煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制研究

張 松 寧

（晉能集團首陽煤業(yè)有限公司，山西 晉城048000）

0 引 言

礦井通風(fēng)是服務(wù)于煤礦生產(chǎn)的重要系統(tǒng)之一，由于通風(fēng)范圍廣、通道復(fù)雜多變、通風(fēng)設(shè)備多等，導(dǎo)致礦井通風(fēng)成為一個龐大的系統(tǒng)[1]。在井下生產(chǎn)過程中，煤層內(nèi)賦存的瓦斯由于應(yīng)力的減小而釋放到作業(yè)空間，瓦斯的含量隨生產(chǎn)過程產(chǎn)生動態(tài)變化，若通風(fēng)不暢，產(chǎn)生瓦斯積聚，則可能引發(fā)瓦斯爆炸，在煤礦各類事故中，瓦斯事故占有相當(dāng)大的比例[2-3]?？煽康耐L(fēng)技術(shù)是減少和避免瓦斯事故的有效手段，因此，研究煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制具有十分重要的意義[4-5]。

1 煤礦安全分區(qū)管理理論

1.1 安全分區(qū)管理的基本概念

煤礦生產(chǎn)涉及到不同的區(qū)域和不同的系統(tǒng)，各區(qū)域和系統(tǒng)又有其各自的特點。以往，研究人員提出的全局性的安全管理理論，忽略了不同生產(chǎn)區(qū)域的特點，將各區(qū)域以同一標(biāo)準(zhǔn)來審視，看似使安全管理系統(tǒng)得到統(tǒng)一，加強了安全管理控制。實際上，人為的分割了各區(qū)域和系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，增加了煤礦安全風(fēng)險。基于以上背景，研究人員提出了煤礦安全分區(qū)管理理論，安全分區(qū)是根據(jù)煤礦生產(chǎn)區(qū)域的特點，將其劃分為安全管理的基本單元，例如回采工作面分區(qū)和掘進工作面分區(qū)。安全分區(qū)即考慮了不同分區(qū)的特點，又可建立不同分區(qū)之間安全因素的聯(lián)系，以安全分區(qū)為基礎(chǔ)，可構(gòu)建長效的煤礦安全管理體系。

1.2 安全分區(qū)邏輯分析

煤礦安全分析邏輯簡圖如圖1 所示。

圖1 煤礦安全分區(qū)邏輯系統(tǒng)圖

如圖1 所示，煤礦安全分區(qū)邏輯系統(tǒng)由安全分區(qū)、安全關(guān)注點和關(guān)聯(lián)通道三部分組成。安全分區(qū)即是根據(jù)生產(chǎn)特點劃分的不同區(qū)域，如掘進工作面和回采工作面；安全關(guān)注點是安全分區(qū)中易發(fā)生事故的地點和因素，如回采工作面上隅角瓦斯積聚區(qū)，掘進工作面前方含水層等；關(guān)聯(lián)通道即不同分區(qū)風(fēng)險之間的關(guān)聯(lián)性，如回采工作面若發(fā)生瓦斯事故，可能波及到掘進工作面，影響掘進工作面的正常生產(chǎn)。

2 通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)技術(shù)

通風(fēng)分區(qū)是采用并聯(lián)的通風(fēng)方式，使井下各通風(fēng)地點的風(fēng)流形成獨立回路。保證了不同生產(chǎn)區(qū)域之間的風(fēng)流不相互影響和混雜。分區(qū)通風(fēng)由于一條通風(fēng)回路所需服務(wù)的范圍較小，且服務(wù)區(qū)域的特點較為明確，因此，分區(qū)通風(fēng)有利于降低分區(qū)內(nèi)的瓦斯等有毒有害氣體和粉塵濃度，保證了新鮮風(fēng)流的供給，同時，有利于掌控可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險。實現(xiàn)信息化的通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)技術(shù)的首要條件是建立通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)進行定量化管理。數(shù)據(jù)系統(tǒng)包含的主要數(shù)據(jù)有：風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)阻、通風(fēng)設(shè)備運行狀態(tài)、風(fēng)量配比等。下文將從通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及瓦斯涌出和積聚規(guī)律進一步說明通風(fēng)瓦斯數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析包括通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)分析、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖分析、風(fēng)道的通風(fēng)靈敏度分析、通風(fēng)構(gòu)筑物分析等。通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)分析是根據(jù)通風(fēng)期的實際情況對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行解算，同時制定分區(qū)通風(fēng)的基本方案。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖分析是采用計算機軟件繪制可視化的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)阻、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)進行解算分析，掌握通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的數(shù)據(jù)信息，進一步對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。風(fēng)道的靈敏度是指主要是指當(dāng)風(fēng)道的風(fēng)阻發(fā)生變化時，引起風(fēng)道風(fēng)量的變化情況，通過風(fēng)道的靈敏度分析可掌握風(fēng)阻與風(fēng)量的關(guān)系（見圖2），為風(fēng)量的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。通風(fēng)構(gòu)筑物是實現(xiàn)通風(fēng)的基礎(chǔ)設(shè)施，在運行過程中又不可避免的遭受外力的破壞和損傷，因此，應(yīng)實時掌握通風(fēng)構(gòu)筑物的運行狀態(tài)，避免通風(fēng)構(gòu)筑物引起的風(fēng)流紊亂。

