均压通风技术在孙家岔龙华煤矿回采工作面低氧治理中的应用

摘要：孙家岔龙华煤矿随着服务年限的延长，通风系统随之延伸，受浅埋深煤层开采、邻近采空区和上覆采空区漏风、煤体氧化等因素影响，在综采工作面回采过程中上下隅角及回风巷低氧现象频发，给通风安全管理带来困难。本文旨在结合矿井通风基本原理，论述均压热备通风技术在解决孙家岔龙华煤矿综采工作面回采期间上下隅角及回风巷低氧问题。通过在30208综采工作面为期5个月使用实践证明，在众多低氧防治措施中，该方法治理结果达标、系统运行可靠、经济成本低廉，对低氧问题治理效果最为理想。

关键词：均压通风、回采工作面、低氧治理

一、矿井及回采工作面概况

1.矿井概况

孙家岔龙华煤矿地处陕北侏罗纪煤田神府矿区，井田位于陕西省神木市北部，归属陕西陕煤陕北矿业公司管理。矿井井田面积54.40km2，生产能力1000万t/a。矿井采用中央分列式通风，主平硐、副平硐、缓坡副斜井进风，回风立井回风。综采工作面采用“U”型通风方式，即辅助运输巷、带式输送机巷进风，回风巷回风。掘进工作面均采用压入式通风。井田地质构造简单，煤层倾角平缓，可采煤层9层，属低瓦斯矿井，煤层属容易自燃煤层，证照齐全有效，各类系统运行稳定可靠。

2.回采工作面概况

龙华煤矿30209综采工作面上覆地表主要为黄土地貌、风沙地貌，地形北高南低，工作面上覆距回撤通道180m-1042m范围对应地表车尔盖沟主沟及支沟，该区域平均埋深114m，沟底被冲洪积物覆盖，植被繁茂，车尔盖沟属于季节性河流，仅雨季期间有少量流水，现阶段沟底干枯。工作面其余范围内植被覆盖率差。

30209综采工作面位于302盘区，北部与德泉煤矿相邻，西部为30210工作面未形成，东部为30208工作面已回采结束，南部为3-1煤大巷保安煤柱。矿井已完成301盘区、101盘区、201盘区三个盘区的回采，其中101盘区与201盘区是30209工作面的上覆采空区。可采推进长度2415m，倾向布置长度为294m，设计采高2.80m，可采储量230.6万吨，回采率为97%。示意图如图1所示：

二、隅角及回风巷低氧原因分析

根据302盘区上一回采工作面30208综采工作面低氧治理经验总结分析，30209综采工作面隅角及回风巷低氧原因分析如下，示意图如图2所示：

1.浅埋深煤层开采影响。30209综采工作面埋深约为114m，回采过程中有裂缝沟通地表，漏风通道两端形成压差，在负压的作用下，采空区气体向工作面涌出，造成低氧现象。

2.邻近采空区影响。30209综采工作面与30208采空区相邻，顶板垮落后产生漏风通道，在负压作用下，30208采空区低氧气体向30209工作面涌出，造成低氧现象。

3.上覆采空区影响。30209综采工作面与上覆煤层8个采煤工作面与垂直布置，层间距只有44m，导致多个工作面采空区低氧气体向30209工作面涌出，造成低氧现象。

4.煤层处于CO2-N2带。采煤机割煤时，煤层中赋存的氮气及二氧化碳涌出，稀释了氧气，使风流中氧气浓度下降。

5.受温度及大气压变化的影响。气温、大气压的变化导致采空区出现呼吸现象，易诱发低氧现象。

6.涡流现象。回风隅角位置风流突然垂直转弯，风速和风流状态都会发生改变，部分风流在回风隅角局部区域产生涡流后出现风流循环流动现象，使采空区和工作面的有害气体难以进入主风流被带走，并进入回风隅角区域，使该处漩涡风流循环流动。

三、低氧治理工艺选择

矿井在上个30208综采工作面回采中采取了多种治理措施，包括导风帘、风力扩展器稀释回风隅角低氧气体，引排设施抽放采空区低氧气体，具备一定的治理效果，但在回采后期，低氧现象严重，需要采取区域性的措施进行治理。

