通風(fēng)模擬在地下煤礦自燃控制中的應(yīng)用 _生活密碼

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文|三魚(yú)錦鯉
編輯|三魚(yú)錦鯉
?——【·前言·】——?
本文討論了長(zhǎng)壁采空區(qū)殘煤自燃是一種長(zhǎng)期的危害，氣流泄漏采空區(qū)是造成危險(xiǎn)的主要驅(qū)動(dòng)因素，當(dāng)長(zhǎng)壁在多個(gè)接層和淺層工作時(shí) ，這一問(wèn)題會(huì)惡化，因?yàn)橛捎陂L(zhǎng)壁面和表面之間的壓力差，采礦引起的裂縫很可能吸引新的氣流進(jìn)入采空區(qū)，為了更批判性地研究這個(gè)問(wèn)題，我們使用一個(gè)通風(fēng)模擬包“Ventsim”在布連塔煤礦進(jìn)行了一個(gè)案例研究。
研究發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)長(zhǎng)壁板的隔離和加壓可以緩解這一問(wèn)題，并可以通過(guò)改變輔助風(fēng)機(jī)的性能和通風(fēng)調(diào)節(jié)器的阻力來(lái)調(diào)節(jié)壓差，增壓通風(fēng)系統(tǒng)也可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)扇工作職責(zé)來(lái)減輕這個(gè)問(wèn)題，通風(fēng)模擬是研究地下煤礦自燃控制的有力工具。

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?——【·項(xiàng)目描述·】——?
根據(jù)鉆井巖心的數(shù)據(jù)解釋、地層露頭情況和已證實(shí)的煤田地質(zhì)資料，對(duì)煤礦的地層學(xué)進(jìn)行了估算，主開(kāi)采煤層12煤層位于上部，另外兩個(gè)主煤層22和31煤層分布在中部，3個(gè)煤層的平均厚度分別為4.1 m、6.8 m和3.2 m，12縫與22縫之間的間距約為32m，22縫與31縫之間的間距約為28 m，礦區(qū)為鄂爾多斯早侏羅統(tǒng)含煤盆地的一部分，盆地未發(fā)現(xiàn)大斷層，該盆地基于繼承型盆地，地層朝向N20～30W，趨勢(shì)為S60-70W，地層坡度由0～3略有變化。

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煤層地面略有波動(dòng)，東部升力平緩，該煤礦的煤層分布緊密，并在非常淺的覆蓋層下作業(yè)，目前該煤礦正在開(kāi)采兩層煤層，即12煤層和22煤層，31煤層隨時(shí)待命，整個(gè)礦井分為五個(gè)部分，每個(gè)部分都有幾個(gè)長(zhǎng)板，1、2段共開(kāi)采了12煤層、22煤層，目前第四段和第五段開(kāi)采12煤層，第三段開(kāi)采22煤層，因?yàn)橐呀?jīng)開(kāi)采了12煤層，認(rèn)為上覆采空區(qū)通過(guò)開(kāi)采誘發(fā)的裂縫相互連接。
受污染的空氣通過(guò)兩個(gè)主排風(fēng)機(jī)排出氣坑，一個(gè)安裝在北排氣軸上，另一個(gè)安裝在南排氣斜面上，新鮮空氣主要來(lái)自進(jìn)氣坡度和進(jìn)風(fēng)井，進(jìn)氣口軸用于第五段，主進(jìn)氣口坡度用于第三段，第四部分的進(jìn)氣軸和進(jìn)氣斜面均提供新鮮空氣。

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自第三段開(kāi)始開(kāi)采面板以來(lái)，已經(jīng)發(fā)生了幾次嚴(yán)重的煤氧化和自熱事件，并最終導(dǎo)致LW22306工作面板發(fā)生一次明火事故，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)來(lái)自12煤層的覆蓋，因?yàn)樽畛鯊你@到12煤層覆蓋的幾個(gè)鉆孔中檢測(cè)到高濃度的CO，大火導(dǎo)致面板關(guān)閉了6個(gè)多月，并花費(fèi)了數(shù)億美元，通過(guò)數(shù)百個(gè)井下入泥漿來(lái)?yè)錅缑姘?。
經(jīng)過(guò)調(diào)查和事故審查后，發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)事故發(fā)生的可能原因，煤炭開(kāi)采的一個(gè)主要后果是地面沉降，并對(duì)上覆或下伏地層產(chǎn)生裂縫和裂縫，在這種情況下，在開(kāi)采了12的煤層后，由于煤層的淺覆蓋，誘發(fā)的裂紋可能已經(jīng)發(fā)展到表面，隨著22煤層的進(jìn)一步開(kāi)采，該煤層開(kāi)采高度越高，可能產(chǎn)生更發(fā)育、更寬的裂紋，這些通道很有可能相互連接并傳播到表面。

