礦井間斷通風(fēng)瓦斯積聚機理及防治研究

王晶

摘 要：本文以馬蘭礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究背景，分析了現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)下間斷通風(fēng)的原因和瓦斯積聚危害，進行了數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場應(yīng)用，在運行的過程中，風(fēng)機運行無故障，工作面瓦斯含量測量正常，整個通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增強，為安全生產(chǎn)提供了保障。

關(guān)鍵詞：間斷通風(fēng);瓦斯積聚;數(shù)值模擬

在礦井通風(fēng)倒機過程中，往往會造成間斷通風(fēng)現(xiàn)象，間斷通風(fēng)引起的瓦斯積聚對安全生產(chǎn)有一定威脅，因此進行相關(guān)研究很有必要。本文結(jié)合馬蘭礦進行間斷通風(fēng)瓦斯積聚防治研究，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過實踐證明了改進后的通風(fēng)方案可以有效降低間斷通風(fēng)引起的瓦斯積聚現(xiàn)象，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 間斷通風(fēng)產(chǎn)生原因

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)機性能的穩(wěn)定性以及風(fēng)壓是影響通風(fēng)穩(wěn)定性的主要因素，通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定主要分為通風(fēng)正常時期的不穩(wěn)定和通風(fēng)異常時期不穩(wěn)定兩種。通風(fēng)異常時期的不穩(wěn)定主要是因為礦井災(zāi)變使得正常通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，通風(fēng)正常時期的不穩(wěn)定主要是因為通風(fēng)機動力不足造成，結(jié)合馬蘭礦實際通風(fēng)狀況，通風(fēng)正常時期出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象造成瓦斯積聚的現(xiàn)象。

通風(fēng)機是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的動力來源，良好的通風(fēng)可以有效降低生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體，為巷道提供新鮮風(fēng)流，對于改善礦井開采環(huán)境為工人創(chuàng)造良好工作條件有重要意義。因為井下工作環(huán)境較為惡劣，多種因素造成通風(fēng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定即出現(xiàn)間斷通風(fēng)現(xiàn)象。以馬蘭礦生產(chǎn)經(jīng)驗來看，造成間斷通風(fēng)的因素如下：

①因為通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜且通風(fēng)線路長，當(dāng)通風(fēng)機處于污濁氣流中，通風(fēng)機的工作電壓以及電流較高使得備用電機啟用，在通風(fēng)機重啟的過程中出現(xiàn)間斷通風(fēng)的現(xiàn)象;在備用電源啟動以及恢復(fù)的過程中，主通風(fēng)機出現(xiàn)一啟一停現(xiàn)象，造成間斷通風(fēng);

②通風(fēng)阻力是造成間斷通風(fēng)的另一原因，即使通風(fēng)機不出現(xiàn)一啟一停現(xiàn)象，因為井巷壁面的阻滯作用以及氣體流動的粘滯性也會造成通風(fēng)阻力的波動，當(dāng)同分阻力波動較大時，使得通風(fēng)機長期處于喘振中，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失穩(wěn)，長時間造成設(shè)備的損壞，進而出現(xiàn)間斷通風(fēng)現(xiàn)象;

③倒機是礦井間斷通風(fēng)最常見的因素，馬蘭礦通風(fēng)機的倒換順序為主通風(fēng)機停止隨后啟用備用通風(fēng)機，根據(jù)礦井操作過程，備用風(fēng)機的啟動時間必須在10min之內(nèi)，當(dāng)?shù)箼C過程中備用風(fēng)機無法運轉(zhuǎn)時造成通風(fēng)系統(tǒng)的長時間間斷，即使備用風(fēng)機可以有效運轉(zhuǎn)礦井也會出現(xiàn)短暫的間斷通風(fēng)狀況，在較短的間斷通風(fēng)下，礦井瓦斯積聚增量明顯，影響到安全生產(chǎn)。

礦井間斷通風(fēng)會造成致命性失穩(wěn)和非致命性失穩(wěn)兩種，非致命性失穩(wěn)只會造成通風(fēng)量不足以及通風(fēng)斷續(xù)的問題，不會影響到生產(chǎn)的進行，致命性失穩(wěn)對生產(chǎn)以及工作人員的生命安全構(gòu)成威脅。非致命性失穩(wěn)會逐漸轉(zhuǎn)化為致命性失穩(wěn)，因此需要及時治理。

馬蘭礦采用抽出式通風(fēng)，在抽出式通風(fēng)下，氣體經(jīng)過進風(fēng)巷進入巷道，經(jīng)過煤層開采區(qū)域，最后經(jīng)過回風(fēng)巷道排入到空氣中。在通風(fēng)機的倒機過程中，涉及到主通風(fēng)機和備用風(fēng)機的啟動停止，必須先關(guān)閉主通風(fēng)機的閥門后才可打開備用通風(fēng)機，在閥門啟動關(guān)閉的過程中，操作時間必須控制在10min之內(nèi)。

圖1為工作面通風(fēng)瓦斯積聚示意圖，在工作面推進的過程中，必須進行瓦斯預(yù)抽工作保證生產(chǎn)的安全進行，在瓦斯預(yù)抽工作中，需要進行鉆孔工作改進煤層之間的連通性，增強氣體在煤層之間的流通性，加快瓦斯等氣體在煤層之間的擴散。進行瓦斯預(yù)抽工作主要在工作面進行，隨著工作面的不斷推進，導(dǎo)致鉆孔圍巖條件改變，因此造成瓦斯抽采的難度增加，抽采精度的下降使得部分瓦斯流進新風(fēng)中，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時，使得工作面以及工作面上隅角瓦斯含量超高。