根据前期治理经验和30209工作面的漏风状况、最大通风断面等信息，当工作面回风流和隅角氧气浓度低于18.0%时，利用风机产生增压作用与风门调节窗面积改变，调整工作面的压力分布，降低漏风压差，减少CO2等有害气体的涌出，从而达到防止30209综采工作面有害气体超限的目的。由于该技术原理简单、对工作人员无害、不影响正常生产等优点，因此，针对30209综采工作面回采期间宜采取均压热备治理技术，保障安全生产。

四、均压技术方案及系统建设

1.风机和调节风门联合均压原理

增压调节是指使两调压装置中间的风路上风流的压能增加。为此，风机安装在风窗的上风侧。当调节风机产生的压力等于风窗增加的阻力时，即可做到采煤工作面的风量不变，而两调节装置之间风路上的风流压能则被平行提升抬高从而达到平行升压的目的，如图3所示。在实施均压之前风路的压能曲线图为直线abcd，实施均压后，风路的风量不变，BC段的摩擦阻力不变，C点的压能随之上升，装置之间的压力坡度线增高且与原来平行，均压之后的压能曲线图为直线a b，c，d。

图4为均压风机与带调节风窗风门联合实现的平行升压（均压）系统，其均压风机与调节风窗的风压与风量的关系图解。f为矿井主要通风机总风压作用于该风路的等效特性曲线，R是在没有安设调节风窗与均压风机前的巷道风阻。f与R的交点为M点，该点的纵、横坐标即为没有安设调节风窗与均压风机前的风压HM与风量QM。

安设调节风窗与均压风机实施升压（均压）后，该风路的风阻为R2，R2=R+R窗，均压风机的特性曲线为f1，根据风量相等，风压相加的原则，可与等效曲线f合成联合曲线f2，f2与R2交点P的纵、横坐标Hp与QP即为安设调节风窗与均压风机后的风压与风量。从图中可以看出，风压Hp>HM，但是风量QP<QM，即这时的升压（均压）后的风量QP小于工作面原有风量QM。为使安设调节风窗与均压风机升压后保持工作面风量QM不变，须增大供风量，通过调节风窗面积和风窗风阻，得R1=R+R窗，使 QN=QM，求得风压为HN，此时即实现了平行升压的目的。

图5为均压设施安设前、后风压变化示意图。在未安设均压风机与调节风窗前，工作面进、回风巷两端呈负压分布，如图中ab线段所示。当均压风机与调节风窗升压系统运行后，升压区间的风压分布变为AB，均压风机出风口风压由负压升为正压，调节风窗出口风压则升为零。如果升压区间内部风阻和风流流动状态不发生变化，那么该升压区间两端的风压损失即为均压风机出风口的风压。即均压风机提高了工作面风压，阻止了临近采空区向回采工作面的漏风。

采煤工作面升压值为：△h=h1-h2，△h是采煤工作面最大升压值、h1是与采空区有联系的主要通风机中最大风压差值、h2是采煤工作面末端至主要通风机风筒的风压损失值。

由于均压风机与调节风窗系统实施升压时，均压风机是向工作面供风的唯一通道，因此均压风机的风量应根据工作面实际需要风量来确定。为了升压系统合理运行，必须确保：一是均压风机的风量必须与工作面的风量相匹配；二是均压风机的风量变化应尽可能小；三是矿井通风网络的分支风路风量应与均压风机风量相适应。

由于采煤工作面和其进、回风巷风阻值变化不大，因而系统区间升压主要是通过控制调节风窗过风口面积实现的。当系统区间升压幅度较小，调节风窗过风口面积大则风阻小；反之，当升压区间升压幅度大时，调节风窗过风口面积则小，风阻必然增大。因此，控制调节风窗过风口面积是保证升压幅度的关键。

2.均压区域通风阻力测定与分析

根据井下采掘布局及实际通风系统情况，拟选取3-1煤过30209工作面通风线路作为阻力测定的线路。在该线路上分别布置测点，测定该线路上的阻力分布情况。具体的测定线路如下：

