煤矿安全生产的基础——矿井通风

煤矿安全生产的基础煤矿安全生产的基础 矿井通风矿井通风 矿井通风是煤矿安全生产的基础 它不但具有向井下各用风地 点输送新鲜风流 保障井下作业人员呼吸的重要功能 同时 还肩负着稀释 排除矿井瓦斯与粉尘以及作业区间的降温等重 任 目前井工煤矿用通风方法排放的瓦斯约占全矿井瓦斯量的 80 90 采煤工作面涌出的瓦斯量的 70 80 也是靠 通风方法排除 同时 通风方法可排除装有抑尘装置采煤工作 面粉尘量的 20 30 排除深井采煤工作面热量的 60 70 供给矿井的新鲜空气的质量约是矿井采煤量的 5 18 倍 由此可见矿井通风在煤矿生产过程中的地位 是矿井中不可缺 少的重要环节 合理的通风是抑制煤炭自然和火灾发展的重要 手段 但如果通风系统布置不合理或管理不当 将恰恰是导致 瓦斯积聚和自然发火以及造成瓦斯 火灾事故进一步扩大的主 要原因 因此提高矿井的通风技术与管理水平是保证矿井正常 生产和安全状况的基本任务之一 抚顺分院是从事矿山安全的大型科技企业 通风是其主导专业 之一 对矿井的通风技术发展和科研工作非常重视 在矿井通 风的基础理论 通风工艺改革 通风的测试仪表和装备方面均 取得了较丰硕的科研成果 在矿井通风系统的改造方面做了大 量的科研工作 提出了通风系统改造标准和方法 在我国首次 将电子计算机应用到通风网络解算中 使极其繁琐和耗时的网 络解算工作变得既简洁又准确 根据矿井通风的特点 研究和 制定了新的供风标准和风量计算办法 通过实验证明研究 提 出了矿井反风期间瓦斯涌出量 反风风量 反风风压以及封闭 区风的变化关系 对旧 规程 1992 年版以前的 原定的反 风率规定作了修改 编制了较完善安全可靠的 反风条例 对矿井反风工作具有实际指导意义 1 矿井通风的基础研究 建院 50 年来 在分院老中青几代科研工作者的共同努力下 在 矿井通风的技术研究方面进行了大量的研究 建立了矿井通风 网络解算的数学模型 并在通风网络解算中首次引入电子计算 机 使复杂网络解算的极其繁琐的数学运算变得便捷 同时 提出了火灾时期风流的非稳定流动状态下的风流温度 压力 速度 密度等参数的变化规律及其相互关系 建立了相应的微 分方程 首次实现了火灾燃烧过程和非稳定过程的联合解算 从而可以掌握火灾时期风流非稳定过程的通风过程及其特性 为防灾救灾提供了科学依据 早期的网络解算计算机程序采用 algol 60 算法语言编写 随着 计算机及其软件技术的发展 我院先后又研究出 fortran basic quickbasic truboc 等不同语言的程序版 本 目前随着 windows 操作系统风靡全球和计算机可视化技术 发展 又研制出用于 windows3 x windows me windows98 windows2000 及 windowsxp 等操作系统下运 行的通风网络解算程序 在实现基本解算功能的基础上 增加 了实用参数查询 单位换算等功能及可视化功能 2 矿井通风实用技术研究 2 1 矿井通风工艺及技术 2 1 1 通风系统优化及矿井主要通风机的经济运行 矿井通风系统是由通风动力及装置 通风井巷网络 风流监测 与控制设施等组成 其基本任务是利用通风动力 以最经济的 方式 向井下各用风地点提供足够 优质的新鲜空气 以保证 井下作业人员的呼吸 安全和改善劳动环境的需要 此外 优 良可靠的通风系统还能在井下发生灾变时 有效 及时地控制 风流及风量 并配合其他措施 