災變調風對采場煤自燃及瓦斯綜合治理實驗研究

王志忠

摘 要：本文以斷層對鎮城底礦22618工作面開采影響為切入點，通過理論分析以及試驗研究，得到了災變調風方法，通過現場應用，對工作面有毒有害氣體涌出異常以及采空區煤體自燃等現象有良好的控制效果。

關鍵詞：災變調風;氣體涌出異常;采空區煤體自燃

1 引言

礦井煤與瓦斯自燃是礦井的重大災害之一，目前針對這一問題只要通過采場調風解決，國內的礦井主要通過人工操作完成，隨著礦井開采能力的提升，由人工操作進行調風的舉措并不能達到良好的效果且操作復雜。雖然部分礦井實現了人工遙控操作調風，實現了遠距離的嚴控操作，但是并沒有實現高精度的監測，往往容易通風故障診斷錯誤。本文通過理論分析以及實踐應用，在鎮城底礦22618工作面實現了精確的測量且成功解決了采場煤自燃及瓦斯問題，值得推廣。

2 采場調風理論及自動監測調控方法研究

2.1 采場調風理論

礦井工作面因為回采、放頂以及周期來壓等原因，使得工作面附近瓦斯涌出量較大，一旦工作面發生火災，傳統的瓦斯治理方法往往不能起到良好的效果，通過改變通風頻率來增大工作面的通風量以稀釋有毒有害氣體是一種高效的預防治理方法;此外，隨著采空區的垮落，采空區存在大量的遺煤以及充分的氧氣，改變工作面的通風量可以有效的降低采空區煤體的燃燒，將易燃點轉化為窒息點，從而減少采空區火災的發生。為此，本文針對22618工作面煤與瓦斯突出以及采空區復燃等現象，提出工作面變頻調風的方法以解決此類問題。

礦井通風主要是通過變頻調速器實現，通過改變變頻調速器的功率實現對風機速度的調節。圖1為變頻調速風量風壓變化曲線，借助圖1闡述采場調風理論：

①當工作面因為采動影響出現瓦斯涌出量異常時，需要立即增加通風機的通風量稀釋瓦斯，此時N2風量風壓曲線與風阻曲線R0的交點a為工況點，工況點對應的風量以及風壓才能實現稀釋瓦斯的目的。礦井可通過實際檢測數據以及網絡計算得到此值，借助PLC控制器實現遠程變頻調風的操作;

②當工作面瓦斯涌出量極低時，需要降低礦井的通風量以減少能源的消耗。此時N3風量風壓曲線與風阻曲線R0的交點c為工況點，工況點對應的風量以及風壓值是理想通風效果。此時，增加礦井的通風阻力可以實現降低通風量的目的，從而滿足通風的目的。

2.2 采場調風自動監測調控方法

采場調風自動檢測調控系統主要由PLC 控制器、網絡通信模塊、變頻調節系統、監控調節系統、顯示器以及服務器等組成。當礦井因為通風量不足或者通風量過大時，應首先采用局部風阻調節方法，實現調節風量的目的。

當工作面瓦斯涌出量異常時，應該采用變頻調風的方法，根據通風系統各分支的通風量，迭代計算出總通風量，根據此值，計算通風量下風機所需的通風頻率，通過PLC控制器發出的指令，變頻風機調節通風機的頻率，從而實現實時調節風量的目的，從而稀釋瓦斯保證生產的安全進行。

