浅埋深矿井采空区外部大漏风均压防治技术

陈万胜，李 超，陈小绳，吴奉亮

（1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.教育部 西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

浅埋深矿井采空区外部大漏风均压防治技术

陈万胜1，2，李 超1，陈小绳1，2，吴奉亮2，3

（1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.教育部 西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

为准确计算采用均压防治外部漏风时调压风机的压力，研究了基于矿井风网解算的均压通风计算模型。通过对均压通风原理及其在矿井内、外部漏风防治中技术特点的分析，结合通风网络解算原理，建立了均压防治外部漏风的计算模型，其计算结果显示调压风机升压力取决于矿井通风阻力的分布。依据红柳林矿井浅埋开采形成的采空区外部漏风现场观测数据，评估了漏风对矿井通风系统稳定性的影响，并设计了调压风机与风窗联合的均压通风方案。该方案采用网络解算软件计算了15207采煤工作面采空区外部漏风分支风阻与进风段通风阻力，确定了调压风机升压值与风窗的控风参数，实施后取得了预期效果。现场的成功应用表明了此技术的正确性，对同类矿井具有借鉴意义。

均压通风；外部漏风；浅埋；网络解算

0 引 言

中国国有重点煤矿中存在煤自然发火的矿井占总数的50%以上，由于煤自燃引发的火灾超过矿井总火灾的90%，每年造成近百亿的经济损失[1-2]。矿井漏风是引发煤自燃的重要因素之一[3-6]，均压通风作为防治矿井漏风的有效手段，具有操作简单、投资少和工作量小等优点，是我国煤矿防治煤自燃的主要方法之一[7]。

红柳林煤矿位于陕北榆神矿区，矿区煤层均属近水平煤层，埋深普遍较浅。目前开采的5-2煤层平均深度145 m，最浅处仅有50 m，特别是15207采煤工作面，自开切眼起有1/3长度位于开采深度仅有50 m左右的范围之内，采空区最大外部漏风量达到50 m3/s，平均外部漏风量在23.3 m3/s.采用地面封堵裂隙的漏风治理方法不仅费用高，而且受地形、冬季低温等因素限制，技术上也十分困难。大规模的外部漏风不仅会加峻采空区防火形势，还会造成工作面进风巷出现微风现象，使通风系统极不稳定，严重影响矿井的安全生产。均压通风在防治矿井内部漏风[8-10]、老空区有害气体危害上有着许多成功的经验[11-12]，但在采空区大规模外部漏风防治方面可借鉴的经验很少，研究将为矿井外部漏风治理提供技术支撑。

1 均压通风防治漏风原理

均压通风的实质是，利用风窗、风机、调压气室和连通管等调压设施，改变漏风区域的压力分布，降低压差，减少漏风。均压通风原理可用图1所示模型进行验证[13]。图中2个风机分别以压、抽2种方式作用于风管两端，形成由A到B的风流，AC段相对压力为正，CB段为负，C点为0.在C点即使有开口风流也不会有内外流动，由于C点附近的相对压力较小，形成了工程中有应用价值的均压区。

图1 均压通风模型Fig.1 Model pressure balancing ventilation

常规条件下的采煤工作面采空区漏风都是内部漏风，其表现有并联与角联2种形式。较好的均压通风效果是在不影响工作面风量的情况下控制漏风。对于U形通风系统的采煤工作面并联内部漏风，其漏风动力是工作面两端的压差，对应的均压方案是以减少工作面配风量为代价的，因此不可能做到绝对均压，其效果有限；对于采空区之间形成的角联漏风，漏风动力来自两条通风路线上特定两点之间的压差，这种压差与某个用风点的供风量没有特定关系，其均压方案可以在仅用调节风窗或有风机参与的情况下取得良好效果，理论上是可以实现绝对均压的。

采用均压防治采空区外部漏风是要将工作面的风流能量调节到与地面相同，对于主要通风机作单一抽式出（或压入式）通风的矿井可采用“风窗-风机”联合调节的局部均压方式。因此调压风机的升压值以及调节风窗的开口面积计算方法是均压防治采空区外部漏风的关键理论。

2 基于矿井风网解算的均压防治外部漏风计算模型

以主要通风机作抽出式工作的矿井来分析，“风窗-风机”联合调压是希望通过风机的增压（动力）与风窗的加阻（阻力）实现在不影响风量的情况下对均压区采空区的压力调节。而调压风机在风网中的作用与辅助通风机相似，理论上其影响范围是整个风网。因此风机升压值与风窗开口面积的计算必须基于整个通风网络进行分析。

2.1 含外部漏风的风网结构模型

设h为漏风通道阻力，Pa；Q为流量，m3/s；R为风阻R，Ns2/m8.通常认为外部漏风风流流态属于紊流[14]，因此三者之间符合h=RQ2的关系，故可以将外部漏风通道当作一条漏风分支（分支10），得到如图2所示的含漏风分支的简化风网。

图2 含漏风分支的简化矿井通风网络图Fig.2 Simplified coalmine ventilation network including an air leakage branch

矿井风网解算是求解以上网络的方法，其数学模型包括回路风压平衡方程、节点风量平衡方程。对于有n条边，m个节点的风网，这2个方程分别为

（1）

（2）

式中cij为1表示分支j与回路同向，为-1表示与回路反向，等于0表示分支j不在回路i中。bij等于0表示节点i与分支j不相连，等于1表示分支j风流流入i节点，等于-1表示j分支风流流出i节点;Rj,Qj分别为分支j的风阻与流量;hfj是j分支风机风压，是风量的函数，Pa.

