自然发火煤层采煤工作面下行通风的应用与实践.doc

自然发火煤层采煤工作面下行通风的应用与实践 摘要本文通过对下行通风方式在煤矿K2采煤工作面的应用案例分析，认为下行通风有利于预防自然发火煤层采空区自燃发火的发生，防灭火效果是明显的，是安全可靠可以作为一项防灭火技术措施广泛推广应用的。 关键词下行通风 采空区 防灭火 1.前言 xx煤矿矿井设计生产能力为45万t/年，核定生产能力为48万t/年。矿井采区分南、中、北三个采区，采用从上至下层层“大剥皮”煤层群开采，从上至下分别开采K9、K6、K5、K4、K2煤层。主采煤层K2为Ⅰ类自燃发火煤层，自然发火期为2～6个月。该煤层采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法开采，矿井自1958年投产以来，该煤层共发生火灾50余次。1990-2007年，共生产原煤663余万吨，发火13次，百万吨发火率为1.96。 2.K2采煤工作面生产现状及防灭火存在的问题 K2煤层倾角为58～62，平均60，煤层真厚1.86m～4.96 m，平均3.4m，煤种为主焦煤。K2工作面呈伪斜方式布置，伪斜角30度，采用伪斜柔性多边形掩护支架进行支护。工作面沿走向方向每隔90m掘斜坡，用作工作面的通风、溜煤、行人和运料。将掩护支架回采至运输巷（采掉5m煤柱），临进工作面60m采用溜子运输，再由皮带输送机送入采区煤仓。在运输巷回撤支架，掩护支架在过石门时，将支架上提，留设石门煤柱，过完石门，将掩护支架下落，再回采至运输巷。该煤层有煤尘爆炸危险性。 K2采煤工作面为中采区最后开采的一个工作面，开采初期为上行通风方式，工作面风量为117m3/min,瓦斯浓度为 0.45。 K2采煤工作面自2008年1月1日至2008年6月20日，工作面采空区CO及温度呈逐渐上升趋势，采空区CO浓度最高达48ppm，温度最高达45℃。经采取加大该区域的灌浆灌水量、清除采空区遗煤、均压通风等措施高温隐患均未得到有效消除，为此，该矿对K2采煤工作面施行了下行通风。图1、2为K2工作面上、下通风通风系统示意图。 图1 K2工作面下行通风通风系统示意图 图2 K2工作面上行通风通风系统示意图 3.下行通风工作面风量的配备 由于K2采煤工作面防灭火的需要，矿采取了低风量降负压措施来降低采空区内外的压差以减少采空区的漏风。但风量必须满足以下两个要求一是要保证工作面各地点瓦斯浓度、风速符合规程规定。二是要保证工作面各点风流处于紊流状态下。 3.1 工作面风流必须处于紊流状态下 由于工作面风流在层流状态下，瓦斯被风流带走较为困难，工作面风流在紊流状态下，瓦斯是很容易与风流混合而被带走的。风流的流态，可用雷诺数Re的大小来判别，当Re＞1105时，风流呈完全紊流状态。 非圆形井巷断面的雷诺数用下式计算 Re 1 1式中V井巷断面上的平均风速，m/s； v空气的运动粘性系数，1510－6 m2/s； S巷道断面积，m2； U巷道周长，m。 由式1可写为V＝RevU／4S，由此式可知，工作面风流的紊流风速与工作面的周长、断面积有关。 由于-115mMK2采煤工作面为非圆形井巷，断面积为3.6 m2，周长为7.7 m。按公式1计算，使工作面采用下行通风时风流呈完全紊流状态最低风速为V＝11057.71510－6／（43.6）＝0.80 m/s，其平均风量为186 m3/min，则其风速V＝186/3.660＝0.86 m/s，即工作面风流为完全紊流状态。 3.2 风量满足瓦斯治理需要 根据矿井配风实施细则，急倾斜中厚煤层伪倾斜柔性掩护支架回采工作面配风，按瓦斯涌出量计算标准 Q 100qK..（2） 式中Q急倾斜中厚煤层伪倾斜柔性掩护支架回采工作面实际需风量 m3/min q急倾斜中厚煤层伪倾斜柔性掩护支架回采工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min（由实测得出） K回采工作面风量备用系数（包括瓦斯涌出不均衡和备用风量等系数）K1.2～1.6 按公式（2）计算，K2工作面采用下行通风工作面配风量为210 m3/min。按以上配风，矿制定改风技术措施，于6月24日对K2采煤工作面施行了下行通风。最终K2工作面配风风量为220 m3/min，瓦斯浓度为0.57-0.58。 4. 