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如果存在任何壓力差，這些通道可以作為從表面到主動(dòng)工作面的漏氣路徑，由于該礦井目前采用排氣通風(fēng)方法，工作面內(nèi)氣流的壓力可能遠(yuǎn)低于地表大氣壓，因此，壓力差很有可能通過(guò)這些通道從表面吸引一定數(shù)量的新鮮空氣到活躍的長(zhǎng)壁面，所以保留了約0.5 m的頂部煤，以方便碼頭支撐碼頭，隨著LW的推進(jìn)，煤將留在采空區(qū) 。

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隨著新鮮空氣的持續(xù)供應(yīng)，煤的陰燃隨著煤氧化產(chǎn)生的熱量變成明火，同時(shí)也促進(jìn)了采空區(qū)氣體進(jìn)入工作面，缺氧和高濃度CO氣體的進(jìn)入對(duì)長(zhǎng)壁工作人員的安全構(gòu)成了巨大的威脅，人們已經(jīng)采取了許多做法來(lái)控制這個(gè)問(wèn)題，一種直接的解決方案是用灌漿或漿液注入來(lái)密封這些裂縫。
然而由于兩個(gè)原因，這個(gè)解決方案仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是成本將是巨大的，因?yàn)橛写罅康牧芽p需要處理，另一個(gè)困難是許多隱蔽的裂縫很難被發(fā)現(xiàn)，因此，通過(guò)提高通風(fēng)性能來(lái)最小化表面和通風(fēng)回路之間的壓差將是一個(gè)很有前途的解決方案，這也是本項(xiàng)目的一個(gè)重要舉措。

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?——【·“Ventsim”模型的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證·】——?
解決采礦引起的空氣泄漏的合理方法是減少表面和通風(fēng)回路之間的壓力差，為了量化壓差并更關(guān)鍵地調(diào)查這個(gè)問(wèn)題，我們使用了一個(gè)通風(fēng)模擬程序“Ventsim”來(lái)進(jìn)行案例研究，“‘Ventsim”是地下礦井通風(fēng)模擬中最復(fù)雜的軟件包之一，廣泛應(yīng)用于澳大利亞的許多地下采礦作業(yè)中， ‘’Ventsim“可用于協(xié)助一系列與礦井通風(fēng)相關(guān)的操作，包括礦井通風(fēng)的設(shè)計(jì)、礦井網(wǎng)絡(luò)的分析和優(yōu)化、再循環(huán)通風(fēng)的預(yù)測(cè)和礦井通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)分析。

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通過(guò)導(dǎo)入Autocad DXF文件來(lái)建立幾何模型，該文件包含了整個(gè)礦山的真實(shí)平面圖，在一個(gè)復(fù)雜的DXF繪圖被導(dǎo)入到‘’Ventsim”后，它很可能是斷開(kāi)或重疊的氣道被合并到原始模型數(shù)據(jù)中，在編輯任何氣道之前，有必要進(jìn)行幾何修復(fù)或簡(jiǎn)化，在建立模型后，下一步是為每個(gè)氣道分配各種參數(shù)，包括氣道輪廓、幾何尺寸和摩擦系數(shù) 。

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此外，還應(yīng)將適當(dāng)?shù)淖枇ο禂?shù)分配給通風(fēng)控制裝置，如氣閘、皮帶密封件和通風(fēng)空氣門(mén)，氣道的編輯可以通過(guò)訪問(wèn)編輯框來(lái)完成，然后在主排氣斜面和北排氣軸處分別安裝兩個(gè)排氣風(fēng)機(jī)，在本應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的風(fēng)機(jī)曲線數(shù)據(jù) ，基本模型通過(guò)兩個(gè)步驟進(jìn)行驗(yàn)證，一個(gè)是通過(guò)大多數(shù)重要位置的氣流量，另一個(gè)是檢查沿著關(guān)鍵通風(fēng)路徑的壓力損失，將臨界位置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的空氣流量與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

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沿LW22305、LW12409、LW125193條氣流路徑進(jìn)行了調(diào)查，三個(gè)路徑代表三個(gè)面板部分（分別為第三節(jié)、第四節(jié)和第五節(jié)），并通過(guò)三個(gè)路徑驗(yàn)證壓力損失，因?yàn)榈谌?jié)中的低壓區(qū)是煤自燃和采空區(qū)氣體進(jìn)入方面最危險(xiǎn)的區(qū)域，后續(xù)研究也將集中于LW22307路徑。

