災(zāi)變調(diào)風(fēng)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(zhèn)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(zāi)變調(diào)風(fēng)方法，通過現(xiàn)場應(yīng)用，對工作面有毒有害氣體涌出異常以及采空區(qū)煤體自燃等現(xiàn)象有良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：災(zāi)變調(diào)風(fēng);氣體涌出異常;采空區(qū)煤體自燃

1 引言

礦井煤與瓦斯自燃是礦井的重大災(zāi)害之一，目前針對這一問題只要通過采場調(diào)風(fēng)解決，國內(nèi)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(jìn)行調(diào)風(fēng)的舉措并不能達(dá)到良好的效果且操作復(fù)雜。雖然部分礦井實現(xiàn)了人工遙控操作調(diào)風(fēng)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的嚴(yán)控操作，但是并沒有實現(xiàn)高精度的監(jiān)測，往往容易通風(fēng)故障診斷錯誤。本文通過理論分析以及實踐應(yīng)用，在鎮(zhèn)城底礦22618工作面實現(xiàn)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(diào)風(fēng)理論及自動監(jiān)測調(diào)控方法研究

2.1 采場調(diào)風(fēng)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(fā)生火災(zāi)，傳統(tǒng)的瓦斯治理方法往往不能起到良好的效果，通過改變通風(fēng)頻率來增大工作面的通風(fēng)量以稀釋有毒有害氣體是一種高效的預(yù)防治理方法;此外，隨著采空區(qū)的垮落，采空區(qū)存在大量的遺煤以及充分的氧氣，改變工作面的通風(fēng)量可以有效的降低采空區(qū)煤體的燃燒，將易燃點轉(zhuǎn)化為窒息點，從而減少采空區(qū)火災(zāi)的發(fā)生。為此，本文針對22618工作面煤與瓦斯突出以及采空區(qū)復(fù)燃等現(xiàn)象，提出工作面變頻調(diào)風(fēng)的方法以解決此類問題。

礦井通風(fēng)主要是通過變頻調(diào)速器實現(xiàn)，通過改變變頻調(diào)速器的功率實現(xiàn)對風(fēng)機速度的調(diào)節(jié)。圖1為變頻調(diào)速風(fēng)量風(fēng)壓變化曲線，借助圖1闡述采場調(diào)風(fēng)理論：

①當(dāng)工作面因為采動影響出現(xiàn)瓦斯涌出量異常時，需要立即增加通風(fēng)機的通風(fēng)量稀釋瓦斯，此時N2風(fēng)量風(fēng)壓曲線與風(fēng)阻曲線R0的交點a為工況點，工況點對應(yīng)的風(fēng)量以及風(fēng)壓才能實現(xiàn)稀釋瓦斯的目的。礦井可通過實際檢測數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)計算得到此值，借助PLC控制器實現(xiàn)遠(yuǎn)程變頻調(diào)風(fēng)的操作;

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

2.2 采場調(diào)風(fēng)自動監(jiān)測調(diào)控方法

采場調(diào)風(fēng)自動檢測調(diào)控系統(tǒng)主要由PLC 控制器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)、監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)、顯示器以及服務(wù)器等組成。當(dāng)?shù)V井因為通風(fēng)量不足或者通風(fēng)量過大時，應(yīng)首先采用局部風(fēng)阻調(diào)節(jié)方法，實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

當(dāng)工作面瓦斯涌出量異常時，應(yīng)該采用變頻調(diào)風(fēng)的方法，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)各分支的通風(fēng)量，迭代計算出總通風(fēng)量，根據(jù)此值，計算通風(fēng)量下風(fēng)機所需的通風(fēng)頻率，通過PLC控制器發(fā)出的指令，變頻風(fēng)機調(diào)節(jié)通風(fēng)機的頻率，從而實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，從而稀釋瓦斯保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