2 間斷通風(fēng)瓦斯?jié)B透規(guī)律研究

礦井出現(xiàn)間斷通風(fēng)后，短時間內(nèi)工作面以及進風(fēng)回風(fēng)巷出現(xiàn)瓦斯含量超標(biāo)的現(xiàn)象，因此對流場空間進行瓦斯?jié)舛纫?guī)律演化研究就顯得尤為重要。根據(jù)馬蘭礦實際開采狀況，模擬中選擇工作面和采空區(qū)進行研究，工作面長度約為148m，煤層埋深約為750m，煤層的平均厚度為3.85m，煤層內(nèi)瓦斯的平均壓力為1.95MPa，瓦斯平均濃度值為8.5m3/t。

為了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法將數(shù)值計算模型劃分為6個區(qū)域，6個區(qū)域分別為采空區(qū)區(qū)域、回風(fēng)巷道區(qū)域、兩個進風(fēng)巷道區(qū)域、煤體結(jié)構(gòu)區(qū)域以及瓦斯抽放區(qū)域。因為煤體較為致密，為了實現(xiàn)氣體的高流動特性，所以必須保證網(wǎng)格劃分的精度，因為采空區(qū)、進風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道的尺寸相對較大，因此網(wǎng)格劃分的數(shù)量相對較小，通過這種結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法實現(xiàn)了計算的高效率，通過將不同區(qū)域的網(wǎng)格連接起來，實現(xiàn)了數(shù)值計算模型整體網(wǎng)格的劃分，圖2為煤體網(wǎng)格劃分局部放大圖。

影響瓦斯涌出的因素主要有煤層氣壓和地應(yīng)力構(gòu)成，煤層地壓使得瓦斯氣體在壓力作用下移動，地應(yīng)力使煤體破碎，為氣體的運移提供了便利通道，在數(shù)值模擬的過程中，設(shè)置瓦斯含量受煤層瓦斯含量和煤壁孔隙率影響，因此假設(shè)煤體孔隙率為7.4%，煤層中瓦斯含量為8.38m3/t。數(shù)值模擬分別模擬了通風(fēng)速度為0.25 m/s、1.4m/s、2.55m/s采空區(qū)瓦斯氣體濃度變化。當(dāng)進風(fēng)巷道中通風(fēng)速度為0.25 m/s時，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，在采空區(qū)深部瓦斯含量較低，其余地方的瓦斯含量均勻，維持在0.59%左右，由此可見，較低的通風(fēng)速度加快了采空區(qū)瓦斯的聚集，當(dāng)通風(fēng)速度為1.4 m/s和2.55m/s時，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，且靠近采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛纫草^高，在回風(fēng)巷道一側(cè)出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，形成了高濃度瓦斯區(qū)。

3 連續(xù)通風(fēng)技術(shù)研究與應(yīng)用

馬蘭礦已有的通風(fēng)模式有諸多問題，在風(fēng)機開關(guān)的過程中，礦井中通風(fēng)不足導(dǎo)致在10min內(nèi)瓦斯含量急劇上升，因此對通風(fēng)系統(tǒng)進行改進，使用電動機驅(qū)動減速機聯(lián)軸器保證電機的良好性能，同時利用輔助平衡器減少通風(fēng)機開關(guān)開啟過程中的工作阻力，保證風(fēng)壓的穩(wěn)定性，同時在風(fēng)壓門處安裝蝶形節(jié)氣門，控制風(fēng)門開閉的時間同時減少了風(fēng)扇振動和電機堵塞的問題，加快了雙機重排的速度。

改進后的通風(fēng)系統(tǒng)進行了現(xiàn)場試驗，5s時一級電機水平振動1.265mm/s，二級電機水平振動1.358mm/s，流量158.36m3/s;15s時一級電機水平振動1.312mm/s，二級電機水平振動1.547mm/s，流量134.25m3/s;30s時一級電機水平振動1.362mm/s，二級電機水平振動1.214mm/s，流量82.36m3/s。

現(xiàn)場觀測，改進后的通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)了在1min內(nèi)重啟主通風(fēng)機，相較原來的210s時間有明顯的改善，且在倒機的過程中，礦井實測的流量較低且變化范圍較小，且工作面風(fēng)速有所下降，最小風(fēng)速為0.99m/s，沒有擋風(fēng)條件，在運行的過程中，風(fēng)機運行無故障，工作面瓦斯含量測量正常，整個通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增強。

4 結(jié)論

本文根據(jù)馬蘭礦已有通風(fēng)系統(tǒng)間斷通風(fēng)造成瓦斯積聚明顯的問題進行了原因分析，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)進風(fēng)巷道風(fēng)速較低時，氣流對煤壁影響較小，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，當(dāng)風(fēng)速提高時，回風(fēng)巷道一側(cè)出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，形成了高濃度瓦斯區(qū)。通過對通風(fēng)系統(tǒng)的改進和應(yīng)用，實現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性并有效降低了高濃度瓦斯區(qū)的含量，滿足安全生產(chǎn)的條件。