封閉式氣膜煤棚瓦斯運(yùn)移規(guī)律與通風(fēng)控制研究

王 帥 李曉強(qiáng) 郭春生

(陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司，山西 陽泉 045000)

陽泉煤業(yè)積極響應(yīng)國家對煤炭行業(yè)提出的新的環(huán)保要求，對下轄所屬的平舒儲煤場進(jìn)行氣膜結(jié)構(gòu)全封閉環(huán)保改造成氣膜煤棚。氣膜煤棚具有內(nèi)部正壓且封閉式特點(diǎn)，其內(nèi)部儲煤過程的瓦斯與通風(fēng)問題值得注意。

煤由于自身孔隙結(jié)構(gòu)[1]，在運(yùn)輸、存儲過程中會持續(xù)性釋放瓦斯，煤倉等非露天存儲地在一些通風(fēng)不良的地方會造成瓦斯積聚[2]，可借助CFD 仿真研究煤倉瓦斯的運(yùn)移規(guī)律[3]，并采用實(shí)時瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測易積聚區(qū)域[4-5]。對新型氣膜結(jié)構(gòu)的氣膜煤棚儲煤地，目前少有相關(guān)瓦斯與通風(fēng)研究。鑒于上述，本文針對平舒礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯與通風(fēng)問題，深入研究氣膜內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律與通風(fēng)控制技術(shù)。

1 平舒煤礦封閉式氣膜煤棚概況

山西平舒煤業(yè)有限公司選煤廠原有儲煤場場地基本平整，主要存儲電煤壓濾煤泥和烘干煤泥，各產(chǎn)品煤分堆存放。現(xiàn)已根據(jù)原儲煤場地實(shí)際情況，設(shè)計改造為封閉式氣膜煤棚，封閉式氣膜煤棚采用氣膜結(jié)構(gòu)，建筑面積為13 126.63 m2，長140.00 m，寬99.00 m，總高約35.00 m，高于原有皮帶走廊，儲煤量約6.5 萬t。儲煤場內(nèi)采用汽車運(yùn)煤，設(shè)一進(jìn)一出兩個汽車通道，長26.20 m，寬6.60 m，高6.00 m，設(shè)四個人員出入口，寬1.50 m×高2.40 m，滿足疏散要求。具體設(shè)計方案外形、煤棚內(nèi)儲煤區(qū)分布以及整個煤棚的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 平舒礦封閉式氣膜煤棚結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1，氣膜煤棚是一種封閉式結(jié)構(gòu)，為保證其支撐形狀，內(nèi)部應(yīng)保持一定的正壓狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)該內(nèi)部封閉條件下的空氣流動和正壓要求，氣膜煤棚內(nèi)部安裝通風(fēng)機(jī)壓入新鮮風(fēng)流，并由出口風(fēng)閥出風(fēng)。可見，封閉式氣膜煤棚儲煤空間內(nèi)部的瓦斯積聚問題及其相應(yīng)的通風(fēng)控制問題是需要解決的。

2 封閉式氣膜煤棚瓦斯運(yùn)移仿真研究

2.1 煤樣解吸瓦斯試驗(yàn)研究

平舒煤礦屬于高瓦斯礦井，原煤瓦斯的含量較高，但該封閉式氣膜煤棚主要存儲選煤廠洗選后的壓濾煤泥和烘干煤泥，其瓦斯含量通過煤炭運(yùn)輸、洗選過程已經(jīng)大量釋放。為進(jìn)一步量化和研究存儲煤樣的瓦斯釋放量和釋放規(guī)律，通過采用存儲煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，以研究煤炭瓦斯解吸釋放規(guī)律，為氣膜煤棚內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律仿真提供關(guān)鍵參數(shù)。

由于瓦斯解吸速率與溫度為正相關(guān)關(guān)系，將152.3 g 煤樣放置于吸附缶并密封，采用排水集氣法收集解吸氣體，外部分別加熱至20 ℃、35 ℃并恒溫，進(jìn)行瓦斯解吸試驗(yàn)，持續(xù)240 min。

