煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制探析

＊代雪鋒

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦 山西 030022）

煤礦生產(chǎn)過程中，通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮著非常重要的作用，通過設(shè)置通風(fēng)通路，并應(yīng)用通風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)礦井空氣與外界環(huán)境空氣之間的交換，同時(shí)也能避免瓦斯等有毒有害物質(zhì)的聚集，減少安全事故。為保障煤礦生產(chǎn)安全，應(yīng)具有科學(xué)、有效的通風(fēng)技術(shù)，確保通風(fēng)效果。

1.煤礦中瓦斯的危害

(1)可能引起瓦斯爆炸事故

煤礦開采過程中，由于應(yīng)力的減少，使得煤層中賦存的瓦斯被釋放到礦井中的作業(yè)區(qū)域，同時(shí)隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，瓦斯的含量不斷提高，如果礦井中的通風(fēng)效果不佳，則瓦斯容易發(fā)生積聚，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯爆炸事故。

瓦斯是一種主要由甲烷（CH4）等成分組成的氣體，具有易燃、易爆、無色、無味、無臭等特征。在CH4濃度處于某一臨界值以下的時(shí)候，即爆炸界限，不會(huì)發(fā)生爆炸，一旦超過爆炸界限，便有可能引發(fā)爆炸。CH4在新鮮空氣中爆炸界限為5%～15%，如圖1所示。如果礦井中的瓦斯?jié)舛仍诒ń缦抟韵拢瑒t不會(huì)引起瓦斯爆炸事故。但是最低燃能量與空氣中的瓦斯?jié)舛取囟?、電壓等因素有關(guān)，空氣與瓦斯融合起來后，最低點(diǎn)燃溫度為650℃，容易受到礦井中電弧、明火、煤炭自燃等因素的影響，而發(fā)生燃燒，進(jìn)而容易引起爆炸。為保障作業(yè)人員的健康，煤礦礦井中氧（O2）的濃度應(yīng)當(dāng)在18%以上，最低不可低于12%。一旦O2濃度低于既定數(shù)值，不僅會(huì)威脅作業(yè)人員的健康，還可能降低瓦斯的爆炸界限數(shù)值，引起爆炸事故。

圖1 甲烷爆炸界限圖

(2)瓦斯爆炸事故的危害

煤礦生產(chǎn)中，瓦斯爆炸事故的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①有害氣體危害。煤礦礦井中發(fā)生瓦斯爆炸事故后，高溫催化下會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體。有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瓦斯爆炸事故發(fā)生后，煤礦礦井空氣中，氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）的含量分別為5%～10%、80%～86%、3%～7%、5%～9%。同時(shí)，如果粉塵參與到瓦斯爆炸過程中，那么CO的含量會(huì)更高，加劇人員傷亡。

②高溫危害。高溫危害指的是由于瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫沖擊波而引起的危害。

有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礦井中瓦斯?jié)舛瘸^9.5%時(shí)，如果發(fā)生瓦斯爆炸事故，則中心瞬間溫度可達(dá)到1860℃。爆炸區(qū)域的密閉性較強(qiáng)的情況下，中心瞬間溫度甚至可以達(dá)到2600℃。瓦斯爆炸事故帶來的高溫沖擊波所經(jīng)之處，所有可燃物均有可能發(fā)生燃燒，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。

③沖擊波危害。煤礦礦井中出現(xiàn)瓦斯爆炸事故后，空氣溫度急劇上升，壓力大幅度提高，沖擊面的壓力最高可以超過2MPa，且傳播速度可能超過音速。瓦斯爆炸帶來的沖擊波，有可能導(dǎo)致井下機(jī)械設(shè)備損壞、巷道傾頹、人員傷亡等。

2.煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制

(1)安全分區(qū)理論

煤礦生產(chǎn)往往會(huì)涉及到不同區(qū)域、系統(tǒng)，不同區(qū)域、系統(tǒng)有著不同的特征，以往全局性安全控制，針對(duì)不同區(qū)域、系統(tǒng)采用同一標(biāo)準(zhǔn)，忽視了實(shí)際，因此安全控制效果并不理想。安全分區(qū)控制便是在這樣的背景下產(chǎn)生的，安全分區(qū)指的是，對(duì)煤礦生產(chǎn)區(qū)域的特征進(jìn)行全面了解，在此基礎(chǔ)上，將其劃分為若干個(gè)安全控制基本單元，如掘進(jìn)工作面分區(qū)、回采工作面分區(qū)等，同時(shí)在不同分區(qū)之間建立聯(lián)系，建立基于安全分區(qū)的長效煤礦安全控制體系。煤礦安全分區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦安全分區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖2可知，煤礦安全分區(qū)系統(tǒng)包括三部分，即安全分區(qū)、關(guān)聯(lián)通道以及安全關(guān)注點(diǎn)。①安全分區(qū)，是以生產(chǎn)特點(diǎn)的不同為根據(jù)，劃分出來的不同區(qū)域；②關(guān)聯(lián)通道，不同分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)之間存在密切關(guān)聯(lián)，如掘進(jìn)工作面出現(xiàn)的瓦斯爆炸事故，可能給回采工作面帶來一定的影響；③安全關(guān)注點(diǎn)，是容易出現(xiàn)安全事故的位置或因素，如掘進(jìn)工作面前方含水層、回采工作面上隅角瓦斯積聚區(qū)等。