防止事故扩大 通常 矿井通风系统在设计时往往是合理和可靠的 但在煤矿 生产延伸 工作面搬迁 新采区的开拓接续工作后 由于通风 系统的巷道联结方式和 风量调节设施的变化 加上井巷和通 风设施的年久失修 通风系统往往就失去了原来的优良性能 甚至还隐藏着重大的隐患 为此 研制了一整套生产矿井通风 技术改造的方法 并制定了矿井通风系统优化评价的指标 随着集约化生产和矿井向深部发展 采区和采煤工作面的绝对 瓦斯涌出量剧增 要求采区和采煤工作面的通风能力迅速增大 对采区的通风系统布置方式进行了改革 提出了 3 条上山的布 置方式 采区内建立了专用回风道 有利于采区内采掘工作面 的独立通风 提高采区的通风能力和风流的稳定性 为保证采 区的局部反风和作业人员的安全脱险 提供了有利条件 在采 煤工作面的通风布置方面 提出了 u l 型方式 或称尾巷布置 方式 改变了采区流场分布 有效地防止了采煤工作面上隅 角瓦斯积聚 加强了采空区瓦斯的排放 为了防止尾巷瓦斯超 限 又提出和采用了 y 型的通风布置方式 可单独供风流直接 稀释采空区涌出的瓦斯 此外还有 w 型和 z 型等布置方式 均 取得了较理想的通风效果 大大地改善了采煤工作面的通风条 件 保证了安全回采 矿井主要通风机是矿井通风的心脏 是矿井通风的主要动力 矿井主要通风机昼夜不停地运转 而且功率也大 因此耗电量 很高 据统计 全国大中型煤矿主要通风机的平均耗电量占全 矿总耗电量的 20 所以 合理地选择和使用主要通风机 实 现主要通风机的经济运行 不仅关系到矿井的安全生产 而且 对提高矿井的经济技术指标有着十分重大的意义 因此 主要 通风机的经济运行也是通风工作的重点之一 针对一些老 旧 杂风机的运行效率低 能耗大的现状 抚顺 分院先后对阳泉三矿 开滦唐山矿 林西矿 沈阳彩屯矿以及 龙口矿务局北皂煤矿 平顶山煤业集团十一矿 平庄煤业集团 五家矿等 20 多个矿井的主要通风机运行情况作了较全面的调查 与测试 找出了影响风机运行效率低的诸多原因 主要有 运行的风机性能与矿井通风网络特性不匹配 使风机的运行工 况大都处于非高效区 主要通风机选型不合理 有的矿井设 计的风量与风压偏大 致使主要通风机选型偏大 风机转速偏 高 电机容量偏大 形成主要通风机处于 大马拉小车 的运行 状态 只能用闸门来控制工况 使风机长期处于低效率运行 矿井通风系统布置不合理 在矿井开拓部署时 没有很好地 考虑矿井的通风能力 有时形成单翼生产的局面 而造成矿井 通风阻力的增大 增大了风机能耗 风机的加工质量和维护 管理条件差 造成风机叶轮的径向间隙大而不均匀 叶片和零 件的锈蚀 前导器等残缺 使风机性能达不到原设计要求 对全国煤矿的主要通风机运行情况作全面调查 在调研和改造 实践的基础上 提出了一整套风机经济运行的办法 包括 对老 旧风机进行多种方法的技术改造 如采取更换机芯和改 造叶轮与叶片等方法 提高风机运行效率 研制适用于我国 煤矿低风压高效区宽的新型风机 研究离心式风机的调速装 置 包括可控硅调速 液力偶合器和变频调速等装置 合理 调整矿井通风系统 使生产达到均衡 使通风网络与风机性能 合理匹配 充分发挥通风机能力 加强通风机及其附属装置 的维护管理 使其保护良好的运行状态 减少风硐 风机内部 和扩散塔的阻力损失的风量漏损 提高了通风机运行的整体效 率 2 1 2 制定了矿井供风标准和风量计算方法 20 世纪 80 年代前 我国一直沿用原苏联按矿井瓦斯等级确定 