試驗(yàn)結(jié)果為：20 ℃時煤樣解吸速率非常緩慢，解吸速率是0.003 3 mL/(g·h)，35 ℃時煤樣解吸速率加快，最大為0.039 mL/(g·h)，約20 ℃的12 倍，但解析量整體水平較低。

2.2 氣膜煤棚內(nèi)部流場建模

基于上述瓦斯解吸數(shù)據(jù)，采用CFD 軟件對氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行仿真，以揭示封閉式煤棚內(nèi)部在堆煤后，氣流在煤棚中的流動狀態(tài)以及煤中瓦斯解吸后在煤棚中的分布規(guī)律。

首先根據(jù)平舒礦封閉式氣膜煤棚設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分，設(shè)計生成平舒礦氣膜煤棚內(nèi)部流場分析模型，如圖2。

圖2 平舒礦氣膜煤棚內(nèi)部流場分析模型

圖2 中，內(nèi)部煤堆區(qū)域體積約為66 000 m3，根據(jù)風(fēng)機(jī)、出氣閥的位置和數(shù)量設(shè)計模型氣流進(jìn)口和出口。煤棚進(jìn)風(fēng)口主要設(shè)置在煤棚的東側(cè)和南側(cè)，東側(cè)每間隔4.5 m 布置一個進(jìn)風(fēng)口，共布置6 個，南側(cè)每間隔2.25 m 布置一個進(jìn)風(fēng)口，由西向東共布置18 個，共布置有24 個進(jìn)風(fēng)口。煤棚排風(fēng)口主要設(shè)置在煤棚的北側(cè)、西側(cè)，北側(cè)布置9 個排風(fēng)口，西側(cè)布置有9 個排風(fēng)口，共布置有18 個排風(fēng)口。

煤堆瓦斯涌出量采用瓦斯解吸試驗(yàn)中35 ℃時瓦斯解吸最大速率，根據(jù)瓦斯解吸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤中瓦斯解吸速率在前60 min 較高，因而在對煤棚內(nèi)部流場數(shù)值計算結(jié)果選取通風(fēng)時間為60 min 時進(jìn)行相應(yīng)分析。此外，加入內(nèi)部流場的重力條件，以更加真實(shí)地模擬出氣膜煤棚內(nèi)部流場和瓦斯運(yùn)移規(guī)律。

2.3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述模型參數(shù)進(jìn)行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚頂瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布結(jié)果為：瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域并未出現(xiàn)在煤棚棚頂位置，而主要出現(xiàn)在煤堆形成夾角的背風(fēng)面、皮帶走廊下方以及皮帶走廊支撐立柱后方的背風(fēng)側(cè)，而在斜皮帶走廊下方煤堆自然形成的凹角區(qū)，瓦斯積聚現(xiàn)象尤為突出，但煤棚內(nèi)所有區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)均不超過0.8%的安全要求。

根據(jù)上述模型參數(shù)進(jìn)行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚頂氣流速度場分布結(jié)果為：由于進(jìn)風(fēng)口是沿煤棚棚頂向上鼓風(fēng)，因而在煤棚棚頂靠近鼓風(fēng)機(jī)的位置風(fēng)速最高，隨著與進(jìn)風(fēng)口的距離越來越遠(yuǎn)，風(fēng)速逐漸降低；在煤堆表面，由煤棚頂部返回風(fēng)流和進(jìn)風(fēng)口向上風(fēng)流帶來卷吸的共同作用下，煤堆表面產(chǎn)生了一定的風(fēng)速，從而使煤中解吸的瓦斯隨風(fēng)流向前運(yùn)移。因此，可以得出結(jié)論：在該通風(fēng)進(jìn)出口布置條件下，氣膜煤棚內(nèi)整體氣流分布較為均勻，瓦斯積聚情況可接受。

3 封閉式氣膜煤棚通風(fēng)模糊控制技術(shù)

