依靠自然通風(fēng)治理地面煤倉瓦斯

李樹軍

隨著我國煤礦安全管理水平的不斷提升，瓦斯問題已成為制約礦山發(fā)展的瓶頸，而作為高瓦斯礦井的地面洗選廠也同樣被瓦斯問題所困擾，為了控制和排放瓦斯，國內(nèi)各洗煤廠大多采用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)方式，同時(shí)配備一套瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。由于該方法為被動(dòng)式防范，存在較多弊病，且并不十分可靠，亟待進(jìn)行技術(shù)革新。

而利用自然通風(fēng)和焚風(fēng)效應(yīng)把倉內(nèi)瓦斯稀釋、抽出并釋放于大氣中，是目前地面煤倉解決瓦斯問題的新興研究方向，國外探索較早，實(shí)施項(xiàng)目較多，技術(shù)已趨于成熟;國內(nèi)正處于探索、推廣階段，屬于較為新興的前沿技術(shù)。該技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，可為我國高瓦斯礦井選煤廠治理煤倉瓦斯開辟一條新途徑。利用該技術(shù)，可以完全或部分替代通風(fēng)機(jī)排放瓦斯，環(huán)保節(jié)能，高效安全，不僅對(duì)地面煤倉有效，凡是地面存在瓦斯的地方都可以推廣應(yīng)用(甚至包括井下)。下面就以晉煤集團(tuán)成莊礦選煤廠在這方面的探索和技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行闡述。

1 成莊礦洗選廠概況

成莊礦洗選廠是一座年設(shè)計(jì)能力400萬t的礦井型動(dòng)力煤選煤廠，1997年9月正式投產(chǎn)運(yùn)行。經(jīng)過長期不斷技術(shù)升級(jí)和改造，目前年處理能力已達(dá)830萬t。該廠采用塊煤斜輪重介分選，末煤重介旋流器分選的洗選工藝，洗水閉路循環(huán)，煤泥全部廠內(nèi)回收。主要洗選產(chǎn)品有洗中、洗小、標(biāo)末、優(yōu)末、洗末等多個(gè)品種。而隨著礦井開采的不斷向下延伸，井下瓦斯情況也日益嚴(yán)重。目前晉煤集團(tuán)成莊礦已逐步成為國內(nèi)數(shù)一數(shù)二的高瓦斯礦井，瓦斯問題已經(jīng)成為制約礦井發(fā)展的瓶頸。成莊礦洗選廠也為瓦斯問題所困擾，特別是煤倉瓦斯集聚問題，已成為安全生產(chǎn)的重大隱患。每一個(gè)煤倉就好比是一個(gè)瓦斯儲(chǔ)氣罐，隨時(shí)威脅職工的生命安全和礦井的安全生產(chǎn)。因此，煤倉瓦斯治理已經(jīng)成為該礦安全工作的重要課題之一。

目前，成莊礦洗選廠地面共有26個(gè)煤倉，分別為：8個(gè)中塊矩形倉、8個(gè)小塊矩形倉、1個(gè)原煤圓筒倉、1個(gè)洗末圓筒倉、3個(gè)圓筒篩末倉、2個(gè)末矸矩形倉、3個(gè)塊矸矩形倉。各倉均存在程度不同的瓦斯積聚問題，為杜絕瓦斯事故，有效控制煤倉瓦斯，該廠在倉上倉下都配備了多臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，利用機(jī)械通風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制抽排作用，強(qiáng)制性的抽出和稀釋瓦斯，達(dá)到瓦斯不超限的目的。同時(shí)還裝設(shè)了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、瓦斯電閉鎖、風(fēng)電閉鎖等保護(hù)，確保不發(fā)生瓦斯事故。雖然煤倉瓦斯得到了控制，但仍存在以下問題：

