兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面礦井通風(fēng)技術(shù)

綜采放頂煤開采特厚煤層受到許多因素的制約，給礦井安全生產(chǎn)帶來了許多新難題，例如煤炭自燃的預(yù)防、瓦斯防治、粉塵控制等。尤其是對于高瓦斯煤層，由于綜放工作面產(chǎn)量集中，瓦斯散發(fā)面大，特別是當(dāng)采煤機(jī)割煤移架過程中頂煤應(yīng)力狀態(tài)和煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生大量的裂隙，使煤體中的大量吸附瓦斯解吸成游離瓦斯釋放到工作空間和采空區(qū)，同時(shí)采空區(qū)遺煤也會涌出部分瓦斯，造成大量的瓦斯積存于采空區(qū)。當(dāng)頂板來壓或放煤時(shí)，采空區(qū)瓦斯將大量涌入工作面，往往造成工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸蕖Ｋ?，采取合理的通風(fēng)系統(tǒng)和有效的瓦斯防治技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜放面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵所在。
1、綜放開采礦井通風(fēng)技術(shù)
1.1綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)主要特征
兗州礦區(qū)綜放工作面是在分層綜采工作面的基礎(chǔ)上衍生和發(fā)展起來的。分層綜采工作面和綜采放頂煤工作面（即綜放工作面）回采煤層均為第3煤層，工作面之間均為沿空送巷布置方式（即工作面之間只留1--3m煤皮，不留煤柱）。綜放工作面與分層綜采工作面相比較，工作面長度、推進(jìn)長度、巷道布置、生產(chǎn)系統(tǒng)等基本相同。
綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用了分層綜采工作面通風(fēng)方式（工作面"U"型通風(fēng)），其配風(fēng)量按分層綜采工作面風(fēng)量公式計(jì)算。圖4－2－1為興隆莊礦5306綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。