圖2 風(fēng)阻-風(fēng)量關(guān)系示意圖

2.2 瓦斯涌出與積聚規(guī)律分析

瓦斯涌出與積聚規(guī)律分析是掌握煤礦各區(qū)域以及整個礦井瓦斯涌出規(guī)律的基本條件，瓦斯涌出與積聚分析包括：日常瓦斯監(jiān)測、工作面分區(qū)瓦斯測定和瓦斯流分布。

1）日常瓦斯監(jiān)測。日常瓦斯監(jiān)測對于掌握工作面瓦斯涌出狀態(tài)和了解作業(yè)環(huán)境安全性十分重要。通過瓦斯日常監(jiān)測還可掌握作業(yè)空間瓦斯歷史涌出量和規(guī)律，對瓦斯歷史涌出數(shù)據(jù)進行處理，形成作業(yè)空間的瓦斯涌出直方圖（見圖3a），將直方圖累加得到作業(yè)空間歷史瓦斯涌出量累計圖（見圖3b）。當(dāng)日常瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本足夠大時，便可確定瓦斯涌出的概率密度函數(shù)，定量確定瓦斯涌出規(guī)律。

圖3 日常瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)示意圖

2）工作面分區(qū)瓦斯測定。工作面分區(qū)瓦斯測定是為了更好的分析安全風(fēng)險較高的分區(qū)的瓦斯涌出規(guī)律，工作面分區(qū)瓦斯測定是在工作面沿傾向布置數(shù)個測點，測量各區(qū)段的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量等參數(shù)，對測量的數(shù)據(jù)進行分析，得到瓦斯涌出規(guī)律。

3）瓦斯流分布。瓦斯在巷道空間內(nèi)的運移主要依靠于風(fēng)流，風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛瓤赏ㄟ^儀器檢測，經(jīng)簡單的換算后便可得到瓦斯流量。瓦斯流量在通風(fēng)系統(tǒng)中遵循平衡定律，但經(jīng)常出現(xiàn)波動，可見，分析瓦斯流分布必須建立在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。通過長期的瓦斯監(jiān)測，應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理便可得到瓦斯流分布規(guī)律。

3 通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)風(fēng)險控制系統(tǒng)

依據(jù)煤礦安全分區(qū)管理理論和通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)建立起煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制體系如圖4 所示。

圖4 煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制體系

由圖4 可知，煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：

1）通風(fēng)數(shù)據(jù)跟蹤管理。通風(fēng)數(shù)據(jù)跟蹤管理可實現(xiàn)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速等通風(fēng)參數(shù)的實時采集和對比分析，依據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)，提高通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和抗風(fēng)險能力，為通風(fēng)的中遠期規(guī)劃提供技術(shù)資料。

2）瓦斯數(shù)據(jù)跟蹤管理。瓦斯隨著煤炭的開采而不斷產(chǎn)生，可見，瓦斯數(shù)據(jù)信息十分龐大，而依靠人力對數(shù)據(jù)進行處理和分析，顯然既費時又費力，瓦斯數(shù)據(jù)跟蹤管理系統(tǒng)可將得到的瓦斯數(shù)據(jù)進行實時處理，提高決策人員對瓦斯風(fēng)險的識別和管控能力。

3）安全信息監(jiān)控數(shù)據(jù)跟蹤管理。安全信息監(jiān)控可通過井下人員定位、瓦斯?jié)舛乳撝?、通風(fēng)參數(shù)閾值等，實現(xiàn)對井下作業(yè)空間安全情況的預(yù)警，為安全管理人員提供可靠的安全信息。

4）日常資料數(shù)據(jù)跟蹤管理。煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制體系形成的各類資料可被自動記錄形成日志文件，同時實現(xiàn)多種格式的文件輸出，服務(wù)于礦井的生產(chǎn)和管理。

4 結(jié) 論

1）從安全分區(qū)管理的基本概念和安全分區(qū)邏輯分析，闡述了煤礦安全分區(qū)理論，安全分區(qū)即考慮了不同分區(qū)的特點，又可建立不同分區(qū)之間安全因素的聯(lián)系，可構(gòu)建長效的煤礦安全管理體系。

2）分析了通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)技術(shù)，指出通風(fēng)瓦斯數(shù)據(jù)系統(tǒng)由通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瓦斯涌出、積聚規(guī)律構(gòu)成，依據(jù)煤礦安全分區(qū)管理理論和通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)建立了煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制體系。