3.1 氣膜煤棚瓦斯與通風(fēng)布置

根據(jù)瓦斯運(yùn)移仿真研究可知，平舒礦氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯整體含量較低，但易在背風(fēng)側(cè)、堆煤凹角區(qū)等出現(xiàn)瓦斯局部積聚情況，這會造成一定的安全隱患。因此，基于平舒礦瓦斯內(nèi)部流場仿真結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計氣膜煤棚內(nèi)瓦斯傳感器、通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)閥出風(fēng)口的布置，如圖3。

由圖3所示，氣膜煤棚內(nèi)瓦斯傳感器共布置7個，采用防爆型GJ4/100 高低濃度甲烷傳感器，其中4個掛裝在氣膜煤棚圍墻上部，3 個掛裝在皮帶走廊下部，布置在根據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布仿真結(jié)果中可能出現(xiàn)的瓦斯聚集點(diǎn)，主要用于檢測瓦斯聚集區(qū)域的瓦斯體積含量。氣膜煤棚共布置24 臺防爆型離心式管道風(fēng)機(jī)，每臺功率為7.5 kW，布置位置分別為氣膜煤棚南側(cè)和東側(cè)。18 個可調(diào)節(jié)開度的出氣風(fēng)閥，其最大開口尺寸為0.9 m×0.9 m，均采用電動連續(xù)控制開度，布置位置為氣膜煤棚西側(cè)和北側(cè)。

圖3 平舒礦氣膜煤棚瓦斯傳感器與進(jìn)出風(fēng)口布置圖

3.2 封閉式氣膜煤棚通風(fēng)多變量模糊控制器

多變量模糊控制器是指控制器的輸入和輸出都是多個物理變量。由于各變量之間存在著強(qiáng)耦合，因此要直接設(shè)計一個多變量模糊控制器是非常困難的。封閉式氣膜煤棚通風(fēng)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的多輸入變量包括瓦斯?jié)舛?、氣膜?nèi)外壓差，系統(tǒng)的輸出變量為風(fēng)機(jī)開關(guān)臺數(shù)。模糊控制器的設(shè)計采用瓦斯?jié)舛取饽?nèi)外壓差兩個變量分別建立模糊控制器并實(shí)現(xiàn)解耦。封閉式氣膜煤棚通風(fēng)控制系統(tǒng)作為一個多輸入多輸出的模糊控制系統(tǒng)，可通過解耦法則把它等效成多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng)，封閉式氣膜煤棚通風(fēng)系統(tǒng)多變量模糊控制模型如圖4。

圖4 封閉式氣膜煤棚通風(fēng)多變量模糊控制模型

4 工業(yè)應(yīng)用

平舒礦封閉式氣膜煤棚投入使用以來，瓦斯監(jiān)測與通風(fēng)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常。通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)為：瓦斯?jié)舛鹊陀?.8%，氣膜內(nèi)部正壓250～300 Pa，整體控制效果較好。取其中通風(fēng)控制的20 d 數(shù)據(jù)，求得瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值和氣膜內(nèi)外壓差日平均值，如圖5。

圖5 平舒礦氣膜煤棚通風(fēng)控制效果

如圖5 所示，整個氣膜煤棚內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值最大不超過0.4%，低于上限要求0.8%，滿足瓦斯安全要求；瓦斯傳感器C1 和C3 監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)短時期相對高值，屬于相對局部的聚集現(xiàn)象，與氣膜煤棚內(nèi)部流程仿真結(jié)果基本一致。氣膜內(nèi)外壓差控制效果理想，基本保持在270～280 Pa 之間，滿足氣膜內(nèi)部正壓支持力要求。

5 結(jié)論

本文針對平舒煤礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯安全和通風(fēng)控制問題，通過CFD 仿真氣膜內(nèi)部流場，揭示了瓦斯和氣流在氣膜煤棚內(nèi)的分布和運(yùn)移規(guī)律，并基于此優(yōu)化設(shè)計了瓦斯監(jiān)測點(diǎn)位置和通風(fēng)控制系統(tǒng)，提出并實(shí)施封閉式氣膜煤棚通風(fēng)模糊控制技術(shù)，現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果。