1)瓦斯探頭偶爾誤報(bào)警造成斷電停車，不但影響生產(chǎn)，更嚴(yán)重的是由于風(fēng)機(jī)停運(yùn)，倉內(nèi)瓦斯?jié)舛燃眲∩仙瑢?huì)帶來很大的安全隱患，甚至是嚴(yán)重的瓦斯事故。

2)抽風(fēng)機(jī)是機(jī)械設(shè)備，長時(shí)間不間斷運(yùn)行難免會(huì)發(fā)生故障，造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)而引起瓦斯超限;另外，若短時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)不能恢復(fù)運(yùn)行，可能造成倉內(nèi)聚集高濃度瓦斯，當(dāng)風(fēng)機(jī)再恢復(fù)運(yùn)行時(shí)高濃度瓦斯從風(fēng)機(jī)抽出，要經(jīng)過風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉，一旦風(fēng)機(jī)風(fēng)葉摩擦或碰撞產(chǎn)生火花，將引起瓦斯事故，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

3)洗選廠的煤倉大多較高(如圓筒倉高約30 m)，風(fēng)機(jī)檢修需吊上吊下，不僅危險(xiǎn)，工作量也很大。

4)風(fēng)機(jī)不間斷運(yùn)行，不僅要投入一定的物力、人力成本，而且電能消耗也相當(dāng)可觀。

2 成莊洗選廠地面煤倉瓦斯治理

成莊礦洗選廠考慮利用自然通風(fēng)替代或部分替代強(qiáng)制通風(fēng)來治理煤倉瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤倉的本質(zhì)安全。采用倉壁開孔、加裝自然通風(fēng)管和優(yōu)化通風(fēng)管路等技術(shù)手段，不用或少用設(shè)備解決倉內(nèi)瓦斯集聚問題，達(dá)到以最小的投入，得到甚至超過原有通風(fēng)效果，同時(shí)保證安全生產(chǎn)的目的。具體做法為：

2.1 倉壁開孔和增設(shè)自然通風(fēng)管

1)在圓筒倉倉壁靠近樓板最上部，沿圓周方向開若干個(gè)矩形孔(數(shù)量依據(jù)倉體容積和直徑而定)，孔的大小為500 mm×800 mm(可視情況進(jìn)行調(diào)整)。同時(shí)在倉上設(shè)備層同樣開若干孔洞，架設(shè)自然通風(fēng)管(管徑≥400 mm)至房頂室外，以此加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)，并利用焚風(fēng)效應(yīng)和空氣勢(shì)壓差抽吸、稀釋和排放倉內(nèi)瓦斯，見圖1。

圖1 圓筒倉開孔和自然通風(fēng)管斷面效果示意圖

2)同樣在矩形倉倉壁靠近上部樓板約1 m處，沿倉壁均勻開孔若干(數(shù)量依倉體大小而定)，孔徑大小為1 000 mm×800 mm(可視情況進(jìn)行調(diào)整)。

在倉上樓板和倉頂合適位置開孔，安設(shè)自然通風(fēng)管(管徑≥400 mm)至房頂室外，管口帶防雨帽，見圖2。

圖2 矩形倉通風(fēng)管路改造后自然抽風(fēng)、瓦斯排放效果示意圖

在圖1，圖2中，展示出煤倉中自然抽風(fēng)系統(tǒng)抽吸、稀釋、排放瓦斯的全過程。

具體過程為：新鮮風(fēng)流從倉壁孔洞中進(jìn)入［動(dòng)力來源于豎直通風(fēng)管的焚風(fēng)效應(yīng)和瓦斯(小于空氣密度)自動(dòng)上升的帶動(dòng)作用，以及室內(nèi)外空氣勢(shì)壓差］，在稀釋倉內(nèi)瓦斯的同時(shí)，上升風(fēng)流裹挾著瓦斯被抽入豎直通風(fēng)管內(nèi)，隨后被迅速排至大氣中。

