兖矿综合机械化放顶煤工作面矿井通风技术

综采放顶煤开采特厚煤层受到许多因素的制约，给矿井安全生产带来了许多新难题，例如煤炭自燃的预防、瓦斯防治、粉尘控制等。尤其是对于高瓦斯煤层，由于综放工作面产量集中，瓦斯散发面大，特别是当采煤机割煤移架过程中顶煤应力状态和煤体结构发生改变，产生大量的裂隙，使煤体中的大量吸附瓦斯解吸成游离瓦斯释放到工作空间和采空区，同时采空区遗煤也会涌出部分瓦斯，造成大量的瓦斯积存于采空区。当顶板来压或放煤时，采空区瓦斯将大量涌入工作面，往往造成工作面回风流中瓦斯浓度超限。所以，采取合理的通风系统和有效的瓦斯防治技术是实现综放面高产高效的关键所在。
1、综放开采矿井通风技术
1.1综放工作面通风系统主要特征
兖州矿区综放工作面是在分层综采工作面的基础上衍生和发展起来的。分层综采工作面和综采放顶煤工作面（即综放工作面）回采煤层均为第3煤层，工作面之间均为沿空送巷布置方式（即工作面之间只留1--3m煤皮，不留煤柱）。综放工作面与分层综采工作面相比较，工作面长度、推进长度、巷道布置、生产系统等基本相同。
综放工作面通风系统采用了分层综采工作面通风方式（工作面\"U\"型通风），其配风量按分层综采工作面风量公式计算。图4－2－1为兴隆庄矿5306综放工作面通风系统示意图。