工作面及隅角瓦斯浓度变化及治理 4.1工作面风量中瓦斯浓度变化 下行通风时，由于风流方向与瓦斯浮力的方向相反，所以风流与瓦斯层之间的相对运动速度大，完成一定的混合过程所需的能量少，其混合能力增强下行通风时，瓦斯和空气的混合能力比相同条件下上行通风时的混合能力强，因而工作面涌出的瓦斯比上行通风更容易与风流混合而被带走。 4.2工作面隅角瓦斯浓度变化规律 K2工作面采用上行通风时，工作面平均风量为119 m3/min，上隅角瓦斯平均浓度为0.93，工作面平均浓度为0.9；采用下行通风时，工作面平均风量为220m3/min，上隅角瓦斯平均浓度为0.31，工作面平均浓度为0.65；下行通风与上行通风相比，上隅角瓦斯浓度下降了67，工作面瓦斯浓度下降了28。表1为K2工作面、隅角上、下行通风瓦斯浓度对照表。 表1 K2工作面、隅角上、下通风瓦斯浓度对照表 上行通风 下行通风 日期 工作面瓦斯浓度（） 回风流瓦斯浓度（） 上隅角瓦斯浓度（） 日期 工作面瓦斯浓度（） 回风流瓦斯浓度（） 上隅角瓦斯浓度（） 08.6.9 0.89 0.77 0.9 08.6.25 0.68 0.23 0.3 08.6.10 0.92 0.79 0.94 08.6.26 0.72 0.29 0.25 08.6.11 0.91 0.8 0.93 08.6.27 0.71 0.35 0.2 08.6.12 1.06 0.91 1.06 08.6.28 0.84 0.45 0.23 08.6.13 1 0.87 1 08.6.29 0.59 0.43 0.23 08.6.14 0.91 0.81 0.92 08.6.30 0.73 0.4 0.24 08.6.15 0.84 0.78 0.86 08.7.1 0.72 0.33 0.27 08.6.16 0.97 0.92 0.97 08.7.2 0.65 0.34 0.54 08.6.17 0.89 0.78 0.92 08.7.3 0.6 0.35 0.46 08.6.18 0.95 0.92 0.97 08.7.4 0.81 0.37 0.34 08.6.19 0.86 0.71 0.95 08.7.5 0.61 0.33 0.38 08.6.20 0.86 0.79 0.91 08.7.6 0.51 0.34 0.44 08.6.21 0.84 0.78 0.83 08.7.7 0.54 0.36 0.21 08.6.22 0.86 0.79 0.9 08.7.8 0.56 0.39 0.28 08.6.23 0.83 0.77 0.9 08.7.9 0.61 0.4 0.27 08.6.24 0.78 0.82 0.94 08.7.10 0.51 0.33 0.29 注以上数据均来自于瓦斯监测日报表 这表明，下行通风可以有效地解决上隅角瓦斯超限问题，且不会在下隅角产生瓦斯超限问题。分析原因是 （1）上行通风时工作面和采空区的总压差比下行通风大，采空区的漏风量也比下行通风时大，因此下行通风从采空区带出的瓦斯量就比上行通风时少，致使涌出量就比上行通风时低； （2）从采空区流体流动状态来分析，上行通风时采空区的漏风汇集分别在上部或下部，无论漏风汇集在上部或下部，上行通风从漏风汇集排出的是下部瓦斯浓度较小的气体，而下行通风时，从漏风汇集排出的是上部瓦斯浓度远较下部为高的气体，因而使得采面瓦斯涌出量减少。但若采空区密闭质量好，由于下行通风采空区漏风量小，也有可能把高浓度的瓦斯滞留于采空区内。正由于下行通风能把采空区上部高浓度瓦斯排出或滞留于采空区内，故上隅角瓦斯积聚的可能性就比上行通风小。 另外，瓦斯从下隅角涌出后，受到浮力作用上升，在上升过程中与下行风流相混合，因而采用下行通风时，下隅角瓦斯的积聚也没有上行通风时上隅角瓦斯积聚的情况严重。 5.下行通风后对工作面防灭火的影响及效果 5.1下行通风后对工作面防灭火的影响 工作面采空区除与工作面并联的扩散漏风带外，还可能存在的漏风带主要有两类，一类为工作面进风石门向回风石门之问的漏风，这类漏风与工作面上、下行通风无关，不论上行还是下行通风，这类漏风都会存在；另一类漏风为工作面的进风水平向回风水平漏风，这类漏风与工作面上行还是下行通风则有密切的关系。 对于上行通风来说，低水平总是进风水平，而高水平则是回风水平。进风水平通过采空区向回风水平的漏风总是自下而上的，这类漏风方向与采空区的自然风压的方向一致，因而采空区内的自然风压帮助了这类漏风的形成。而下行通风时，高水平则成为进风水平，低水平变成了回风水平，此时自然风压与机械风压相反，采空区内的自然风压成为这类漏风的阻力。