塊倉現(xiàn)有通風(fēng)管路優(yōu)化后，在不影響原有通風(fēng)系統(tǒng)的情況下，自然通風(fēng)系統(tǒng)的管路布局圖見圖3。

2.2 停風(fēng)機(jī)測(cè)試自然通風(fēng)系統(tǒng)

為測(cè)試圖3中所示的自然通風(fēng)系統(tǒng)的效果，在通風(fēng)、機(jī)電、安全等相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員配合下，進(jìn)行了為期20天的停風(fēng)機(jī)測(cè)試，即停掉倉上風(fēng)機(jī)，僅依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)來排放和控制瓦斯的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)只作為安全備用(如果瓦斯?jié)舛冗^高，超過0.8%時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)瓦斯低于0.6時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn))。

1)具體做法如下：

a)將塊倉8個(gè)瓦斯傳感器(編號(hào)為：WS5～WS12)分成2組，4個(gè)在倉中(深度約2 m)，4個(gè)在直通管內(nèi)出口部位(距管口約0.3 m處)。

b)按照倉位順序，每次測(cè)試4個(gè)煤倉，每個(gè)倉測(cè)試5天。

圖3 塊倉上通風(fēng)管路改造后整個(gè)自然通風(fēng)系統(tǒng)俯視圖

c)除收集8個(gè)瓦斯傳感器測(cè)試期間的所有變化曲線外，還要求人工定時(shí)、定點(diǎn)用瓦檢儀測(cè)量倉口瓦斯，并做好記錄，同時(shí)記清煤倉倉位。

2)測(cè)試數(shù)據(jù)分析：

a)現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)試數(shù)據(jù)分析。每4個(gè)倉為1個(gè)單元，測(cè)試5天，形成1組數(shù)據(jù)。下面僅以508、509、510、511倉(2個(gè)小塊倉、2個(gè)中塊倉)為例，人工測(cè)量數(shù)據(jù)曲線見圖4。

由508、509、510、511 倉曲線、數(shù)據(jù)分析說明：

各倉位在9～11 m范圍內(nèi);數(shù)值均小于等于0.12%，處于正常波動(dòng)范圍內(nèi);最大值為0.12%，時(shí)間為6月15日0：00，地點(diǎn)509倉，當(dāng)時(shí)正在入倉。

通過以上人工測(cè)試數(shù)據(jù)分析得知：在6月12日到7月2日20天的停風(fēng)機(jī)測(cè)試期間，全部16個(gè)塊倉(8個(gè)中塊、8個(gè)小塊)現(xiàn)場(chǎng)人員(包括瓦檢員)測(cè)得的數(shù)值均未超過0.45%，最高為0.42%;且絕大多數(shù)時(shí)間(約占95%)處于0.15%以下。

b)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)分析。

倉上8臺(tái)瓦斯傳感器(WS5～WS12)分2組每5天測(cè)試4個(gè)倉。4個(gè)探頭在倉內(nèi)，4個(gè)探頭在對(duì)應(yīng)倉的直通管內(nèi)，具體分布情況見表1。

3)以較典型的WS5、WS6為例加以說明：

圖4 508、509、510、511 倉人工測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖

a)WS5在整個(gè)測(cè)試期間瓦斯變化情況。WS5探頭曲線顯示：測(cè)試期間該探頭始終在小塊倉內(nèi)(511、513、517、521)，曲線基本在 0 ～ 0.15% 之間波動(dòng)，4 個(gè)高值(2.47%、0.81%、1.114%、1.1%)均為瓦斯閉鎖試驗(yàn)。

b)WS6在整個(gè)測(cè)試期間瓦斯變化情況。WS6探頭曲線顯示：測(cè)試期間該探頭始終在小塊直通管內(nèi)(511、513、519、523)，曲線基本在 0.15% ～0.45%之間波動(dòng)，10次超過 0.45%，8次超過 0.5%，超過0.6%的僅一次，即6月17日7：49，正在入519倉(倉位10 m)時(shí)瞬間達(dá)到0.68%。