吨煤供风标准的方法 但在应用过程中发现存在与矿井实际不 符的问题 通过大量的现场调查和对通风目标的研究 提出了 新的供风标准和计算方法 供风标准是以满足作业人员的呼吸 稀释和排除有害气体使其达到规定浓度以及创造良好劳动气候 条件为目标的计算方法 新的计算方法是对采煤 掘进 硐室 和其它用风地点分别按各种供风标准计算 并取其最大需要风 量值 然后 由里向外计算各用风地点 采区和全矿的供风量 这种 实报实销 的计算方法比较符合我国的实际情况 能满足 矿井各用风地点的风量要求 通风比较经济可靠 该方法已被 制定为煤炭行业标准 mt t634 1996 煤矿矿井风量计算方法 2 1 3 可控循环风通风技术 矿井可控循环风技术是将采区回风流通过可控循环风机 经过 净化除尘 消音 监控等方法 使回风巷道中的一部分乏风再 导入采区重新使用 以解决该采区通风能力不足的技术措施 可循环部分的风量大小按需进行控制 该项技术在 20 世纪 80 年代属国内首创 填补了该项技术在国内的空白 通过在肥城 局白庄煤矿 7400 和 7600 采区连续运行至采区结束 主要技术 指标均达到了要求 其中循环风量为 673m3 min 循环率为 30 6 7400 采区风量由原来的 1545 m3 min 增加到 2199 m3 min 7600 采区的风量也增加了 325 m3 min 这项技术的 应用解决了该矿两个采区供风量不足和生产接替紧张的困难 为了保障可控循环风的安全使用 安装了可控循环风机 循环 风道闭锁风门 ch4 和 co 监测装置等安全保障系统 保证了循 环通风的安全运行 可控循环风在白庄矿的应用 取得了显著 的经济效益 该成果 1993 年 12 月通过原煤炭部组织的技术鉴定 技术水平 为国内领先 之后又在陕西省蒲白矿务局的马村和开滦矿务局的唐家庄矿 也先后进行了可控循环通风的试验应用 解决了其矿井通风能 力不足的问题 取得了相当可观的经济效益 2 1 4 矿井反风技术 20 世纪 80 年代未 在原煤炭工业部的领导下 抚顺分院和其 它大专院校对各种类型矿井进行了大量的反风试验 明确了全 矿性反风 区域性反风和局部系统风流反向的应用条件 掌握 了反风道反风 反转反风和利用备用风机的无地道反风等多种 反风方法 在实验的基础上 收集了大量的资料 探索了矿井 反风期间的瓦斯涌量 反风风量 反风风压以及封闭区内的变 化关系 对旧 规程 1992 年版以前的 原定的反风率规定 作了理论和科学的分析 编制了较完善安全可靠的 反风条例 并为新版的 规程 1992 年版 所采用 对更有效地进行 矿井反风工作 具有实际指导意义 2 1 5 深化均压通风技术 实现以风治火 均压通风技术就是使采区的主要漏风通道间的两端风压趋于相 等 从而减少采空区的漏风 达到预防采空区自然发火的目的 我国于 20 世纪 60 年代开始在一些局矿运用这一项技术 根据 采空区所处的位置及漏风情况 研究和运用了多种均压方法 如均压风门 均压风机 均压联通管等多种均压设施以及采取 增加并联分支 角联风道等多种调节方法 均取得了较好的防 灭火效果 以后 80 年代进行了大面积推广 在均压的监测 漏风通道的检查以及均压自动控制等技术方面均有新的发展 使均压通风技术日趋完善和深化 形成了一种独立的 常规的 防灭火工艺技术 2 1 6 矿井火灾时期的风流控制技术 一些事故的发生 常常会破坏原有的正常通风系统 扰乱风流 