綜放工作面合理通風(fēng)參數(shù)的確定

綜放工作面合理通風(fēng)參數(shù)的確定
王欽方
　　摘　要　綜合考慮粉塵、火、瓦斯等安全因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方法，得出了適合綜放工作面的合理通風(fēng)風(fēng)量。
　　關(guān)鍵詞　綜放工作面　風(fēng)量　通風(fēng)參數(shù)
1　概述
　　旗山煤礦礦井生產(chǎn)能力為140萬(wàn)t/a，主采煤層為石炭二迭系下石盒子組3＃煤，煤層厚度4.0～5.0 m，平均厚度4.5 m，煤種為肥氣煤，煤層松軟，煤層普氏系數(shù)f=1.0～1.2，節(jié)理發(fā)育，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角平均9°。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤塵爆炸指數(shù)為40.6%，煤層具有自然發(fā)火傾向，自然發(fā)火期1～3個(gè)月。
　　旗山煤礦自1995年以來(lái)先后回采了3119工作面等6個(gè)工作面，顯示了高產(chǎn)、高效的優(yōu)點(diǎn)。但通風(fēng)防火問(wèn)題、采出率低等問(wèn)題始終是綜采放頂煤技術(shù)的難題。與普通綜采、炮采相比，其產(chǎn)量高、瓦斯涌出量大、產(chǎn)塵點(diǎn)多、產(chǎn)塵量大，采空區(qū)遺煤多，造成通風(fēng)防火管理難度大。綜放面“一通三防”的技術(shù)關(guān)鍵是通風(fēng)參數(shù)的合理選擇，過(guò)去工作面風(fēng)量配給主要考慮瓦斯、溫度、風(fēng)速，而對(duì)綜放面而言還要重點(diǎn)考慮粉塵和采空區(qū)防火，因此尋找適合綜放面的通風(fēng)參數(shù)是一個(gè)新的通風(fēng)防火重要課題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方法，得出了合理的通風(fēng)參數(shù)。

2　瓦斯涌出規(guī)律
　　由于3＃煤層煤質(zhì)松軟，孔隙率大，瓦斯易于逸出，瓦斯放散指數(shù)Δ＝880 Pa，孔隙率υ＝5.56%，瓦斯含量系數(shù)α＝13.09 m3/（m3。MPa0.5），瓦斯壓力較小。相對(duì)瓦斯涌出量不隨產(chǎn)量增加而增加，卻呈指數(shù)下降趨勢(shì)，如圖1為‘日產(chǎn)量與瓦斯相對(duì)涌出量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。為了找出工作面風(fēng)量與絕對(duì)瓦斯涌出量的關(guān)系，在3119綜放工作面通過(guò)調(diào)整工作面風(fēng)量測(cè)得上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律如圖2所示。說(shuō)明風(fēng)量小，稀釋瓦斯的能力弱，風(fēng)量增加，上隅角氣體濃度下降，但風(fēng)量增加到一定程度，可能把采空區(qū)的瓦斯帶出，氣體濃度又有所上升。因此，風(fēng)量控制在合適的范圍，即可控制工作面內(nèi)的氣體濃度。

圖1　產(chǎn)量與相對(duì)瓦斯涌出量的關(guān)系

圖2　風(fēng)量與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系
3　工作面粉塵濃度與風(fēng)量的關(guān)系　　由于綜采放頂煤工作面產(chǎn)塵點(diǎn)除采煤機(jī)割煤外，增加移架過(guò)程架前架間漏煤、架后放煤以及兩部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，尤其是放煤和移架過(guò)程產(chǎn)塵量最大，因此，合理的風(fēng)量可以實(shí)現(xiàn)最小產(chǎn)塵量，如圖3所示不同風(fēng)量下落煤和移架工序的產(chǎn)塵量。

圖3　風(fēng)量與粉塵濃度關(guān)系
4　采空區(qū)遺煤發(fā)火與風(fēng)量的關(guān)系　　由于我礦煤自然發(fā)火嚴(yán)重，為了控制采空區(qū)遺煤發(fā)火，找出風(fēng)量與采空區(qū)“三帶”分布關(guān)系，采取埋束管取樣和建立數(shù)學(xué)模型模擬分析相結(jié)合。
4.1　“三帶”分布規(guī)律
　　在采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)束管和溫度探頭，定期從采空區(qū)取氣樣化驗(yàn)、測(cè)量溫度，找出采空區(qū)內(nèi)溫度變化趨勢(shì)和氣體變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬回歸得出各項(xiàng)參數(shù)的回歸方程分別為：
　　溫度回歸方程如下式(見(jiàn)圖4，橫軸值x，縱軸值y)：
　　y＝36.02-0.021x3+0.686 8x2－4.047x
　　R2＝0.972 4

圖4　采空區(qū)溫度變化趨勢(shì)
　　氧氣濃度回歸方程如下式(見(jiàn)圖5，橫軸值x，縱軸值y)：
　　y＝-2.961 2lnx+23.146
　　R2＝0.937 3