通過WS5(始終在小塊倉內(nèi))和WS6(始終在小塊倉直通管內(nèi))曲線對(duì)比，可以明顯看出：小塊倉直通管內(nèi)瓦斯明顯高于倉內(nèi)瓦斯，說明直通管有顯著的聚集和排放瓦斯的效果。

通過上面8臺(tái)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)分析得知：在20天的停風(fēng)機(jī)測(cè)試期間，全部16個(gè)塊倉(含直通管內(nèi))、8個(gè)探頭測(cè)得的數(shù)值(除瓦斯閉鎖試驗(yàn)外)均未超過0.8%，最高為0.75%(僅一次);0.6% ～0.7%7次，0.5% ～0.6%2次，且絕大多數(shù)時(shí)間(約占99%)處于 0.5%以下。其中，管內(nèi)數(shù)據(jù)平均值約為0.26%，最高值為0.75%;倉內(nèi)數(shù)據(jù)平均值約為0.15%，最高值為0.69%。同樣說明直通管有顯著的聚集和排放瓦斯的效果，完全達(dá)到了最初改造和優(yōu)化管路的目的，實(shí)現(xiàn)了依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)替代強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)試目標(biāo)。

表1 瓦斯傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

分析整個(gè)測(cè)試過程和所有數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果：

1)不用風(fēng)機(jī)，完全依靠自然通風(fēng)可以將倉內(nèi)瓦斯保持在一個(gè)安全范圍(小于0.5%)，最高也不會(huì)超過0.7%，甚至更低。

2)直通管內(nèi)瓦斯明顯高于倉內(nèi)瓦斯，說明直通管有明顯的聚集和排放瓦斯的效果。且由于不使用風(fēng)機(jī)，即使管內(nèi)瓦斯高于倉內(nèi)，也不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

3)測(cè)試期間，倉內(nèi)瓦斯最高值為0.69%，該值發(fā)生在6月17日6：25，正在入514倉時(shí)(倉位6 m)，514倉內(nèi)的WS10探頭測(cè)得瓦斯0.69%;放在514倉直通管內(nèi)的WS9在6：29測(cè)得瓦斯為0.613%。而在這之前，6月17日5：59，正在放515倉(倉位5 m)時(shí)，放在515直通管內(nèi)的WS7測(cè)得管內(nèi)瓦斯0.75%(這是整個(gè)測(cè)試期間測(cè)得的最高值);6月17日7：49，正在放515倉(倉位7 m)時(shí)，放在515倉內(nèi)的WS8測(cè)得倉內(nèi)瓦斯達(dá)到0.60%。需要說明的是，514倉和515倉是相鄰倉的關(guān)系，且2個(gè)倉共用倉壁的上部有3個(gè)800 mm×1 000 mm的孔洞相通(這是為了東西方向的風(fēng)流能順利通過，并抽吸瓦斯而專門開的孔洞。實(shí)際上，所有中小塊相鄰倉之間均有類似孔洞);而幾乎在同一時(shí)刻，6月17日7：49，正在入519倉時(shí)，放在519倉直通管內(nèi)的 WS6探頭測(cè)得瓦斯0.68%。

上述情況說明：在測(cè)試期間超過0.6%的全部8個(gè)數(shù)據(jù)中，有5個(gè)數(shù)據(jù)幾乎發(fā)生在同一時(shí)刻，即6月17日5：59～7：49不到2 h期間。此時(shí)，塊倉運(yùn)行狀態(tài)為：514倉正在入倉(倉位6 m)，515倉正在放倉(倉位從5 m變?yōu)? m)，519倉(倉位10 m)正在入倉，519倉和515倉僅隔一個(gè)517倉(當(dāng)時(shí)517倉中和管中均沒有探頭)。其實(shí)，為不改變?cè)L(fēng)系統(tǒng)，所有小塊倉和所有中塊倉的直通管都是相通的，因此，515和519(都是小塊倉)也存在瓦斯互相影響、相互疊加的問題。

