种通风方式中对煤自燃的影响程度逐渐减小，因此Y形通风条件下更有利于煤自燃的发生［8］。一般来说，井下发生火灾后，处于火灾下风处的工作人员，受燃烧产生的有毒有害烟气影响非常严重。在煤自燃火灾的防治中，通过均压的方式来控制漏风对采空区的防治具有重要意义。通过优化通风系统，有利于降低工作面向采空区的漏风率，从而降低煤自燃的危险性。

2 工作面漏风量测定

2.1 原理和方法

由于矿井开采过程中不存在SF6气体，并且SF6气体的灵敏度高，化学稳定性强，因此通常采用SF6气体示踪法进行漏风的测量［10］。在工作面风流的流动过程中，没有漏风通道向工作面漏风，则SF6示踪气体的浓度不变；若存在漏风通道，则SF6示踪气体的浓度会降低；基于此，本研究对东滩矿井六采区63上03工作面漏风量采用SF6示踪气体法进行测定。

首先在采区工作面进风顺槽中释放SF6气体，在轨道顺槽和运输顺槽中分别布置3个测点，并在两个巷道端头分别设置气体释放点和接收点。图1中S点代表SF6气体的释放位置，1、2、3为轨道顺槽中的漏风测点，4、5、6为运输顺槽中的漏风测点，J为运输顺槽端头的接收点。

图1 工作面漏风测定点布置图

2.2 测量结果

东滩煤矿的轨道顺槽和运输顺槽的巷道断面积分别为19.1 m2和19.3 m2，巷道中的风量测试数值为1 398 m3∕min，风速为1.22 m∕s。在对SF6气体浓度检测的过程中发现，仅在测点3和测点4之间出现降低，即两点之间存在漏风通道。各测点SF6浓度变化如图2所示。

图2 不同测点处SF6气体浓度

通过对工作面漏风的测定，在63上03综采工作面的进风巷中基本不存在漏风通道，漏风现象不明显；但在工作面区域，SF6气体的浓度出现了下降，由此表明在工作面的漏风量相对较大，可能会造成采空区煤自燃的发生，因此应该采取相应的堵漏风措施，控制漏风。在回风巷中SF6气体没有出现明显的浓度变化，表明了回风巷中基本不存在漏风现象。

3 矿井通风抗火灾能力模糊综合评价

根据通风系统的难易程度、灾变对通风系统的影响程度、防火组织管理3个方面建立12个指标评价矿井通风系统的抗灾能力。首先矿井通风系统抗火灾能力U可分为三个因素，U=（U1，U2，U3），即U1通风系统的难易程度，U2灾变的影响程度，U3防火组织管理。其次U1=（U11，U12，U13），即U11通风机运行状况，U12矿井通风阻力状况，U13矿井通风阻力分布状况；U2=（U21，U22），即U21浮力效应，U22节流效应；U3=（U31，U32，U33），即U31火灾监测体系，U32防火设施布置，U33应急救援组织）。最后，U12=（U121，U122，U123），即U121矿井通风总阻力，U122矿井通风总风阻，U123矿井等积孔；U32=（U321，U322，U323），即U321通风构筑物，U322消防设施，U323反风装置。通过对U1、U2、U3分别进行单因素评价，得到三个单因素的评价结果为B1=（0.34，0.26，0.4），B2=（1，0，0），B3=（0.6，0.4，0）。对B1、B2、B3一级综合评价后，再根据U1、U2、U3的模糊权向量，进行模糊综合评价结果为B=（0.68，0.21，0.11）。

通过模糊综合评价得出矿井通风系统抗火灾能力评分值分别为（0.68，0.21，0.11），可评定东滩矿井的抗火灾能力为较大，通风能力较稳定。结合上述漏风量的测试，应进一步采取一定的措施来优化通风系统，降低漏风率。

4 均压通风防灭火技术

4.1 均压方式

根据均压调节的原理，均压调节方案可采用开区均压和闭区均压两种方案。由于东滩矿井采用综合机械化无煤柱开采方式，其采空区空间面积大，与相邻采空区形成复合采空区，易形成多源多汇的漏风通道，采用闭区均压的方案很难达到预期效果。因此采用开区均压的方案。

63上03综采工作面是采用的U形通风方式。为了不干扰皮带运输机的运输工作，同时保障均压方案的可行性，将调压风机布置在南翼轨道下山处，同时在63上03运输顺槽至回风巷中布置调压风窗。利用风机—风窗联合调压，来降低工作面的漏风。

图3 风机—风窗布置图

4.2 均压风机的选取

为了减少工作面的漏风，需要选取适合的均压风机。在均压风机选取的过程中，可采用公式（1）和公式（2）对风压进行计算，其中，调压风机风压计算公式如式（1）所示。

式中：Qf为调压风机工作风量，m3∕h；R为调压风机到调压风门之间巷道风阻，0.35N·S2∕m8。

式中：修正系数取1.15的调压风机的风压为242.12 Pa。由公式（1）计算可得调压风机的风阻为210.54 Pa，由于巷道中存在局部阻力，对其风压计算添加修正系数，因此通过公式（2）进行修正，调压风机的风压为242.12 Pa。63上03综采工作面需要增压220 Pa，而均压风机需要克服的通风阻力242.12 Pa，所以均压风机全压需要462.12 Pa，在满足均压参数要求的同时选择电功率较低的风机，选用全压350~2 150 Pa的风机进行均压处理。

4.3 风窗的选择

本研究所采用的开区风机—风窗均压调压系统，由调压风窗和风机共同作用来提高工作面的压能，合理地设计调节风窗面积、工作性能，并保证均压调节系统的可靠性。对于调节风窗对应的开口面积不同，工作面的漏风量和漏风率也在一定范围变化，其基本的变化规律为调节风窗面积越小，其漏风量和漏风率越大，面积越大，反而越小［11］，具体如图4所示。

根据矿井的相关安全规程，采空区向工作面的漏风率不能＞7%，由图4可知，漏风率为7%时对应的风窗面积为0.41 m2，而风窗面积为0.41 m2对应的漏风量为55 m3∕min。

图4 风窗面积与漏风量和漏风率关系图

根据东滩矿六采区63上03工作面的数据，调节理论调节风窗面积为0.4 m2。通过计算得出相对误差为2.4%，即调节风窗的面积实际值和理论值之间的误差值＜5%，在误差允许的范围内，能够满足均压系统对风窗的要求，因此调节风窗的面积定为0.41 m2。

5 结论

①通过SF6气体示踪法对东滩煤矿63上03综采工作面的漏风量进行测试，结果表明：所测试综采工作面轨道顺槽和运输顺槽内SF6气体浓度没有变化，表明不存在漏风通道；而在工作面区域向采空区内的漏风程度相对较大。

②通过模糊综合评价得出矿井通风系统抗火灾能力评分值分别为（0.68，0.21，0.11），表明矿井的抗火灾能力较强。

③选择风机—风窗联合调压的方式控制向工作面的通风，提高抗火灾能力。计算调压风机的风阻为210.54 Pa，调压风机的风压为242.12 Pa，调节风窗的面积定为0.41 m2。