复杂地质工况下高瓦斯矿井巷道通风技术探析

2023-10-19＊张伟

当代化工研究 2023年18期

＊张伟

（晋能控股装备制造集团长平煤业公司山西 048000）

瓦斯是一种在矿井开采中形成的无色无味的气体，在标准状态下，其密度为0.716kg/m3，透气性是空气的1.6倍，在一定的环境下，其含量高达一定范围，可导致人窒息，严重者可引发火灾和爆炸。瓦斯通常以游离状态或依附于煤的形式存在于煤层中，在开采时，易产生大量的瓦斯气体，若得不到及时有效的通风，在高瓦斯、复杂的地质环境中，将极大地影响隧道的工作效率。为此，本项目以晋能控股装备制造集团为例，在掘进过程中，研究在复杂的地质环境下如何进行有效的通风。在此基础上，应提升通风系统运行的可靠性，根据采场工作的不同情况及时调节风量，从而实现了煤层瓦斯含量的有效控制，确保了煤层的安全。

1.地质概况

晋能控股装备制造集团某矿，采区总长度为1900m，开采面积为2.3km2，其中倾斜长度占总长度的65%。

采区中的煤层赋存较为稳定，伪顶板为碳质泥岩，厚度约2m，正顶板下部为铝质泥岩，自下而上，铝质泥岩在煤层中不断降低，直至变成泥岩；直接顶的厚度变化很大，从2.87m到7.74m不等，老顶以砂、泥两相为主，有明显的西薄东厚倾向。采区煤层以弱粘性、不粘性为主，因其所在区域的地质构造比较复杂，在地壳运动作用下，煤层被挤压、牵引，煤层的整体结构已经被破坏，其内部结构变得松散，在其上部有一定的塑性流。

该矿区共设置了五口进风井、三口回风井，形成了一个完整的整体通风体系。井下通风系统的特点是采用了分段对角机抽放通风的方法。该煤矿属于高瓦斯矿，甲烷的绝对出气量和相对出气量分别为174.71m3/min和24.68m3/t。二氧化碳的绝对排气量为25.84m3/t，相对排放量为4.81m3/t。

103回采工作面共设置了3个巷道，即瓦斯排放巷、回风巷、运输巷。瓦斯排放巷属于顶板巷，它对顶板巷起着先期探矿、先期放气等作用。回风道与运输道都是底板巷，底板巷与顶板巷并联。结合本矿实际情况，发现103采区存在7条断裂，长度在1.4～6m之间。工作面的空气需求量是1719m3/min，在实际的生产过程中，工作面的需求量不得低于下限的10%，也不得超过上限的20%，因此可以得到工作面对空气的需求量在1547～2063m3/min之间。

2.通风技术方案设计

(1)方案设计

①单次掘进通风设计方案。在掘进巷道围岩中喷出的瓦斯量关系到施工人员的人身安全，因此，在巷道内的瓦斯含量不能超过1%。在矿山开采中，选择合适的通风设备或风筒来降低煤巷内的瓦斯浓度，可以保证煤巷的安全开采。第一个方案为一次回采，其原理图如图1所示，在东大巷1180m巷1600m的巷道中进行了试验。

图1 单次掘进通风方案示意图

②分两段掘进通风设计方案。第二类通风方式为分段通风方式，根据各阶段所需空气的不同需求来确定各阶段的通风方式。

该采区运输巷，回风顺槽巷，排放巷三巷平行开挖至700m时，应开挖出一条连接巷，使得三巷互通，这样就可以将整条巷道分成两个部分进行通风，这种方法能有效地缩短局部通风路线，在联络巷中，通过在两条巷道间安装风阀，可对巷道进行调整，达到完全负压的目的。

在第一阶段中，由图2（a）中所示的部分通风系统来对掘进工作面进行通风。第二期联络巷完成后，对联络巷西面的巷道采用完全负压通风，对其他巷道采用局部通风方式，见图2（b）。

图2 分两段掘进通风系统示意图

(2)结果对比

①技术方面。方案一中一次开挖可以实现长距离通风，但随着开挖深度的增大，巷道内的总风阻也随之增大，因此需要进行多次抽采。同时，由于方案一中所用输风筒较长，所以在系统远行的过程中，需要进行大量的维护。在方案二中，将送风分为两个部分，使送风过程变得更短，同时也方便了各部分的管理。由于分步开采的送风筒体积小，极大地提升了维修和保养的便捷性。巷道中风阻的变化整体平稳，可以进行二次集中抽采。

②费用方面。方案一由于空气输送管道较长，因此在施工时，空气输送管道的成本相对较高，而且还需要通过胶带输送机等辅助设备来实现。方案二因为修建了联络巷，所以这一部分的造价是最大的。另外，方案二输风筒的建造和后期的维修成本都要比方案一低得多。通过实证分析得出，备选方案一的成本约为备选方案二的4倍左右。