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接縫進(jìn)氣主管中的部分新鮮氣流通過(guò)第三段進(jìn)氣主管進(jìn)入第三段長(zhǎng)壁，然后LW22307中的新鮮空氣通過(guò)LW22307混合物和LW22308尾門(mén)供應(yīng)，污染空氣經(jīng)LW22307尾門(mén)吸入三段排氣干，后送至1055級(jí)排氣干，污染空氣通過(guò)南排氣斜面風(fēng)機(jī)排出，從沿LW22307路徑的壓力損失驗(yàn)證可以看出，其總體趨勢(shì)與測(cè)量的LW22305路徑相似，與LW22305路徑相比，由于其流程較長(zhǎng)，壓力損失略有增加，且壓力損失主要發(fā)生在排氣氣道。
工作面的壓力損失超過(guò)200 Pa，工作面與表面的壓差大于200 Pa ，會(huì)吸引大量的新鮮空氣，由于存在200 Pa的壓差，一旦采礦誘導(dǎo)的通道傳播到表面，就進(jìn)入LW工作面，這種壓力差也會(huì)導(dǎo)致采因區(qū)氣體遷移到工作面，并對(duì)地下礦工造成直接危險(xiǎn) 。

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?——【·解決方案和討論】——?
研究表明，低壓面板內(nèi)不同的通風(fēng)方式可能會(huì)導(dǎo)致低壓面板間不同的壓力差，從而影響采空區(qū)的漏氣，為了降低沿LW22307面的壓差，第一個(gè)可能的措施是修改面板內(nèi)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，在本研究中，我們總共提出并分析了7個(gè)場(chǎng)景，從面板內(nèi)各種通風(fēng)方式的壓力損失路徑，可以看出，壓差是無(wú)法消除的，除兩種無(wú)泡通風(fēng)模式外，面壓差差別不大。

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為滿(mǎn)足低水面舒適的工作條件，該煤礦不需要不少于30 m3 /s的新鮮空氣，可以看出，由于“通過(guò)LW22307”的氣流量較少，顯然不合適，但“無(wú)眼瞼同形U”可以輕微降低壓差，“排氣回風(fēng)”和“雙回”通風(fēng)模式能夠?yàn)楣ぷ髅嫣峁┳銐虻目諝猓珘翰畲笥诂F(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)模式。
“無(wú)泡風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)U”可以顯著降低壓差，但氣流量略低于要求，此外，無(wú)泡風(fēng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加整體阻力，因此不適合長(zhǎng)期使用，無(wú)論如何修改網(wǎng)絡(luò)的模式，都不能消除壓差，這是耗盡通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)內(nèi)在缺陷，一旦采礦引起的裂紋發(fā)展到表面，新鮮空氣總是被吸引到工作面，而強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)反之亦然。

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為了降低壓差，同時(shí)向低壓工作面輸送充足的新鮮空氣，提出了一種稱(chēng)為低壓面板加壓的解決方案，解決方案的本質(zhì)是在面板進(jìn)氣口開(kāi)始時(shí)提供一個(gè)正壓力，以抵消過(guò)去氣道中的壓力損失，為了達(dá)到正壓，需要一個(gè)輔助風(fēng)扇和多個(gè)通風(fēng)控制裝置。
在面板進(jìn)氣口開(kāi)始時(shí)，在一個(gè)LW22308回收巷道上安裝一個(gè)輔助風(fēng)扇，在LW22306合并口和LW22307尾門(mén)之間的一個(gè)通道上安裝一個(gè)通風(fēng)調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)壓力和氣流，通風(fēng)調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)節(jié)開(kāi)口的通風(fēng)門(mén) ，加壓LW22307工作面將顯著降低壓差，此外，理想情況下，可以通過(guò)調(diào)整電阻系數(shù)或風(fēng)扇負(fù)荷來(lái)獲得真正的平衡。

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很明顯，在LW22307上，風(fēng)扇的阻力會(huì)增加，隨著更強(qiáng)大的風(fēng)扇和通風(fēng)調(diào)節(jié)器的阻力，壓差從負(fù)演變?yōu)檎虼耍硐肭闆r下可以外推一個(gè)沒(méi)有壓差的中性點(diǎn)，然而，保持低壓板壓力稍正有利于在采空區(qū)內(nèi)容納有毒氣體，從而改善低壓板工作面的工作條件。
調(diào)整到通風(fēng)路徑中間的任何一點(diǎn) ，這樣可以顯著減小低波面和表面之間的壓差，因此，在不同的風(fēng)機(jī)負(fù)荷下模擬了增壓通風(fēng)系統(tǒng)的性能，在進(jìn)氣斜面安裝一個(gè)類(lèi)似容量的強(qiáng)制風(fēng)扇，并通過(guò)增加阻力系數(shù)的大小來(lái)調(diào)節(jié)其他幾個(gè)開(kāi)口，通過(guò)兩個(gè)風(fēng)扇的各種職責(zé)，演示了解決方案。