圖5　采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度變化趨勢(shì)
　　一氧化碳濃度回歸方程如下式(見(jiàn)圖6，橫軸值x，縱軸值y)：
　　y＝0.66+0.001 1x3－0.1497x2＋5.191x
　　R2＝0.948 2

圖6　采空區(qū)內(nèi)一氧化碳濃度變化趨勢(shì)
　　對(duì)回歸方程分別求解、分析，得出如下結(jié)論：
　　(1)隨工作面的推進(jìn)，氧氣含量呈對(duì)數(shù)函數(shù)衰減，氧含量為10%時(shí)，采空區(qū)深度為56.5 m。
　　(2)隨工作面的推進(jìn)，一氧化碳濃度逐漸上升，到達(dá)高峰，然后逐漸下降，當(dāng)一氧化碳濃度到達(dá)高峰時(shí)，采空區(qū)深度為29 m，一氧化碳濃度為零時(shí)，采空區(qū)深度為55 m。
　　(3)從圖4可以看出，采空區(qū)深度為15 m時(shí)，溫度急劇上升，顯然，遺煤進(jìn)入自燃帶范圍，對(duì)回歸方程求解，得出最易氧化帶為33m，窒息帶邊界為60 m。即：在工作面風(fēng)量為610 m3／min，工作面兩端壓差為22 Pa的條件下，不自燃帶為0～15 m；自燃帶為15～60 m；窒息帶＞60 m，最易自燃深度為29～33 m。
4.2　采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析
　　采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的存在是采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的根本原因，而工作面風(fēng)量與漏風(fēng)量存在一定關(guān)系，因此，研究工作面風(fēng)量對(duì)采空區(qū)風(fēng)流分布的影響，也就找出了工作面風(fēng)量與采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的關(guān)系。
　　采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流符合非線性滲流定律，利用有限元法插值求解，利用計(jì)算機(jī)編制解算程序，輸入邊界條件，改變風(fēng)量模擬解算，結(jié)果表明，“三帶”位置隨風(fēng)量變化而正比例關(guān)系變化，如圖7所示。根據(jù)該礦綜放工作面23個(gè)月推進(jìn)度統(tǒng)計(jì)平均為42～45 m/月，如果月推進(jìn)度小于自燃帶距離，可能導(dǎo)致自燃，從圖7可以找出與自燃帶距離45 m的適宜風(fēng)量為620 m3／min。

圖7　風(fēng)量與自燃帶位置關(guān)系
5　風(fēng)量計(jì)算　　工作面風(fēng)量的配風(fēng)依據(jù)在《煤礦安全規(guī)程》可參照的有第106、107、108及110條，法定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取?%，容許風(fēng)速0.25～5 m/s；空氣溫度≤26 ℃；工作地點(diǎn)每人供風(fēng)量≥4 m3/min。
　　依據(jù)徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司風(fēng)量計(jì)算細(xì)則，計(jì)算如下：
　　基本風(fēng)量
Q1＝60VS
式中　V——工作面平均風(fēng)速，取1 m/s；
　　　S——工作面有效通風(fēng)平均斷面
S＝K（S1－S2），m2；
　　　K——斷面因數(shù)，考慮支柱、浮煤、輸送機(jī)擋板及雜物的影響，取0.75。
　　如圖8所示，

圖8　支架剖面示意圖
S1＝(4.68+4.1)÷2×2＝8.78 m2
S2＝1.64×2÷2＝1.64 m2
S＝0.75×(8.78+1.64)＝7.8 m2
Q1＝60×1.0×7.8＝468 m3/min
　　考慮工作面溫度調(diào)整系數(shù)
Q2＝K1Q1＝
1.25×468＝585 m3/min
式中　K1——溫度調(diào)整系數(shù)，取1.25。
　　　　考慮工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)
Q3＝K2Q1＝
1.1×468＝515 m3/min
式中　K2——瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.1。
　　　　按人數(shù)計(jì)算
Q4＝4×N＝
4×50＝200 m3/min
式中　N——工作面同時(shí)工作最多時(shí)人數(shù)，取50。
　　以上計(jì)算結(jié)果，工作面配風(fēng)量取最大值585 m3/min。
6　結(jié)論
　　綜上所述，工作面采用“U”形通風(fēng)方式，上行通風(fēng)，風(fēng)量控制在580～620 m3/min，在此風(fēng)量下工作面上隅角瓦斯?jié)舛然驹?.5%以下，工作面風(fēng)速適宜，排塵效果良好，此時(shí)工作面前部輸送機(jī)上方風(fēng)速為1.3～1.5 m/s，后部輸送機(jī)上方風(fēng)速為0.8～1.1 m/s。推進(jìn)速度保持40 m/月及以上，在不采取其他措施的情況下基本杜絕工作面一氧化碳超限的現(xiàn)象，減少了大量的人力物力。
作者簡(jiǎn)介　王欽方　1966年生，1988年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司旗山煤礦副總工程師，曾發(fā)表論文多篇。地址：江蘇省徐州東郊，郵碼：221000。
作者單位：徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司旗山煤礦