因此，在巷道通风系统建设中采用方案二。

3.效果分析

（1）试验结果。采用二次采煤工艺在103工作面上进行了施工，试验情况如下：

在第一阶段初期，采用JBT-11型局部通风机及600mm输送风管，在掘进深度至272m时，工作面瓦斯涌出量增大，后巷中瓦斯含量达最大值；现在换成了一台30kW的DF系列对转鼓风机。在图3中，我们可以看到一段时间内的风量和瓦斯涌出量随时间变化的曲线。从图表上可以看到，随着巷道长度的增大，所需要的空气与瓦斯的涌出量也随之增大。

图3 掘进初期掘进长度与风量、瓦斯涌出量关系图

在巷道掘进过程中，瓦斯的排放量持续上升，增加一台30kW对流风机，并在后巷增加一台JBT-11局部通风器，3台风机同时工作，将空气输送到排放巷，排放巷总供风长度为1248m，图4为随着掘进长度的变化，通风量与瓦斯排放量的变化趋势。从曲线上可以看到，随着风扇的增大，气体排放的浓度将达到一个稳定的水平。

图4 掘进中期掘进长度与风量、瓦斯涌出量关系图

可以发现，工作面的进风口空气流量为2100m3/min，回风口空气流量2257m3/min，给整个工作面的通风作业带来一定难度。与此同时，瓦斯含量的的变化与巷道长度呈正相关。在其他工作环境不变的情况下，排放巷中的风机停止运转，煤层瓦斯的涌出速率也随之下降。在排放巷的中段，巷道的风量和瓦斯涌出量与巷道的距离曲线见图5。

图5 掘进后期掘进长度与风量、瓦斯涌出量关系图

副联络巷的开掘地点是沿着排放巷方向，回风方向840n，排放巷最大长度为1250m，采用60kW的对轮风机，将空气送到800m的联络巷及掘进面，采用30kW的对轮风机，将空气送到排放巷，并将后巷中的瓦斯进行稀释。从而使副联络巷贯通，通风模式得到调节，供风系统得到了优化。

二次联络巷施工完毕并贯通后，可大大缩短通风距离，使巷道的通风变得更加方便。与前几次相比，1180巷在距离103联络巷20～110m的距离上都设置了局部换气扇。在完全负压通风条件下，瓦斯含量低于0.05%，通过对部分通风机进行布置，排放巷中瓦斯含量最低可达0.17%，最高可达0.22%，在运输顺槽中瓦斯含量最低可达0.28%，最高可达0.32%。在排放巷回风顺槽中，随巷道长度的增大，采用2个对置式旋风送风，而在输送顺槽中采用2个28kW的2JBT-62风机。对1631m的排放巷完成了改造，在排风巷后方420m的位置设置运输顺槽，并在该段形成一个新的采场，并沿西向进行延伸。

第二段排放巷随掘进距离的增大，整个排放巷开挖完成后，掘进距离与风量和瓦斯涌出量的关系曲线见图6。

图6 全部掘完后掘进长度与风量、瓦斯涌出量关系图

（2）先抽后掘。通过对该矿区的地质调查，发现103号瓦斯排放巷在采煤过程中，排放巷的掘进位置始终在回风顺槽前方150m处，回风顺槽的掘进位置始终在运输顺槽前方200m处。在巷道持续开挖的过程中，煤层中的瓦斯渗出越来越多，这时应从排放巷到回风顺槽成孔，采用先抽气后卸压的方法，从回风方向到输送方向上的长孔，降低了巷道内的瓦斯涌出，降低了巷道内的瓦斯压力。通过现场实测，发现采用抽采方式后，回采20m范围的煤层气绝对流失量降低0.5～0.8m3/min。

排放巷与回风顺槽完全贯通后，在排放巷中形成了19个钻场，其中排放巷14个钻场，91个钻孔，钻井总长度为17km，每年可抽取的瓦斯总量为244.9万立方米。

（3）注意事项。当工作面风道出现出风不畅，风量显著降低时，应立即切断电源，停止有关操作，并迅速将现场人员从进风道迅速撤离至辅助运巷口，并向上级报告。在对通风设施进行管理和维修的时候，禁止采取任何可能会影响到通风效果的行为，例如：一次打开两道风门，擅自调整风窗，改变风量的大小。不能有2台以上的无轨胶轮，不能有130kW以上的总功率。本装置能同时监控工作面中的甲烷、CO、O2、N2、H2等12种气体。为了保证工作面的安全，应在瓦斯传感器上实现高压断电和瓦电源闭锁。