漏风通道的风阻R可采用固定风量法求解。固定风量法是将某分支风量当作已知，而风阻设为未知，仍通过求解（1）（2）式组成的方程组得到该分支风阻。漏风通道的风阻不易直接测定，在应用中可以通过风网解算模拟有外部漏风时的通风系统，这时外部漏风量可测得，采用固定风量法可以求得漏风分支风阻。求得的漏风分支风阻可以应用于开采条件相似工作面的外部漏风通道。

2.2 均压通风计算模型

并且该控制系统主要目的是通过控制导轨俯仰角α从而控制小球在导轨上的位置x，故可针对系统状态量x和α设置偏差函数：

为准确了解调压风机升压值计算模型，将图2所示风网作为一个算例，漏风分支10风阻取为0.2 Ns2/m8，其它分支风阻均取0.05 Ns2/m8，分支9关联性能函数为hf= 3 204.2-4.909 3Q+0.025 1Q2-0.000 2Q3的风机。有均压措施的风网如图3所示，在分支5末端加入调压风机分支11（固定风量巷）；分支6设调节风窗，采用固定风量法求其风阻；分支5,6初始风量均取无漏风时分支5的风量。通过解算得到算例在无漏风、有漏风无均压措施与有均压措施3种情况下的风网计算结果见表1.

图3 有均压时的通风网络图Fig.2 Simplified coalmine ventilation network under pressure balancing ventilation

从表1计算结果可见，均压措施将风网风量完全恢复到漏风前的状态，漏风分支虽然存在，但无漏风。依据矿井通风网络理论与算例计算结果可以得到以下结论。

1）漏风分支对风网风量分配有明显影响。漏风分支从结构上与进风井相似，当其风阻小到一定程度时，将明显改变原有风量分配结果；

2）调压风机的应输出的风压取决于无漏时矿井通风阻力分布。分支11的阻力（1 165.3Pa）即为调压风机的输出风压，它等于无漏风时分支1与分支5阻力之和，即系统进风段的阻力。当主要通风机作压入式工作时，调压风机位于风窗的下风侧，风机输出风压应等于系统回风段的阻力。现场观测可知同一时刻、同一标高下不同地点的地面大气压相差很小，因此矿井通风阻力、矿井内外固定两点间的压差不会随着地面大气压的变化而变化。因此从通风网络理论、算例分析和地面气压变化规律可以得到，采用“风窗-风机”联合调压防治外部漏风时调压风机动力取决于矿井通风阻力分布；

3）有漏风无均压时，漏风分支阻力（漏风动力）与风量取决于整个风网参数。在漏风状况下漏风分支阻力小于无漏风时井内外的压差，漏风量越大差别越大；但分支阻力与风量取决于整个风网的风量分配。因此在有漏风状下观测到的工作面与地表的风流能量差不能作为调压风机的风压参考值。

表1 算例风网在3种情况下的解算结果

3 红柳林煤矿15207采煤工作面采空区外部漏风均压防治

3.1 采煤工作面及均压方案概况

红柳林煤矿采用中央分列式通风方式，抽出式通风方法，主斜井、副斜井、措施立井进风，回风斜井回风。矿井总排风量250 m3/s，通风总阻力1 680 Pa.15207采煤工作面走向长度2 600 m，倾斜长度350 m，工作面由两进一回3条顺槽构成，顺槽断面均在22 m2左右，具体布置如图4所示。当采空区发生大规模漏风时，工作面的进风顺槽将会出现微风，甚至风流反向现象，严重影响矿井通风系统的稳定。均压方案的调压风机安设在两条进风顺槽口，风机通过硬质铁风筒穿过两道行人风门。15207工作面设计配风量26.7 m3/s；由于工作面产量大，主运输胶带及支架穿过风门的洞口面积较大，设计其漏风量控制在13.3 m3/s.故整个均压区域需风量设计为60 m3/s.

图4 采煤工作面通风系统Fig.4 Ventilation system through a coal face

3.2 均压方案计算结果

通过现场测定与网络解算软件[15-16]模拟得到：采空区外部漏风分支风阻为0.290 1 Ns2/m8；15207工作面按设计配风量计算得出在采空区无外部漏风情况下从进风井口到15207工作面进风顺槽口通风阻力为330 Pa，因此调压风机的设计升压值取为300 Pa；回风巷调节风门开口面积为1.2 m2.