工作面通風(fēng)系統(tǒng)包括工作面通風(fēng)系統(tǒng)的型式、風(fēng)流方向、從工作面到采區(qū)（或礦井）總進(jìn)、回風(fēng)巷的通風(fēng)網(wǎng)路和通風(fēng)構(gòu)筑物等內(nèi)容。兗州礦區(qū)綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)歸納起來有以下主要特征：
1.1.1工作面為“U"型通風(fēng)。
1.1.2工作面盡可能選用下行通風(fēng)。因煤層傾角小，一般為2o－7o，瓦斯涌出量小，工作面下行通風(fēng)符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，這是其一；其二，工作面下行通風(fēng)，下隅角為回風(fēng)側(cè)，溫度較高，與采空區(qū)內(nèi)部溫差則較小，從而可以減少下限角與采空區(qū)之間的自然風(fēng)壓，減少采空區(qū)內(nèi)部因演然風(fēng)壓產(chǎn)生的漏風(fēng)，有利于預(yù)防采空區(qū)浮煤自然發(fā)火；其三，工作面下行通風(fēng)，上隅角在進(jìn)風(fēng)側(cè)，溫度較低而位置較高，因?yàn)樽匀伙L(fēng)壓方向總是自下而上，所以不可能產(chǎn)生因自然風(fēng)壓產(chǎn)生的漏風(fēng)；同時(shí)上隅角為進(jìn)風(fēng)側(cè)、風(fēng)壓較高，還可以抵消一部分采空區(qū)內(nèi)部的自下而上的自然風(fēng)壓；其四，工作面若為上行通風(fēng)，下隅角為進(jìn)風(fēng)側(cè)，溫度低而風(fēng)壓高，增加了采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)風(fēng)壓，不利于預(yù)防采空區(qū)浮煤自然發(fā)火。
1.1.3工作面沿采空區(qū)一側(cè)順槽一般選作進(jìn)風(fēng)順槽，沿實(shí)體煤一側(cè)順槽一般選作回風(fēng)順槽（圖4－2－1）。沿采空區(qū)一側(cè)順槽用作進(jìn)風(fēng)，風(fēng)壓較高，有利于減少采空區(qū)氣體泄放到進(jìn)風(fēng)順槽和工作面，尤其是減少一氧化碳?xì)怏w的泄出，改善了工作面通風(fēng)條件，保障了工作人員的身體健康。
1.1.4工作面移動(dòng)變電站一般設(shè)在進(jìn)風(fēng)順槽，運(yùn)輸設(shè)備一般設(shè)在回風(fēng)順槽，移動(dòng)變電站設(shè)在進(jìn)風(fēng)順槽，處于新鮮風(fēng)流中，工作環(huán)境好。運(yùn)輸設(shè)備設(shè)在回風(fēng)順榴，運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的粉塵、破碎機(jī)破碎煤炭過程中產(chǎn)生的粉塵都直接從回風(fēng)順槽排走，不進(jìn)入工作面，有利于改善工作面的作業(yè)環(huán)境。
1.1.5工作面進(jìn)風(fēng)順槽通過聯(lián)絡(luò)巷和集中巷與采區(qū)進(jìn)風(fēng)上（下）山相連通。工作面回風(fēng)順槽通過聯(lián)絡(luò)巷和集中巷與采區(qū)回風(fēng)上（下）山也相連通。改變聯(lián)絡(luò)巷道中風(fēng)門的開、關(guān)狀態(tài)，便可很方便地改變工作面的風(fēng)流方向，實(shí)現(xiàn)工作面的區(qū)域反風(fēng)，有利于工作面的災(zāi)變（主要是自然發(fā)火）處理，防止有毒有害氣體進(jìn)入工作面。
2、綜放工作面風(fēng)量的確定
采煤工作面需風(fēng)量的計(jì)算是礦井風(fēng)量計(jì)算的核心。目前采煤工作面需風(fēng)量的計(jì)算公式是根據(jù)采煤工作面單產(chǎn)較低的生產(chǎn)條件下制定的，對于綜放工作面的風(fēng)量計(jì)算已不適用，如何合理計(jì)算綜放工作面風(fēng)量，直接影響到綜放工作面的安全和經(jīng)濟(jì)效益。正確地確定綜放工作面的配風(fēng)量，應(yīng)根據(jù)綜放工作面產(chǎn)量大、回采速度快、工作面長、設(shè)備多等特點(diǎn)，客觀實(shí)際地確定綜放工作面影響配風(fēng)因素，在此基礎(chǔ)上確定綜放工作面的風(fēng)量計(jì)算方法。
2.1綜放工作面配風(fēng)量的影響因素
綜放工作面應(yīng)把工作面涌出的瓦斯降低到（煤礦安全規(guī)程）所允許的濃度，而高瓦斯礦井影響綜放工作面配風(fēng)的主要因素是瓦斯。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，年產(chǎn)150萬t以上的綜放工作面主要是低瓦斯礦井。近幾年來，通過對兗州礦區(qū)的鮑店煤礦、南屯煤礦、東灘煤礦、興隆莊煤礦等礦井多個(gè)綜放工作面配風(fēng)量的影響因素進(jìn)行的實(shí)際測定，掌握了影響綜放工作面配風(fēng)的影響因素，主要有地面空氣、機(jī)電設(shè)備散熱、煤塵濃度及采煤工作面長度等。
2.1.1地面空氣溫度對工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度的影響
采煤工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度指的是移動(dòng)變電站前風(fēng)流的溫度。地面空氣流入井下后，主要受圍巖散熱的影響。冬季地面空氣溫度較低，一般進(jìn)風(fēng)井口都有取暖設(shè)備，冷空氣經(jīng)過時(shí)溫度會升高，然后在流動(dòng)的過程中受圍巖散熱影響，又使風(fēng)流溫度逐漸升高，到達(dá)移動(dòng)變電站前時(shí)風(fēng)流溫度達(dá)到20℃左右。春、秋季節(jié)地面空氣的溫度與流經(jīng)巷道圍巖溫度相差不大，所以風(fēng)流到達(dá)移動(dòng)變電站前時(shí)風(fēng)流溫度與地面溫度變化不大。夏季地面空氣溫度高，巷道圍巖溫度又在20℃以上，再加上夏天空氣中水蒸氣的含熱量也大，所以夏季地面空氣流入井下后，溫度降低得較小。因此春、秋、冬季地面空氣的溫度對工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的空氣溫度影響較小，夏季地面空氣溫度，對工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度影響較大。
2.1.2移動(dòng)變電站設(shè)備散熱
綜放工作面電器設(shè)備最集中的地點(diǎn)為移動(dòng)變電站，風(fēng)流流經(jīng)移動(dòng)變電站時(shí)溫度會升高，移動(dòng)變電站負(fù)荷越大，散熱量越大。工作面正常時(shí)，移動(dòng)變電站散熱量為從進(jìn)風(fēng)井口至工作面回風(fēng)風(fēng)流吸收總熱量的10％左右。
2.1.3落煤散熱及運(yùn)煤的散熱
采煤工作面采煤機(jī)在割煤時(shí)，煤層和頂?shù)装鍘r層的溫度較高，散發(fā)大量的熱量，使工作面的風(fēng)流的溫度沿工作面逐漸升高5--6℃，采煤過程中工作面散發(fā)的熱量占從進(jìn)風(fēng)井口到工作面回風(fēng)風(fēng)流總吸收熱量的百分比隨季節(jié)不同而變化。