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可以看出，氣流最初由強(qiáng)迫風(fēng)扇給予一個(gè)正壓，以抵消沿路徑的壓力損失，如果正確調(diào)整風(fēng)扇粉塵，壓差就會(huì)顯著降低，中性點(diǎn)可以通過(guò)操縱風(fēng)扇的工作來(lái)移動(dòng)到任何點(diǎn)，很明顯，隨著風(fēng)機(jī)占空比的下降，氣流量略有減少，但壓差對(duì)風(fēng)機(jī)占空比非常敏感，風(fēng)扇負(fù)荷的10%變化可能極大地改變了低波面的壓差。

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?——【·現(xiàn)場(chǎng)演示·】——?
布利安塔煤礦的LW22307于2014年7月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，隨著檢測(cè)到幾種可能的自加熱發(fā)展和缺氧氣體進(jìn)入工作面的日益嚴(yán)重，該礦決定在2014年底對(duì)LW面板進(jìn)行加壓，以減少空氣泄漏，在回顧了故障模式并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，我們還使用了一個(gè)輔助風(fēng)扇來(lái)提供正壓和相關(guān)的通風(fēng)調(diào)節(jié)器，構(gòu)造用于調(diào)節(jié)穿過(guò)工作面的壓力和氣流，在切除該控制措施后，持續(xù)監(jiān)測(cè)低壓面的漏氣量和氣體成分。

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可以看出，在平衡壓差后，通過(guò)工作面的氣流量略有增加，采空區(qū)的氣流泄漏明顯減少，工作面與LW22307尾門(mén)結(jié)合處的一個(gè)采樣點(diǎn)的氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，氧濃度顯著增加，且與氮濃度呈反比趨勢(shì) ，在實(shí)施控制后，采空區(qū)氣體入口受限，工作條件大大改善，因此，局部加壓低壓板是帶排氣通風(fēng)系統(tǒng)的低壓板控制壓差和自燃危險(xiǎn)的有效措施。

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由于該礦正在持續(xù)運(yùn)行，在開(kāi)采LW22307面板時(shí)，不太可能改變大型通風(fēng)系統(tǒng)，因此，在布利安塔煤礦的論證是不可能完成的，然而，這種方法已成功地應(yīng)用于澳大利亞獵人谷的LW操作，該煤礦也在多煤層和淺覆蓋層中作業(yè)，類(lèi)似于布連塔煤礦的LW作業(yè) 。因此，如果低壓機(jī)組在相同的條件下運(yùn)行（淺覆蓋或多個(gè)煤層，分布緊密），加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)可能是一個(gè)更好的解決方案，因?yàn)樗荒敲磸?fù)雜，并更靈活地調(diào)整中性點(diǎn) 。

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?——【·結(jié)論·】——?
本文采用通風(fēng)模擬包“Ventsim”為案例研究，探討多層和淺層下低壓機(jī)組的漏氣問(wèn)題，在基礎(chǔ)模型的開(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)之后，提出了三種解決方案來(lái)緩解壓差問(wèn)題，我們可得出以下結(jié)論：如果礦井使用純排氣通風(fēng)系統(tǒng)，低W面和表面之間的壓差是一個(gè)內(nèi)在缺陷，無(wú)論如何修改通風(fēng)回路，都無(wú)法消除壓差。

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隔離加壓，可提供工作面足夠的新鮮氣流，同時(shí)降低壓差，這是通過(guò)部署一個(gè)輔助風(fēng)扇和幾個(gè)通風(fēng)調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，理想情況下，如果正確調(diào)整通風(fēng)控制裝置的電阻系數(shù)和輔助風(fēng)扇的負(fù)荷，就可以消除壓差，這個(gè)解決方案已在布利安塔煤礦確定。

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在局部給低壓面板加壓之前，必須采取額外的預(yù)防措施和足夠的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因?yàn)榇罅坎缮葏^(qū)有毒氣體會(huì)立即擊中工作面，對(duì)工作人員造成巨大的危險(xiǎn)，此解決方案更適合于正在進(jìn)行的LW操作，增壓通風(fēng)系統(tǒng)（鼓風(fēng)機(jī)-排氣）也可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)主風(fēng)機(jī)的作用來(lái)降低壓差，理論上，通過(guò)操縱兩個(gè)風(fēng)扇的性能，中性點(diǎn)可以沿壓力損失路徑分布在任意位置。
?——【·參考文獻(xiàn)·】——?
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【通風(fēng)模擬在地下煤礦自燃控制中的應(yīng)用】斯特拉克爾，《世界各地的煤火燃燒失控：造成環(huán)境災(zāi)難的熱力學(xué)配方》，2004年。