3 變頻自動調(diào)風(fēng)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(zhì)條件發(fā)生變化，在采空區(qū)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(jìn)行實驗，通過將CO2儲氣瓶代替甲烷進(jìn)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(shè)備將儲氣瓶中的CO2氣體從進(jìn)風(fēng)巷釋放到官網(wǎng)內(nèi)，通過與工作面附近氣體的混合，經(jīng)回風(fēng)巷排出，排出的氣體經(jīng)過CO2紅外檢測儀測量。實驗中采用質(zhì)量流量控制器檢測氣體流量并對其進(jìn)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(jìn)行補償，檢測得到的數(shù)據(jù)可以以電信號的形式輸出，通過顯示系統(tǒng)顯示以便實時觀察。實驗得到表1所示的變頻調(diào)風(fēng)回風(fēng)巷CO2氣體數(shù)據(jù)：

從表1中可以看出：

①當(dāng)通風(fēng)機的運行頻率一樣時，CO2氣體初始釋放量越大，回風(fēng)巷道最終CO2濃度值就越高，雖然通風(fēng)機的通風(fēng)頻率增加可以有效的降低CO2氣體的濃度值，但是大多數(shù)時候氣體濃度值偏高，影響生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

②同一CO2氣體初始釋放量條件下，通風(fēng)機的運行頻率越高，回風(fēng)巷道最終CO2濃度值越低，整體來看，氣體濃度值隨通風(fēng)頻率的增加呈現(xiàn)冪指數(shù)的降低趨勢。例如當(dāng)CO2氣體初始釋放量為25 L/min時，通風(fēng)機運行頻率為10Hz時，回風(fēng)巷道最終CO2濃度值為2.24%;當(dāng)通風(fēng)機的運行頻率增加至15Hz時，回風(fēng)巷道最終CO2濃度值降為1.23%，逐漸增加通風(fēng)機的運行頻率，當(dāng)通風(fēng)機的運行頻率達(dá)到50Hz時，回風(fēng)巷道最終CO2濃度值為0.34%，與10Hz通風(fēng)頻率相比較，降幅達(dá)到72.36%。對于工作面瓦斯涌出量涌出異常，變頻調(diào)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(chǎn)。

③回風(fēng)巷道最終CO2濃度值為0.5%是臨界值，從實驗結(jié)果倆看，通風(fēng)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(jié)為CO2氣體初始釋放量越大，為滿足安全生產(chǎn)，通風(fēng)機的運行頻率就應(yīng)該越高才能滿足足夠的通風(fēng)量。

4 實踐效果分析

為驗證治理效果，鎮(zhèn)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(fēng)巷以及聯(lián)絡(luò)巷之間設(shè)置風(fēng)門以便風(fēng)量的調(diào)節(jié)，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(dá)到34 ppm，且采空區(qū)部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)遺煤自燃的現(xiàn)象，根據(jù)此現(xiàn)象，在聯(lián)絡(luò)巷以及回風(fēng)巷出口位置分別安裝了傳感器監(jiān)測氣體濃度以及溫度的變化，此后通過聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)門減小了通風(fēng)量，使得采空區(qū)漏風(fēng)減少，在失去氧氣的情況下，采空區(qū)自燃現(xiàn)象消除。對于工作面有毒有害氣體濃度增加的現(xiàn)象，關(guān)閉聯(lián)絡(luò)巷后使得采空區(qū)漏風(fēng)量減少，雖然在短時間內(nèi)CO氣體濃度出現(xiàn)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(qū)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(fēng)機的運行頻率，降低了瓦斯?jié)舛取Ｍㄟ^減小通風(fēng)量和增大通風(fēng)量的方法，成功解決了有毒有害氣體濃度異常的現(xiàn)象，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

本文以鎮(zhèn)城底礦22618工作面為研究背景，在對采場調(diào)風(fēng)理論及自動監(jiān)測調(diào)控方法研究的基礎(chǔ)上，通過瓦斯涌出超限實驗證明了變頻調(diào)風(fēng)對于降低有毒有害氣體的可行性，通過工業(yè)應(yīng)用，成功的解決了鎮(zhèn)城底礦采空區(qū)煤體自燃以及工作面氣體濃度超標(biāo)的問題，有良好的效果。