2.1.4風(fēng)流在流動(dòng)過程中吸收熱量的計(jì)算
由以上的分析可知，在礦井的各種熱源中，除機(jī)電設(shè)備散熱較集中外，其他熱源分布較分散，單獨(dú)計(jì)算每種熱源散放的熱量比較麻煩且沒有必要。依據(jù)對工作面進(jìn)風(fēng)流溫度的影響，把井下熱源的影響分為3段：第一段從井口到工作面移動(dòng)變電站前，稱為進(jìn)風(fēng)巷道，這一段主要是進(jìn)風(fēng)巷道各種熱源對工作面進(jìn)風(fēng)流的影響；第二段為工作面移動(dòng)變電站，由于移動(dòng)變電站散熱量大，直接影響工作面的勞動(dòng)氣象條件；第三段為采煤工作面，工作面運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備多，開采強(qiáng)度大，煤層頂、底板巖石散熱及煤的氧化和采空區(qū)的散熱，使工作面空氣溫度逐漸升高。
礦井通風(fēng)的狀態(tài)變化過程屬于定壓過程，在定壓過程中系統(tǒng)所吸收的熱量等于系統(tǒng)狀態(tài)比焓的增加。因此．根據(jù)巷道起、末兩斷面測定的空氣濕度與溫度，按下式可計(jì)算出風(fēng)流經(jīng)過各段時(shí)所吸收（或散發(fā)）的熱量：
q＝m（i2一i1） （4－2－1)
式中q—空氣所吸收（散發(fā)）的熱量， kJ；
m—質(zhì)量風(fēng)量，kg/min；
i1、i2—風(fēng)流起、末斷面空氣的焓值，kJ／(kg干空氣)。
由公式(4－2－1)可計(jì)算各采煤工作面從進(jìn)風(fēng)井口到工作面回風(fēng)各段風(fēng)流吸收（散發(fā)）的熱量值。通過對計(jì)算結(jié)果分析得出以下結(jié)論：
(1)工作面進(jìn)風(fēng)順槽的移動(dòng)變電站是工作面進(jìn)風(fēng)流的主要熱源，風(fēng)流流經(jīng)移動(dòng)變電站后，焓值增加7kJ/kg左右，使工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度升高2－3℃。
(2)工作面生產(chǎn)時(shí)散熱量大，如風(fēng)流經(jīng)過采煤工作面焓值增加了20kJ／（Kg干空氣）左右，工作面的熱量主要來自機(jī)電設(shè)備散熱和煤巖的散熱。
2.1.5空氣溫度
實(shí)測表明，春、秋季節(jié)由于氣溫變化不大，故地面空氣的相對溫度變化也不大；夏季隨著氣溫的升高，相對濕度逐漸降低，而下午3點(diǎn)鐘后氣溫降低，相對濕度迅速升高；冬季氣溫較低，相對溫度較小，且日變化小。地面空氣的相對濕度隨著空氣溫度的變化而變化。
井下風(fēng)流的濕度總體上隨著風(fēng)流的流動(dòng)逐漸增大，到達(dá)移動(dòng)變電站時(shí)相對濕度均在90%以上；流過移動(dòng)變電站由于溫度升高，風(fēng)流的相對濕度略有降低；進(jìn)入工作面風(fēng)流的相對濕度逐漸增大，達(dá)到96%以上，有時(shí)達(dá)到100%。
工作面風(fēng)流的相對濕度無論在何季節(jié)，都在90%以上，變化不大，即地面空氣的相對濕度的變化對工作面風(fēng)流的相對濕度不產(chǎn)生影響。
2.1.6煤塵濃度
綜采、綜放工作面產(chǎn)量高，開采強(qiáng)度大。綜采工作面采煤機(jī)割煤時(shí)的瞬時(shí)全塵濃度每立方米高達(dá)上萬毫克，嚴(yán)重地污染作業(yè)環(huán)境，損害工人身體健康，危及人身與礦井安全。采煤工作面風(fēng)量計(jì)算，應(yīng)考慮有利于降低采煤工作面粉塵濃度。工作面的風(fēng)速大小直接影響著采煤機(jī)及其他塵源的產(chǎn)塵量。當(dāng)在一定限度內(nèi)增加風(fēng)速時(shí)，由于風(fēng)流稀釋和帶走粉塵而使粉塵濃度降低，但風(fēng)速超過某值，由于揚(yáng)起沉積的粉塵和減慢粉塵的沉降過程而導(dǎo)致粉塵濃度增大。因此，綜采、綜放工作面煤體的水分、采煤機(jī)的能力和所采取防塵措施對最佳排塵風(fēng)速影響很大。
2.1.7采煤工作面長度對氣候條件的影響
根據(jù)測定資料，采煤工作面的氣候條件受季度和工作面配風(fēng)量的影響，在風(fēng)量一定時(shí)，隨著風(fēng)流在工作面的流動(dòng)，濕卡他度值逐漸降低，即工作面氣候條件沿著工作面的長度逐漸變差。當(dāng)達(dá)到一定長度（一般l00m左右）時(shí)，濕卡他度值下降得比較快，說明工作面長度加大后，改善工作面的氣候條件，應(yīng)加大配風(fēng)量。根據(jù)充州礦區(qū)的測定，綜采、綜放工作面長度每增加l00m，配風(fēng)量應(yīng)增加20％。
2.2綜放工作面風(fēng)量計(jì)算公式
通過綜放工作面配風(fēng)量影響因素的分析，影響綜放工作面配風(fēng)的主要因素有工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度、移動(dòng)變電站設(shè)備散熱、采煤工作面的長度和煤塵濃度。因此，綜放配風(fēng)量在考慮這些因素影響時(shí)，為采煤工作面創(chuàng)造良好的勞動(dòng)氣候條件作為風(fēng)量計(jì)算的依據(jù)，同時(shí)計(jì)算公式簡單、參數(shù)直觀、可測。
2.2.1綜放工作面風(fēng)量計(jì)算的依據(jù)
根據(jù)測定的綜放工作面風(fēng)量的影響因素，綜放工作面的風(fēng)量計(jì)算公式滿足下列條件：
(1)以工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度（移動(dòng)變電站前）為依據(jù)，確定工作面的風(fēng)速；
(2)風(fēng)速是指采煤機(jī)處及附近工作人員處的風(fēng)速；
(3)綜放工作面后部輸送機(jī)的風(fēng)速不低于0.5m/s;
(4)移動(dòng)變電站對工作面氣候條件的影響；
(5)工作面長度對工作面氣候條件的影響；
(6)有利于瓦斯的排放；
(7)有利于降低工作面的粉塵濃度。
2.2.2綜放工作面風(fēng)量計(jì)算公式
《煤礦安全規(guī)程執(zhí)行說明》規(guī)定，工作面需要風(fēng)量應(yīng)按瓦斯、二氧化碳涌出量、爆破后有害氣體產(chǎn)生量、工作面溫度、風(fēng)速以及作業(yè)人數(shù)等因素分別計(jì)算后，取其最大值。兗州礦區(qū)綜放工作面需要風(fēng)量計(jì)算也是依照這個(gè)規(guī)定進(jìn)行，但考慮到工作面瓦斯涌出量低、工作面人數(shù)不多、無放炮作業(yè)等具體情況，在計(jì)算順序上有所變動(dòng)。
（1）按風(fēng)速和溫度計(jì)算需要風(fēng)量：
Qf＝60×V×S×K長 (4－2－2)
式中Qf—綜放面需風(fēng)量，m³／min;
V—綜放工作面的風(fēng)速，按進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度由表4－2－1選取，m/s;
S—綜放工作面平均有效通風(fēng)斷面積（按最大和最小控頂距時(shí)的平均值），m²；
K長—采煤工作面面長調(diào)整系數(shù)，按表4－2－2選取。
表4-2-1綜放工作面進(jìn)風(fēng)空氣溫度與風(fēng)速對應(yīng)表