由于采掘接续的变化，矿井配风方案也会发生动态变化，这将导致矿井通风阻力分布的变化。根据观测15206工作面回采期间，其进风路线上的通风阻力最大达到580 Pa，其最大外部漏风量达到50 m3/s.根据对矿井采掘接续的分析，矿井进风段最大通风阻力不会超过600 Pa.

3.2.2 风机选型

对矿井主要使用的2×37 kW与2×55 kW局部通风机进行了性能分析，其最大排风量分别为10 m3/s与13.3 m3/min，故确定采用2×55 kW局部通风机作为调压风机，根据需风量确定共需3台。图5中原始曲线是单台选定风机的性能曲线，并联曲线是按照风压相等、风量相加的原则得到的3台风机并联后的性能曲线。从图可以看出，局部通风机具备风量稳定、风压调节范围大的特点，正适应调压风机的要求，且本均压方案中提出的调压值对于当前风机而言是处于其低阻区，完全可以满足本方案的需要。

图5 调压风机性能曲线Fig.5 Performance curves of pressure adjusting fans

为保证系统稳定可靠，在两个进风顺槽中各安装一套调压风机，每套包括3台局部通风机，一套运行，另一套备用。

3.2.3 皮带洞口漏风分析

由于工作面运输的需要，皮带穿过风门的洞口将产生大量的漏风，会严重影响风机升压效果。根据调节风窗开口计算公式[1]，对洞口的漏风量进行验算，得到在不同压差与不同开口条件下皮带洞口的漏风量见表2.计算结果表明应将皮带洞口漏风面积控制在0.5 m2左右。

表2 皮带洞口漏风量

3.3 方案实施与效果检验

1）无均压措施时，采空区外部漏风情况。15207工作面在回采15 d后，采空区初次跨落，外部漏风达到20 m3/s，1个月后至实施均压措施前工作面外部漏风维持在23.3 m3/s左右；

2）实施效果。均压系统启用后，测得：均压风机总排风量为38.3 m3/s，进风顺槽风机增压200 Pa，运输皮带洞口漏风11.1 m3/s；15207工作面辅运、胶运顺槽总进风27.2 m3/s，回风顺槽回风量30.7 m3/s.实测数据表明采空区外部漏风减至3.5 m3/s，可见均压通风有效防止了采空区的大规模外部漏风。

4 结 论

基于对均压防治采空区外部漏风计算模型的分析与应用，成功解决了红柳林煤矿采煤工作面采空区大规模外部漏风的难题，得到以下结论。

1）分析总结了均压防治采空区外部漏风技术的计算方法。用均压通风的原理分析了外部漏风的均压防治方案，基于矿井通风网络解算原理，得到：无外部漏风状态下，从进风井口到漏风工作面的通风阻力是确定调压风机升压值的关键参数；地面气压变化对外部漏风量没有明显影响；

2）常用的局部通风机可以满足均压通风调压风机的要求。局部通风机风量变化小，风压可调范围大的特点适应了调风压机要求风量稳定、风压可调的需求，2至3台局部通风机可满足常规采煤工作面区域的均压通风要求；

3）均压通风是防治浅埋深采空区外部漏风的有效手段。采空区外部漏风是陕北煤矿普遍面对的技术难题，红柳林煤矿是陕北地区典型的特大型矿井，文中的成功应用对同类矿井有借鉴意义。

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A pressure balancing ventilation method to prevent the significant external air leakage through a gob area of a shallow-buried coal mine

CHEN Wan-sheng1，2，LI Chao1，CHEN Xiao-sheng1，2，WU Feng-liang2，3

（1.ShenmuHongliulinMiningCo．，Ltd.ofShanmeiGroup，Yulin719300，China； 2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China）

To predict exactly the pressures of regulating fans that are used to prevent external air leakages by balancing the pressure between the working face and the ground surface，a pressure balancing ventilation method is studied based on the theory of coalmine ventilation network calculation.The characteristics of pressure balancing theory’s application to preventing internal and external air leakage of coal mines are analyzed to facilitate the establishment of a pressure balancing calculation model to prevent external air leakages of coalmine.The results show that the pressure increase depends on the distribution of coalmine’s ventilation resistance.The data observed on site shows the current status of external air leakage due to the extraction of shallow buried coal seam in Hongliulin coal mine area，which is used to evaluate the impact of external air leakage on the stability of coal mine’s ventilation system.By using the software of coalmine’s ventilation network calculation，a plan that combines pressure regulating fans and air windows is designed to determine the pressure drops of branches involving both external air leakage branch through the gob area and that in the intake airflow section of the ventilation system of Hongliulin coalmine.In this way the pressure needed to be increased as well as the air windows’parameters of airflow regulation are calculated.The application of this plan has achieved the expected effects，which validates the pressure balancing technology，which has a referencing significance to coalmines with similar conditions.

pressure balancing ventilation；external air leakage；shallow-burried；ventilation network calculation

2015-06-10 责任编辑：刘 洁

国家自然科学基金青年基金项目（51204135）

陈万胜（1983-） ，男，陕西宝鸡人，助理工程师，E-mail:15038537@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0511

1672-9315（2015）05-0591-06

TD 722

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