(2)安全分區(qū)技術(shù)

煤礦中采取通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制技術(shù)時(shí)，分區(qū)主要采取并聯(lián)通風(fēng)方式，確保礦井中各通風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)流構(gòu)成獨(dú)立回路，并避免不同生產(chǎn)區(qū)域的風(fēng)流混雜、相互干擾。分區(qū)通風(fēng)下，一條通風(fēng)回路服務(wù)的范圍相對(duì)較小，且服務(wù)區(qū)域有著明確的特征，所以可以有效降低分區(qū)內(nèi)的粉塵、瓦斯等物質(zhì)的濃度，保障新鮮風(fēng)流供給，也可以有效控制安全風(fēng)險(xiǎn)。為確保煤礦通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)控制技術(shù)的有效性，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，定量化管理分區(qū)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包括通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行情況、風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)量配比、風(fēng)阻等。現(xiàn)以瓦斯的涌出與積聚規(guī)律分析、通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析兩個(gè)方面，對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行說明。

首先，瓦斯涌出與積聚規(guī)律分析。為明確煤礦各區(qū)域、整個(gè)礦井瓦斯涌出規(guī)律，應(yīng)對(duì)瓦斯涌出與積聚規(guī)律進(jìn)行分析。其內(nèi)容包括：①工作面分區(qū)瓦斯測定。其目的是對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的分區(qū)的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行更好的分析。具體來說，是沿傾向在工作面布置若干測點(diǎn)，對(duì)各區(qū)段的風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終對(duì)瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行判斷。②瓦斯流分布。瓦斯主要依靠風(fēng)流實(shí)現(xiàn)在巷道中的運(yùn)移，可采用儀器對(duì)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，再進(jìn)行換算，從而得出瓦斯流量。通風(fēng)系統(tǒng)中，瓦斯流量是符合平衡定律的，但時(shí)常發(fā)生波動(dòng)。因此，在對(duì)瓦斯流分布進(jìn)行分析的時(shí)候，應(yīng)采用大數(shù)據(jù)，長時(shí)間對(duì)瓦斯進(jìn)行監(jiān)測，得到數(shù)據(jù)之后，采取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，便可以對(duì)瓦斯流分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。③日常瓦斯監(jiān)測。其目的是判斷作業(yè)環(huán)境安全與否，了解工作面瓦斯的涌出情況，同時(shí)還可對(duì)作業(yè)空間瓦斯的歷史涌出量、規(guī)律進(jìn)行分析。具體來說，對(duì)作業(yè)空間歷史涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)、分析，在數(shù)據(jù)樣本足夠大的情況下，便可以得到瓦斯涌出的概率密度函數(shù)，從而對(duì)瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行定量確定。

其次，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。分析的內(nèi)容包括通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、通風(fēng)構(gòu)筑物以及風(fēng)道的通風(fēng)靈敏度。①通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)。以通風(fēng)期的實(shí)情為根據(jù)，解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，明確分區(qū)通風(fēng)的基本方案；②通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，制作通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖具有可視化的特征，解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)壓、風(fēng)阻等數(shù)據(jù)，在全面了解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；③通風(fēng)構(gòu)筑物運(yùn)行中，容易受到外力的影響而發(fā)生損壞，所以，應(yīng)對(duì)通風(fēng)構(gòu)筑物的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免由于通風(fēng)構(gòu)筑物受損而導(dǎo)致的風(fēng)流紊亂；④風(fēng)道的靈敏度指的是，風(fēng)道的風(fēng)阻改變的時(shí)候，風(fēng)量也會(huì)發(fā)生變化，分析風(fēng)道的靈敏度，可明確風(fēng)量、風(fēng)阻之間的關(guān)系，以便于合理調(diào)節(jié)風(fēng)量。

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

在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括以下幾種功能：①可對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤管理。煤礦生產(chǎn)過程中會(huì)不斷產(chǎn)生瓦斯，因此瓦斯數(shù)據(jù)龐大，人工對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，難度較大。借助通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，可對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤管理，實(shí)時(shí)處理瓦斯數(shù)據(jù)，有利于增強(qiáng)對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、控制能力。②可對(duì)通風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤管理。借助通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，可對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)參數(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，并以數(shù)據(jù)分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可有效提高通風(fēng)系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力、可靠性。③可對(duì)日常資料數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤管理。借助通風(fēng)瓦斯安全分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，可自動(dòng)化記錄各種資料，并生成日志文件，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種格式的文件輸出，為煤礦生產(chǎn)、管理提供有效的支持。 ④可對(duì)安全信息監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤管理。在明確通風(fēng)參數(shù)閾值、瓦斯?jié)舛乳撝?、井下人員定位的前提下，可對(duì)井下作業(yè)空間的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，有利于保障井下作業(yè)安全。

3.結(jié)語

綜上，瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，一旦發(fā)生瓦斯爆炸事故，便可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，煤礦應(yīng)采用安全分區(qū)控制的理論與技術(shù)，提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，保障礦井通風(fēng)效果，預(yù)防瓦斯安全事故，保障煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)效率。