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工作面通风系统包括工作面通风系统的型式、风流方向、从工作面到采区（或矿井）总进、回风巷的通风网路和通风构筑物等内容。兖州矿区综放工作面通风系统归纳起来有以下主要特征：
1.1.1工作面为“U\"型通风。
1.1.2工作面尽可能选用下行通风。因煤层倾角小，一般为2o－7o，瓦斯涌出量小，工作面下行通风符合《煤矿安全规程》规定，这是其一；其二，工作面下行通风，下隅角为回风侧，温度较高，与采空区内部温差则较小，从而可以减少下限角与采空区之间的自然风压，减少采空区内部因演然风压产生的漏风，有利于预防采空区浮煤自然发火；其三，工作面下行通风，上隅角在进风侧，温度较低而位置较高，因为自然风压方向总是自下而上，所以不可能产生因自然风压产生的漏风；同时上隅角为进风侧、风压较高，还可以抵消一部分采空区内部的自下而上的自然风压；其四，工作面若为上行通风，下隅角为进风侧，温度低而风压高，增加了采空区内部漏风风压，不利于预防采空区浮煤自然发火。
1.1.3工作面沿采空区一侧顺槽一般选作进风顺槽，沿实体煤一侧顺槽一般选作回风顺槽（图4－2－1）。沿采空区一侧顺槽用作进风，风压较高，有利于减少采空区气体泄放到进风顺槽和工作面，尤其是减少一氧化碳气体的泄出，改善了工作面通风条件，保障了工作人员的身体健康。
1.1.4工作面移动变电站一般设在进风顺槽，运输设备一般设在回风顺槽，移动变电站设在进风顺槽，处于新鲜风流中，工作环境好。运输设备设在回风顺榴，运输过程中产生的粉尘、破碎机破碎煤炭过程中产生的粉尘都直接从回风顺槽排走，不进入工作面，有利于改善工作面的作业环境。
1.1.5工作面进风顺槽通过联络巷和集中巷与采区进风上（下）山相连通。工作面回风顺槽通过联络巷和集中巷与采区回风上（下）山也相连通。改变联络巷道中风门的开、关状态，便可很方便地改变工作面的风流方向，实现工作面的区域反风，有利于工作面的灾变（主要是自然发火）处理，防止有毒有害气体进入工作面。
2、综放工作面风量的确定
采煤工作面需风量的计算是矿井风量计算的核心。目前采煤工作面需风量的计算公式是根据采煤工作面单产较低的生产条件下制定的，对于综放工作面的风量计算已不适用，如何合理计算综放工作面风量，直接影响到综放工作面的安全和经济效益。正确地确定综放工作面的配风量，应根据综放工作面产量大、回采速度快、工作面长、设备多等特点，客观实际地确定综放工作面影响配风因素，在此基础上确定综放工作面的风量计算方法。
2.1综放工作面配风量的影响因素
综放工作面应把工作面涌出的瓦斯降低到（煤矿安全规程）所允许的浓度，而高瓦斯矿井影响综放工作面配风的主要因素是瓦斯。统计数据表明，年产150万t以上的综放工作面主要是低瓦斯矿井。近几年来，通过对兖州矿区的鲍店煤矿、南屯煤矿、东滩煤矿、兴隆庄煤矿等矿井多个综放工作面配风量的影响因素进行的实际测定，掌握了影响综放工作面配风的影响因素，主要有地面空气、机电设备散热、煤尘浓度及采煤工作面长度等。
2.1.1地面空气温度对工作面进风风流温度的影响
采煤工作面进风风流温度指的是移动变电站前风流的温度。地面空气流入井下后，主要受围岩散热的影响。冬季地面空气温度较低，一般进风井口都有取暖设备，冷空气经过时温度会升高，然后在流动的过程中受围岩散热影响，又使风流温度逐渐升高，到达移动变电站前时风流温度达到20℃左右。春、秋季节地面空气的温度与流经巷道围岩温度相差不大，所以风流到达移动变电站前时风流温度与地面温度变化不大。夏季地面空气温度高，巷道围岩温度又在20℃以上，再加上夏天空气中水蒸气的含热量也大，所以夏季地面空气流入井下后，温度降低得较小。因此春、秋、冬季地面空气的温度对工作面进风风流的空气温度影响较小，夏季地面空气温度，对工作面进风风流温度影响较大。
2.1.2移动变电站设备散热
综放工作面电器设备最集中的地点为移动变电站，风流流经移动变电站时温度会升高，移动变电站负荷越大，散热量越大。工作面正常时，移动变电站散热量为从进风井口至工作面回风风流吸收总热量的10％左右。
2.1.3落煤散热及运煤的散热
采煤工作面采煤机在割煤时，煤层和顶底板岩层的温度较高，散发大量的热量，使工作面的风流的温度沿工作面逐渐升高5--6℃，采煤过程中工作面散发的热量占从进风井口到工作面回风风流总吸收热量的百分比随季节不同而变化。
2.1.4风流在流动过程中吸收热量的计算
由以上的分析可知，在矿井的各种热源中，除机电设备散热较集中外，其他热源分布较分散，单独计算每种热源散放的热量比较麻烦且没有必要。依据对工作面进风流温度的影响，把井下热源的影响分为3段：第一段从井口到工作面移动变电站前，称为进风巷道，这一段主要是进风巷道各种热源对工作面进风流的影响；第二段为工作面移动变电站，由于移动变电站散热量大，直接影响工作面的劳动气象条件；第三段为采煤工作面，工作面运转的机电设备多，开采强度大，煤层顶、底板岩石散热及煤的氧化和采空区的散热，使工作面空气温度逐渐升高。[page]
矿井通风的状态变化过程属于定压过程，在定压过程中系统所吸收的热量等于系统状态比焓的增加。因此．根据巷道起、末两断面测定的空气湿度与温度，按下式可计算出风流经过各段时所吸收（或散发）的热量：
q＝m（i2一i1） （4－2－1)
式中q—空气所吸收（散发）的热量， kJ；
m—质量风量，kg/min；