由此，暴露出一個(gè)問題：塊倉入倉、放倉時(shí)，要避免在相鄰倉(包括相鄰的中小塊倉)同時(shí)進(jìn)行，以致疊加產(chǎn)生瓦斯超限。如果做到，超過0.6%的8個(gè)數(shù)據(jù)中至少會(huì)去掉 5個(gè)(包含 0.75%、0.69%、0.68%等3個(gè)高值)，這樣更說明了塊倉自然通風(fēng)系統(tǒng)的有效性和可靠性。另外，如果能夠做到徹底將倉上風(fēng)機(jī)、連通管全部撤掉的話，或在每一個(gè)四通處加裝閥門的話，這樣每一個(gè)倉的直通管就獨(dú)立出來了，不僅不會(huì)再出現(xiàn)相鄰倉瓦斯疊加問題，而且會(huì)強(qiáng)化直通管的負(fù)壓抽吸作用，那樣，整個(gè)自然抽風(fēng)系統(tǒng)的效果將會(huì)得到進(jìn)一步改善。

4 煤倉瓦斯異常規(guī)律及對(duì)策

通過此次測(cè)試和長期經(jīng)驗(yàn)積累，發(fā)現(xiàn)煤倉瓦斯異常存在以下規(guī)律：

1)入倉、放倉時(shí)，由于煤體釋放的瓦斯量相對(duì)增大，加上煤流擾動(dòng)，倉內(nèi)瓦斯波動(dòng)較大，這是瓦斯表現(xiàn)異常的主要因素。

2)倉位較高時(shí)(高于7 m)，由于煤倉上部空間變小，風(fēng)流不暢，且落煤點(diǎn)位置較高，阻擋和擾亂風(fēng)流，致使倉內(nèi)瓦斯被自然風(fēng)流抽吸帶走的效果變差，瓦斯表現(xiàn)相對(duì)異常。

3)環(huán)境溫度和室外風(fēng)向、風(fēng)力的影響：春秋兩季晝夜溫差大，風(fēng)力較強(qiáng)，對(duì)瓦斯自然排放影響較大，瓦斯異常較為增多。夏季風(fēng)力較小，也會(huì)影響到倉中瓦斯排放效果。

因此，只要針對(duì)上述規(guī)律，采取應(yīng)對(duì)措施，合理安排放倉、入倉等運(yùn)行方式和有效控制倉位，就能使塊倉自然抽風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮最大效用。

5 實(shí)施后的效果

該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施后帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯：

1)正常情況下，依靠自然通風(fēng)基本可以滿足控制倉內(nèi)瓦斯的需要，即使偶爾瓦斯過高(如放倉時(shí)或其他情況)，仍可以依靠風(fēng)機(jī)排放，完全可以做到安全可靠地控制瓦斯。與此同時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間將大大縮短，約為原來的5%;而且機(jī)械損耗和電力成本也將大為降低(約為原來的5%)。

2)自然通風(fēng)控制瓦斯還可以減少由于機(jī)電事故導(dǎo)致的瓦斯超限事故，提升安全生產(chǎn)水平。

3)由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間少，也會(huì)減少由于風(fēng)機(jī)故障(如葉片變形、松曠導(dǎo)致的摩擦火花)引發(fā)的瓦斯事故。

4)可以減少維護(hù)檢修的物力人力成本投入，同時(shí)也降低了檢修維護(hù)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5)由于倉中瓦斯得到預(yù)先釋放，緩解了煤倉下口瓦斯聚集超限導(dǎo)致的報(bào)警或斷電事故，使設(shè)備得以安全高效運(yùn)行，提高了裝車效率。