使事故产生的有毒有害气体波及到其它区域而造成事故灾区的 扩大 因此 自上世纪 80 年代开始 对火灾时期的风流特性进 行了研究 对火灾烟流有害气体的产物 火灾温度的分布 火 风压的计算 火风压对通风网络的影响关系以及风流逆转和逆 退的条件等问题开展了实验和理论研究 初步掌握了火灾烟流 在进巷中的蔓延特征 编制了一些计算软件 并研制了火灾时 期救灾辅助决策专家系统 为火灾时期进行抢险救灾 风流控 制 减小灾情提供了较为科学的依据和手段 通过对采空区火灾事故历史资料分析和处理经验的总结 提出 了控制风流的一些原则 根据上行和下行风流与火区位置的关 系 控制火势和火风压保持原有通风系统和回风流的通畅 以 防止瓦斯积聚和风流逆退的紊乱而引起事故的发生 可以进行 周密计算分析 选取合理的风流控制措施 2 1 7 矿井火灾时期计算机辅助救灾指挥系统 矿井的救灾工作是件非常复杂的工作 有成功的经验 也有失 败的教训 因此为了在 灾害突然发生时 使救灾指挥人员能保持清醒头脑 科学地分 析火灾期间风流演变情况和充分利用过去专家的救灾经验 做 出正确的决策 避免救灾的失误 国内外都曾开展过矿井火灾 救灾专家系统的研究工作 抚顺分院和抚顺矿务局首先合作开 展了此项研究 填补了我国该项技术的空白 属国内首创 获 能源部科技进步三等奖 研制和建立救灾专家系统的目的有 2 个 一是把各方面专家的 救灾成功经验经归纳整理 按火灾的不同性质 部位和处理方 法 分别存储到微机系统中 当矿井发生火灾时可以迅速参考 这些经验 提供有针对性的决策意见 二是应用微机对矿井火 灾时期的风流状态进行计算 对各种控制措施和救灾方案进行 分析 为救灾指挥人员选择救灾方案提供科学依据 一个完备的救灾指挥系统最基本的结构应由知识库 推理机 数据库 人机接口以及解释程序等几部分组成 其主要有以下 6 个方面的功能 1 系统可以计算正常生产状态下的采区内部风量分配和瓦 斯浓度分布 这些计算的结果可用作火灾时期各种计算的基础 2 系统根据火情报告 即可计算出火源点回风侧的风温和 在火灾状态下采区内部的风量和瓦斯动态变化的 3 系统根据火灾在采区的部位 可以有针对性地提示出已 存储在微机中的专家救灾经验 在屏幕上显示出救灾应变要点 供现场救灾指挥人员参考使用 4 在高分辨率的大屏幕上及时地显示出通风系统图 通风 和消防设施的布置 风量分配和瓦斯浓度的分布 火灾烟流蔓 延区域及其变化 以及避灾路线和封闭火区引起的风流状态的 变化等 可以使现场指挥人员对火灾状态有一个直观的和全面 的了解 有利于快速作出正确决策 5 对于采取间接灭火需要封闭火区时 系统具有允许操作 人员采用图上作业方式的功能 提出多个可供选择的封闭方案 并可对每个方案能否引起瓦斯爆炸作出判断 计算出允许救灾 人员安全作业的撤退的时间 以便经分析和比较 从中选出最 佳方案 6 系统可以协助救灾指挥人员选择灾区和邻近威胁区作业 人员脱离火灾的安全避灾路线 并把选择到的路线以图形显示 和打印风道号的方式提示给救灾指挥人员 火灾救灾专家系统的建立 将使救灾工作由过去的经验型向科 学化转变 使事故处理获得最佳效果 2 1 8 矿井通风系统实时闭环监测 分析与决策控制系统 通常 矿井通风系统从监测 分析到决策以及控制 这些环节 都是相互脱节的 如监测系统对通风系统进行监测 然后技术 人员再对通风系统的相关数据进行分析 必要时还要进行人工 测定 和评价 找出不合理的因素 提出改造方案 最后再对 