副平硐井口（基点）（测点1）→副平硐（测点2）→3-1煤辅运大巷（测点3）→30209带式输送机巷（测点4）→30209工作面（测点5）→30209回风巷（测点6）→3-1煤总回风巷（测点7）→回风立井（测点8）→引风硐（测点9）→地面风机房（测点10）。

30209综采工作面相关参数与30208工作面类似，故参照30208工作面阻力进行设计，由于通风阻力受大气环境、井下供风条件、空气湿度等参数影响，在不同的时间段、不同的风量风速等条件下，工作面通风阻力会产生一定的变化。因此，表1只作为一个参考值。

3.均压工作面风量计算及风机选型

3.1通过风量进行风机选型

3.1.1采煤工作面风量计算

根据《煤矿安全规程》和《MT/T634-2019煤矿矿井风量计算方法》中的有关规定：30209综采工作面实际需要风量按工作面气象条件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、工作人人数等规定分别进行计算，然后取其中最大值。

Q采=60×70%×v采×S采×K采高×K采面长

=60×70%×1.0×16.55×1.2×1.5=1251m3/min

式中：Q采—采煤工作面需要风量，m3/min；

v采—采煤工作面的适宜风速，m/s，按采煤工作面进风流的最高温度从表3中选取；

S采—采煤工作面的有效断面积，m2；

K采高—采煤工作面采高调整系数，从表2中选取；

K采面长—采煤工作面长度调整系数，从表4中选取；

70%—有效通风断面系数；

60—单位换算产生的系数。

3.1.2回撤通道风量计算（m3/min）

Q主回撤通道≥60×0.25S=60×0.25×5.6×3.0=252

Q辅回撤通道≥60×0.25S=60×0.25×5.2×3.0=234

式中：S—巷道断面积，m2；

0.25—允许的最小风速，m/s。

3.1.3均压风门漏风量计算

hw=Rw×Qw2

式中：S—风窗处的巷道面积（m2），取16.99;

Sw—风窗漏风面积（m2 ），取0.5;

Qw—通过风窗的风量（m /s）;

RW—风窗的阻力（N.S2/m8）;

hw—风窗的风压（Pa），取600Pa。

Qw=10.5×60=630（m3/min）

均压期间，考虑工作面风量1251 m3/min，主回撤通道风量252 m3/min，辅回撤通道风量234 m3/min，均压风门漏风量630m3/min，所以均压风机出口风量不得小于2367m3/min。

经计算：30209工作面回采期间配风量不小于1994m3/min，经查验，选择4台FBD№10.0/2×55kW型局部通风机，其装置性能曲线如下图所示。将FBD№10.0/2×55kW两两并联，分别向工作面调压供风，其中两台运行，两台备用，当风机发生故障时，自动切换至备用风机。风机参数如表5所示。

根据风机特性，选择4台（2用2备）FBD-NO10.0型压入式智能变频风机能满足工作面风量。

3.2通过负压验证风机选型

2台FBD№10.0/2×55kW变频均压风机全压Pt范围为318-4680Pa；通过风机提供的静压与采空区的静压进行比较，Pt≥P采空区则风机选型满足负压要求。根据30208均压通风经验，采空区相对负压P采空区一般为220-400Pa，30209均压范围巷道通风阻力为2112Pa，所以，工作面风机工作压力最小约为2512Pa，在均压风机全压范围内，此时单台风机风量需1184 m3/min，通过风机装置性能曲线可知，2台风机通过变频调节或叶片供风，能满足风量及风压需求，故风机选型合理。风机安装于30209带式输送机巷内，在启用均压后，该地点与3-1煤辅助运输大巷直接连通，可以保证均压风机的吸风量。

4.均压布置

4.1风流流向：主、副平硐→均压风机→30209带式输送机巷→30209综采工作面（变为污风）→30209回风巷→30209调节风窗→盘区回风大巷→回风立井。

4.2通风设施：

4.2.1在30210回风巷85m处倾斜40°向30209带式输送机巷施工联巷一条，长22m，宽5.2m，高3.2m，用于安装均压风门（风门间距最大11.8m），风门上安设闭锁装置和控制系统。