6)風(fēng)機(jī)停用帶來的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)施前，塊倉上現(xiàn)有的10臺(tái)5.5 kW風(fēng)機(jī)，全年耗電量約為50萬kWh。實(shí)施后，至少可省電95%，即47.5萬kWh，如果按0.5 元/kWh 計(jì)算，則可節(jié)約47.5 ×0.5=23.75萬元/年。

7)日常維護(hù)、定期檢修成本下降。如果按每臺(tái)風(fēng)機(jī)價(jià)值1.5萬元，其他附件及各種電纜價(jià)值約6萬元計(jì)算，目前為治理塊倉瓦斯共投入約21萬元;按年投入維護(hù)檢修成本10%、人力成本5%計(jì)算，約可節(jié)省成本21×(10%+5%)×0.95≈3萬元/年。

8)安全效益。實(shí)施后可有效減少報(bào)警斷電次數(shù)，甚至為零，由此帶來的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益巨大。

此次塊倉通風(fēng)管路改造和停風(fēng)機(jī)測(cè)試，只是成莊礦洗選廠利用自然通風(fēng)治理煤倉瓦斯的一個(gè)方面的嘗試。從2009年開始該廠就一直在積極探索煤倉瓦斯治理新途徑，依靠倉壁開孔和增設(shè)直接通風(fēng)管等一系列技術(shù)手段就是其中的一條重要途徑。目前，在塊倉上完成的這套自然通風(fēng)系統(tǒng)，通過停風(fēng)機(jī)瓦斯測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明：在停掉風(fēng)機(jī)，僅依靠塊倉自然抽風(fēng)系統(tǒng)(即由倉壁孔洞和豎直通風(fēng)管構(gòu)成的依靠自然風(fēng)壓形成的抽風(fēng)系統(tǒng))的情況下，完全能夠?qū)崿F(xiàn)有效排放煤倉瓦斯、控制倉中瓦斯?jié)舛鹊哪康模_(dá)到瓦斯不報(bào)警、不超限的安全管控目標(biāo)。不僅節(jié)省了費(fèi)用，還環(huán)保高效、安全可靠，為高瓦斯礦井洗選廠煤倉瓦斯治理探索出一條新途徑。

6 治理煤倉瓦斯的研究方向和實(shí)施步驟

1)鑒于當(dāng)前塊倉自然通風(fēng)系統(tǒng)排放和控制瓦斯的良好效果，可以利用塊倉上的瓦斯傳感器來控制風(fēng)機(jī)啟停(如設(shè)定0.4%或0.5%風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng))。正常情況下，所有風(fēng)機(jī)停運(yùn)，依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)排放和控制瓦斯;當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%或0.5%時(shí)，由環(huán)境探頭控制風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，排放和控制瓦斯。

2)運(yùn)行一段時(shí)間(如0.5～1年)后，如果效果穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)很少運(yùn)行甚至從未運(yùn)行，建議撤掉塊倉上大部分風(fēng)機(jī)，僅保留1～2臺(tái)風(fēng)機(jī)(或更換為大功率風(fēng)機(jī))，仍由瓦斯傳感器控制風(fēng)機(jī)啟停，按上面的運(yùn)行方式運(yùn)行。

3)按照步驟二運(yùn)行一段時(shí)間(如0.5～1年)后，如果效果仍然穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)很少運(yùn)行甚至從未運(yùn)行，建議撤掉塊倉上全部風(fēng)機(jī)和橫向連通管，使各倉的直通管完全獨(dú)立出來，強(qiáng)化直通管的負(fù)壓抽吸效果，完全依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)排放和控制塊倉瓦斯，并利用環(huán)境探頭和人工測(cè)量監(jiān)測(cè)瓦斯?fàn)顩r。

在塊倉改造取得良好效果后，可在洗選廠其它瓦斯積聚區(qū)域，如末煤倉上下、矸倉等處進(jìn)行推廣和應(yīng)用。