通风系统进行调整和改造 这种从监测 分析到决策控制的开 环过程 需要花费较长的时间 待作出通风系统调整或改造的 决策后 可能原有的通风系统已经改变 监测系统所得到的资 源不能得到及时的利用 这也是一种极大的浪费 矿井通风系统实时闭环监测 分析与决策控制系统正是出于此 目的而研究的 它是将监测系统所得到的数据通过接口提供给 通风系统可靠性 稳定性评价软件模块 软件对通风系统进行 分析评价 并作出调整决策 决策指令再通过接口返回监测系 统 对井下通风设计进行远程控制 实现从监测到分析再到决 策乃至控制的闭环运行 目前该项目正处于攻关阶段 属国家 十五 科技攻关项目 2 2 矿井通风装备研究 2 2 1 可调前导叶的局部通风机 我国煤矿掘进用的局部通风机大都是 jbt 系统通风机 是 20 世 纪 50 年代仿苏的老产品 效率偏低 其最高效率仅 70 实际 应用时 大都低于 50 耗能很大 属淘汰产品 为此 抚顺 分院根据高瓦斯长距离掘进工作面通风的要求 研制了 kjz 55 型可调前导叶子午加速局部通风机 kjz 55 型可调前导叶子午加速局部通风机的结构简单 部件少 由集流器 入口消声段 前导流器 叶轮 后导流器和扩散器 6 部分组成 子午加速风机的特点是叶轮子午流道截面沿着流 动方向逐渐减小 使气流的子午速度逐渐增加 相应地减小了 静压梯度 从而可以避免气流过早地分离 同时 子午速度的 增加可使气流进 出口相对速度比值增大 减少二次流和端壁 损失 因此具有全压系数高 风量系数高 效率高和可调性好 等优点 该风机额定风量为 500 m3 min 额定风压为 4500pa 全压效率 85 噪声 85db a 工况调节可通过调整前导叶和双速 电机实现 2 2 2 矿井风速 风量自动测量仪 抚顺分院于 九五 期间研制了 fc15 1 型矿用风速自动测量仪 和 xdc 防爆型巷道断面激光测量仪 二者既可联合工作又可单 独使用 完成巷道断面积的测量和风速测量 并自动计算出巷 道风量 fc15 1 型矿用风速自动测量仪采用精密微压差变送器 作为压力传感元件 通过皮托管测定风流的速压计算出风速 该仪器采用先进的单片机技术 i 2 总线技术等 能实现测量 计算 存储 通讯等功能 风速测量范围 0 4 15m s 测量误 差 2 连续工作时间 8h xdc 防爆型巷道断面激光测量仪 采用半导体激光器为光源 波长 0 62 0 67nm 它具有体积小 功耗低 发散角小 直观可见的优点 在光路中采用旋转式反 光镜 将可见光束扫描到巷道断面上 实现被测定断面漫反射 信号的自动采取 测长范围 0 2 30m 面积测量范围为 6 30 m2 面积测量精度为 0 25 0 05s s 为待测面积 该套仪器为煤矿通风提供了较先进的风速 风量测量仪器 对 提高矿井通风测量自动化程度具有重要意义 达到国内先进水 平 填补了国内空白 2 2 3 矿井远程控制自动风门 风门是井下控制风流的主要通风建筑物 在井下大量使用 目 前正在使用的风门绝大部分为手动风门 为防止风流短路 常 常采用一根钢丝绳将两道门连接起来 实现风门的闭锁 即打 开了一道风门 另一道风门闭锁不能再开启 只有当第一道风 门关闭后 才能打开下一道风门 随着自动化程度的提高 特 别是为适应矿井通风智能化 远程自控化 风门的结构已经在 向自动风门发展 以达到自动开启与自动关闭的目的 常用的 自动风门有撞杆式 水压式和电动式等多种形式 为了救灾的需要 实行