3 變頻自動調風治理采面瓦斯涌出超限的實驗研究

隨著開采深度的增加，礦井地質條件發生變化，在采空區頂板的垮落過程中，極易造成瓦斯涌出量增加，因為種種因素，瓦斯涌出在時間以及空間上都有差異。

為檢驗治理采面瓦斯涌出超限進行實驗，通過將CO2儲氣瓶代替甲烷進行試驗以保證實驗過程的安全性，通過減壓閥以及流量控制器等設備將儲氣瓶中的CO2氣體從進風巷釋放到官網內，通過與工作面附近氣體的混合，經回風巷排出，排出的氣體經過CO2紅外檢測儀測量。實驗中采用質量流量控制器檢測氣體流量并對其進行控制，以此模擬瓦斯涌出量的不確定性。實驗中采用二氧化碳傳感器對實驗過程中的溫度進行補償，檢測得到的數據可以以電信號的形式輸出，通過顯示系統顯示以便實時觀察。實驗得到表1所示的變頻調風回風巷CO2氣體數據：

從表1中可以看出：

①當通風機的運行頻率一樣時，CO2氣體初始釋放量越大，回風巷道最終CO2濃度值就越高，雖然通風機的通風頻率增加可以有效的降低CO2氣體的濃度值，但是大多數時候氣體濃度值偏高，影響生產的安全進行。

②同一CO2氣體初始釋放量條件下，通風機的運行頻率越高，回風巷道最終CO2濃度值越低，整體來看，氣體濃度值隨通風頻率的增加呈現冪指數的降低趨勢。例如當CO2氣體初始釋放量為25 L/min時，通風機運行頻率為10Hz時，回風巷道最終CO2濃度值為2.24%;當通風機的運行頻率增加至15Hz時，回風巷道最終CO2濃度值降為1.23%，逐漸增加通風機的運行頻率，當通風機的運行頻率達到50Hz時，回風巷道最終CO2濃度值為0.34%，與10Hz通風頻率相比較，降幅達到72.36%。對于工作面瓦斯涌出量涌出異常，變頻調速方法可以有效的降低瓦斯的含量，保障了工作面的安全生產。

③回風巷道最終CO2濃度值為0.5%是臨界值，從實驗結果倆看，通風機的運行頻率最低25Hz，最高40Hz才能將CO2濃度值降到0.5%以下，可以總結為CO2氣體初始釋放量越大，為滿足安全生產，通風機的運行頻率就應該越高才能滿足足夠的通風量。

4 實踐效果分析

為驗證治理效果，鎮城底礦于2018年測定22618回采工作面最大瓦斯涌出量132.5m3/min，礦井絕對瓦斯涌出量321.2m3/min，礦井相對瓦斯涌出量52.35m3/t;2019年測定回采工作面最大瓦斯涌出量121.3m3/min，礦井絕對瓦斯涌出量423.3m3/min，礦井相對瓦斯涌出量45.2m3/t。

針對該工作面，在回風巷以及聯絡巷之間設置風門以便風量的調節，因為在回采的過程中，工作面遇到斷層使得巷道中的CO氣體濃度值達到34 ppm，且采空區部分區域發現遺煤自燃的現象，根據此現象，在聯絡巷以及回風巷出口位置分別安裝了傳感器監測氣體濃度以及溫度的變化，此后通過聯絡巷的風門減小了通風量，使得采空區漏風減少，在失去氧氣的情況下，采空區自燃現象消除。對于工作面有毒有害氣體濃度增加的現象，關閉聯絡巷后使得采空區漏風量減少，雖然在短時間內CO氣體濃度出現小幅度增加，但是隨著時間的推移，CO氣體濃度逐漸減小，一周后降低為3 ppm，成功解決了采空區煤體的燃燒，此后，為了保證工作面瓦斯涌出量的正常，加大了通風機的運行頻率，降低了瓦斯濃度。通過減小通風量和增大通風量的方法，成功解決了有毒有害氣體濃度異常的現象，保證了生產的順利進行。

5 結論

本文以鎮城底礦22618工作面為研究背景，在對采場調風理論及自動監測調控方法研究的基礎上，通過瓦斯涌出超限實驗證明了變頻調風對于降低有毒有害氣體的可行性，通過工業應用，成功的解決了鎮城底礦采空區煤體自燃以及工作面氣體濃度超標的問題，有良好的效果。