4.2.2在30209带式输送机巷35m处施工调节风窗一道，风窗规格为2m*1m，0-30m段安装两组均压风机，并使用风筒延伸到36m处，风机靠煤壁一侧安装，与皮带架保持0.8m行人通道。

4.2.3为了确保通风系统稳定，将30209带式输送机巷与30210回风巷联巷全部封闭。

5.智能均压系统建设

5.1均压调节窗应具备自动调节功能，可实现人工现场手动调节和远程控制调节两种模式。

5.2设置均压风门与均压风机应急联动控制功能，当调压风机停风后，调压风门能够自动打开，就地或者远程调节均压风窗调节断面达到应急状态时通风需求，确保均压系统失压后工作面能够迅速恢复全风压通风状态。

5.3设置均压应急联动预警系统，在皮带机头和均压风机分别安设警报装置，当均压系统失效后，发出警报，提示均压区域人员及时采取措施并迅速撤离。

5.4以回风隅角氧气浓度作为指标气体调整均压风窗断面及风机运行频率，保证工作面隅角氧气浓度不低于18%。

五、均压系统管控

1.启动条件及调压方法

1.1当工作面回风流氧气浓度低于18.0%时，且其他措施不能有效保证氧气浓度大于18%时，启动均压系统运行。

1.2调压方法为：在30209带式输送机巷调压风机工况点保持不变（2台变频风机供风1500 m3/min）的前提下，通过调节变频风机频率和回风调节风窗通风断面大小调整均压工作面的风量和压力，使工作面通风压力略大于采空区压力，实现对工作面风量和压能的合理调配。

2.均压系统启动步骤

2.1启动均压系统前，由调度指挥中心负责通知工作面断电、撤人。将工作面所有人员撤至交接班联巷，禁止人员进入工作面。

2.2确定所有人员撤出危险区域后再启动均压风机。

2.3根据30209回风巷和30208采空区之间联络巷密闭墙处的“U”型水柱计的读数，通过调节变频风机频率和调控回风调节风窗通风断面大小调整均压工作面的风量和压力，使工作面通风压力略高于采空区压力。保证工作面风量符合规定，有毒有害气体浓度均不超限。

2.4在工作面风量和压力稳定后，对30209工作面、回风隅角、采空区和回风巷气体情况进行检查，在气体浓度符合《煤矿安全规程》规定并稳定后，恢复工作面送电。

2.5通风系统恢复正常后作业人员方可进入工作面。

2.6均压系统启用10天内，每天测定1次工作面风量、进回风压差及漏风情况；均压系统稳定后，每旬测定1次工作面风量、进回风压差及漏风情况，并对采区均压及影响区域的巷道、采空区以及工作面的气体、压差等情况进行测定。

3.均压工作面压力管控

3.1安设的4台55kW变频风机均要实现“三专两闭锁、双风机、双电源、自动切换”，每天进行一次切换试验。

3.2当工作面或回风隅角的氧气浓度小于18%时，应适当调整增大工作面风压，以提高工作面氧气浓度。

3.3改变矿井通风方式、主要通风机工况以及井下通风系统时，必须及时对均压地点的均压状况进行测定、调整，保证均压状态稳定。

六、效果检验

为保证均压系统正常运行，达到预期效果，必须经常检查均压区域内的巷道中风流流动状态，每天观测分析均压区域内气体浓度及压差变化情况。

1.启动30209工作面均压风机时，必须设专人关闭带式输送机巷风门，工作面均压系统通过调整调节窗的面积应由大到小逐渐调控，掌握风量及压力变化情况，保证均压效果。

2.以工作面回风流氧气浓度高于18.0%时认为均压效果理想，以此为基础，根据现场实际情况对均压风机初始压力进行微调。

3.启用均压系统后，每天在工作面机尾、回风隅角、行人通道处监测氧气浓度，与之前氧气浓度情况进行对比，分析低氧现象改善情况。

4.在均压系统启用前与启用后，观测采空区自燃“三带”分布范围，检验均压系统是否对“三带”分布产生不良影响。沿工作面带式输送机巷、回风巷铺设束管，观测参数为采空区内O2等气体浓度、工作面日推进速度、测点与工作面之间距离，以氧浓度为指标对工作面采空区自然发火“三带”进行划分。