当机械风压差大于采空区内自然风压时，漏风方向自上而下，漏风风压是两种风压绝对值的数量差当进风和回风水平之问的风压差等于采空区内的自然风压时，采空区内就会出现漏风停滞，漏风带消失，当进风和回风水平之问的风压差小于采空区内的自然风压时，漏风方向自下而上，漏风风压是两种风压绝对值的数量差。不论那一种情况，下行通风时进、回风之问漏风带的漏风风压恒低于上行通风，在采空区同等压实条件下，下行通风时进、回风问的漏风量恒低于上行通风。因此，下行通风更有利于防治由进、回风水平之间的漏风造成的自燃火灾。 5.2实施下行通风后对工作面防灭火的效果 一氧化碳气体的出现和持续升高是矿井自燃火灾的基本特征，对于采煤工作面来说，采空区温度、回风流和采面隅角的一氧化碳气体浓度的变化是采空区自燃火灾最敏感、最可靠的预报指标之一。-115m水平中段C3-8K2工作面于6月24日改为下行风后,在工作面设置了以下测点。见图3所示。其中1、5号点为工作面进风或回风风流测定，2号为支架上拐点1.5米采空区内测点，3号为支架工作面中部1.5米采空区内测点，4号为支架-115m水平K2大巷南角测点。 2 1 3 4 5 图3 观察点布置示意图 表2 K2工作面相关地点CO、温度相关数据考察表 测试日期 1号点 2号点 3号点 4号点 5号点 温度℃ COppm 温度℃ COppm 温度℃ COppm 温度℃ COppm 温度℃ COppm 上 行 通 风 2008-4-3 27 0 33 12 36 8 30 0 24 0 2008-4-13 26 0 33 26 33 16 29 0 24 0 2008-4-23 26 0 28 38 31 10 29 0 24 0 2008-5-3 27 0 29 26 34 15 29 0 24 0 2008-5-13 26 2 30 20 36 17 31 0 24 0 2008-5-23 26 2 29 60 31 10 29 0 24 0 2008-6-3 27 0 30 19 35 3 29 0 24 0 2008-6-13 26 0 31 27 35 7 29 0 24 0 2008-6-23 26 0 32 14 33 12 29 0 24 0 下 行 通 风 2008-7-3 24 0 30 6 34 0 32 0 26 0 2008-7-13 24 0 31 2 32 0 31 0 26 0 2008-7-23 24 0 30 5 33 0 30 0 26 0 2008-8-3 24 0 29 0 31 0 31 0 27 0 2008-8-13 24 0 29 0 32 0 30 0 27 0 2008-8-23 24 0 29 0 32 0 35 0 26 0 2008-9-3 24 0 29 0 31 0 30 0 26 0 2008-9-13 24 0 29 0 31 0 31 0 26 0 2008-9-23 24 0 29 0 32 0 31 0 26 0 图4为下行通风前后K2工作面采空区C0浓度变化曲线图 图4 下行通风前后K2工作面采空区C0浓度变化曲线图 从表2和图4可以看出，工作面采用下行通风后，采空区一氧化碳浓度、高温明显下降。证明，K2工作面采用下行通风对工作面防灭火是极为有利的，是可以积极推广应用的。 6.下行通风安全管理措施 工作面采用下行通风后，为确保生产安全，采取了如下管理措施 1对该采面有关的风门全部安装风门闭锁，严禁两道风门同时打开造成采面风流短路。 2对与该采面通风系统有关的通风设施，每班派人检查，发现问题立即汇报处理,确保该面通风系统的稳定 3工作面断面必须符合作业规程要求，满足工作面通风要求，工作面通风断面必须保证在3m2以上。 （4）采面所有电器设备必须杜绝失爆。 （5）回风巷风流中瓦斯浓度不得超过1，必须安设瓦斯自动检测报警断电装置，其断电浓度为1，复电浓度小于1，断电范围为K2工作面及回风系统中的所有电气设备， （6）回风巷所有防尘设施必须按要求设置并保证正常使用。 （7）每班派专人负责冲尘，对防尘设施进行维护保证全用且正常。坚决消灭煤尘堆积，否则严禁生产。 7.结 论 （1）由于磨心坡煤矿K2采煤工作面的特殊性，工作面瓦斯涌出量小，只要技术措施和管理措施得当，是完全可以采用下行通风的且是安全可靠的。 （2）采用下行通风方式能有效防止自然发火煤层采煤工作面采空区自然发火，对采空区防灭火是极为有利，效果是明显的，是可以推广应用的。 9