采煤工作面空氣溫度（^oC） 采煤工作面風(fēng)速（m/s） 15-18 0.8 18-20 0.8-1.0 20-23 1.0-1.3 23-26 1.3-1.6 26-28 1.6-2.0

注：采煤工作面空氣溫度，應(yīng)在工作面運(yùn)輸機(jī)上方空間中央．距回風(fēng)順槽15m處的風(fēng)流中側(cè)定。

表4-2-2采煤工作面面長調(diào)整系數(shù)表

采煤工作面長度（m）

<160

160-200

200-260

260-300

>300

(2)按瓦斯涌出量驗(yàn)算所需風(fēng)量：
Q≥100×q×K₂ （4－2－3)
式中Q—綜放工作面需要風(fēng)量，m³／min;
q—綜放工作面瓦斯絕對涌出量，m³／min;
K₂—綜放工作面瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，取1.2-1.6。
按二氧化碳涌出量驗(yàn)算需用風(fēng)量，可參照按瓦斯涌出量驗(yàn)算方法。
(3)按工作面作業(yè)人數(shù)驗(yàn)算所需風(fēng)量
Q≥4N （4－2－4)
式中Q—綜放工作面需要風(fēng)量，m³／min;
N—綜放工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)，人。
上述計(jì)算結(jié)果為工作面正常情況下需要的風(fēng)量．在某些情況下也可適當(dāng)增加或減少部分風(fēng)量。如充州礦區(qū)3煤層自然發(fā)火比較嚴(yán)重，若工作面出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，為防火需要，在保證工作面瓦斯不超限不影響排除粉塵的情況下，一般都適當(dāng)減少部分風(fēng)量。

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