i1、i2—风流起、末断面空气的焓值，kJ／(kg干空气)。
由公式(4－2－1)可计算各采煤工作面从进风井口到工作面回风各段风流吸收（散发）的热量值。通过对计算结果分析得出以下结论：
(1)工作面进风顺槽的移动变电站是工作面进风流的主要热源，风流流经移动变电站后，焓值增加7kJ/kg左右，使工作面进风风流温度升高2－3℃。
(2)工作面生产时散热量大，如风流经过采煤工作面焓值增加了20kJ／（Kg干空气）左右，工作面的热量主要来自机电设备散热和煤岩的散热。
2.1.5空气温度
实测表明，春、秋季节由于气温变化不大，故地面空气的相对温度变化也不大；夏季随着气温的升高，相对湿度逐渐降低，而下午3点钟后气温降低，相对湿度迅速升高；冬季气温较低，相对温度较小，且日变化小。地面空气的相对湿度随着空气温度的变化而变化。
井下风流的湿度总体上随着风流的流动逐渐增大，到达移动变电站时相对湿度均在90%以上；流过移动变电站由于温度升高，风流的相对湿度略有降低；进入工作面风流的相对湿度逐渐增大，达到96%以上，有时达到100%。
工作面风流的相对湿度无论在何季节，都在90%以上，变化不大，即地面空气的相对湿度的变化对工作面风流的相对湿度不产生影响。
2.1.6煤尘浓度
综采、综放工作面产量高，开采强度大。综采工作面采煤机割煤时的瞬时全尘浓度每立方米高达上万毫克，严重地污染作业环境，损害工人身体健康，危及人身与矿井安全。采煤工作面风量计算，应考虑有利于降低采煤工作面粉尘浓度。工作面的风速大小直接影响着采煤机及其他尘源的产尘量。当在一定限度内增加风速时，由于风流稀释和带走粉尘而使粉尘浓度降低，但风速超过某值，由于扬起沉积的粉尘和减慢粉尘的沉降过程而导致粉尘浓度增大。因此，综采、综放工作面煤体的水分、采煤机的能力和所采取防尘措施对最佳排尘风速影响很大。
2.1.7采煤工作面长度对气候条件的影响
根据测定资料，采煤工作面的气候条件受季度和工作面配风量的影响，在风量一定时，随着风流在工作面的流动，湿卡他度值逐渐降低，即工作面气候条件沿着工作面的长度逐渐变差。当达到一定长度（一般l00m左右）时，湿卡他度值下降得比较快，说明工作面长度加大后，改善工作面的气候条件，应加大配风量。根据充州矿区的测定，综采、综放工作面长度每增加l00m，配风量应增加20％。
2.2综放工作面风量计算公式
通过综放工作面配风量影响因素的分析，影响综放工作面配风的主要因素有工作面进风风流的温度、移动变电站设备散热、采煤工作面的长度和煤尘浓度。因此，综放配风量在考虑这些因素影响时，为采煤工作面创造良好的劳动气候条件作为风量计算的依据，同时计算公式简单、参数直观、可测。
2.2.1综放工作面风量计算的依据
根据测定的综放工作面风量的影响因素，综放工作面的风量计算公式满足下列条件：
(1)以工作面进风风流的温度（移动变电站前）为依据，确定工作面的风速；
(2)风速是指采煤机处及附近工作人员处的风速；
(3)综放工作面后部输送机的风速不低于0.5m/s;
(4)移动变电站对工作面气候条件的影响；
(5)工作面长度对工作面气候条件的影响；
(6)有利于瓦斯的排放；
(7)有利于降低工作面的粉尘浓度。
2.2.2综放工作面风量计算公式
《煤矿安全规程执行说明》规定，工作面需要风量应按瓦斯、二氧化碳涌出量、爆破后有害气体产生量、工作面温度、风速以及作业人数等因素分别计算后，取其最大值。兖州矿区综放工作面需要风量计算也是依照这个规定进行，但考虑到工作面瓦斯涌出量低、工作面人数不多、无放炮作业等具体情况，在计算顺序上有所变动。
（1）按风速和温度计算需要风量：
Qf＝60×V×S×K长 (4－2－2)
式中Qf—综放面需风量，m3／min;
V—综放工作面的风速，按进风风流的温度由表4－2－1选取，m/s;
S—综放工作面平均有效通风断面积（按最大和最小控顶距时的平均值），m2；
K长—采煤工作面面长调整系数，按表4－2－2选取。
表4-2-1综放工作面进风空气温度与风速对应表

采煤工作面空气温度（oC） 采煤工作面风速（m/s） 15-180.818-200.8-1.020-231.0-1.323-261.3-1.626-281.6-2.0

注：采煤工作面空气温度，应在工作面运输机上方空间中央．距回风顺槽15m处的风流中侧定。

表4-2-2采煤工作面面长调整系数表

采煤工作面长度（m）

<160

160-200

200-260

260-300

>300

(2)按瓦斯涌出量验算所需风量：
Q≥100×q×K2 （4－2－3)
式中Q—综放工作面需要风量，m3／min;
q—综放工作面瓦斯绝对涌出量，m3／min;[page]
K2—综放工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数，取1.2-1.6。
按二氧化碳涌出量验算需用风量，可参照按瓦斯涌出量验算方法。
(3)按工作面作业人数验算所需风量
Q≥4N （4－2－4)
式中Q—综放工作面需要风量，m3／min;
N—综放工作面同时工作的最多人数，人。
上述计算结果为工作面正常情况下需要的风量．在某些情况下也可适当增加或减少部分风量。如充州矿区3煤层自然发火比较严重，若工作面出现自然发火隐患，为防火需要，在保证工作面瓦斯不超限不影响排除粉尘的情况下，一般都适当减少部分风量。

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