通风模拟在地下煤矿自燃控制中的应用 _生活密码

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文|三鱼锦鲤
编辑|三鱼锦鲤
?——【·前言·】——?
本文讨论了长壁采空区残煤自燃是一种长期的危害，气流泄漏采空区是造成危险的主要驱动因素，当长壁在多个接层和浅层工作时，这一问题会恶化，因为由于长壁面和表面之间的压力差，采矿引起的裂缝很可能吸引新的气流进入采空区，为了更批判性地研究这个问题，我们使用一个通风模拟包“Ventsim”在布连塔煤矿进行了一个案例研究。
研究发现，主动长壁板的隔离和加压可以缓解这一问题，并可以通过改变辅助风机的性能和通风调节器的阻力来调节压差，增压通风系统也可以通过调整风扇工作职责来减轻这个问题，通风模拟是研究地下煤矿自燃控制的有力工具。

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?——【·项目描述·】——?
根据钻井岩心的数据解释、地层露头情况和已证实的煤田地质资料，对煤矿的地层学进行了估算，主开采煤层12煤层位于上部，另外两个主煤层22和31煤层分布在中部，3个煤层的平均厚度分别为4.1 m、6.8 m和3.2 m，12缝与22缝之间的间距约为32m，22缝与31缝之间的间距约为28 m，矿区为鄂尔多斯早侏罗统含煤盆地的一部分，盆地未发现大断层，该盆地基于继承型盆地，地层朝向N20～30W，趋势为S60-70W，地层坡度由0～3略有变化。

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煤层地面略有波动，东部升力平缓，该煤矿的煤层分布紧密，并在非常浅的覆盖层下作业，目前该煤矿正在开采两层煤层，即12煤层和22煤层，31煤层随时待命，整个矿井分为五个部分，每个部分都有几个长板，1、2段共开采了12煤层、22煤层，目前第四段和第五段开采12煤层，第三段开采22煤层，因为已经开采了12煤层，认为上覆采空区通过开采诱发的裂缝相互连接。
受污染的空气通过两个主排风机排出气坑，一个安装在北排气轴上，另一个安装在南排气斜面上，新鲜空气主要来自进气坡度和进风井，进气口轴用于第五段，主进气口坡度用于第三段，第四部分的进气轴和进气斜面均提供新鲜空气。

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自第三段开始开采面板以来，已经发生了几次严重的煤氧化和自热事件，并最终导致LW22306工作面板发生一次明火事故，发现火灾来自12煤层的覆盖，因为最初从钻到12煤层覆盖的几个钻孔中检测到高浓度的CO，大火导致面板关闭了6个多月，并花费了数亿美元，通过数百个井下入泥浆来扑灭面板。
经过调查和事故审查后，发现了火灾事故发生的可能原因，煤炭开采的一个主要后果是地面沉降，并对上覆或下伏地层产生裂缝和裂缝，在这种情况下，在开采了12的煤层后，由于煤层的浅覆盖，诱发的裂纹可能已经发展到表面，随着22煤层的进一步开采，该煤层开采高度越高，可能产生更发育、更宽的裂纹，这些通道很有可能相互连接并传播到表面。

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如果存在任何压力差，这些通道可以作为从表面到主动工作面的漏气路径，由于该矿井目前采用排气通风方法，工作面内气流的压力可能远低于地表大气压，因此，压力差很有可能通过这些通道从表面吸引一定数量的新鲜空气到活跃的长壁面，所以保留了约0.5 m的顶部煤，以方便码头支撑码头，随着LW的推进，煤将留在采空区。

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随着新鲜空气的持续供应，煤的阴燃随着煤氧化产生的热量变成明火，同时也促进了采空区气体进入工作面，缺氧和高浓度CO气体的进入对长壁工作人员的安全构成了巨大的威胁，人们已经采取了许多做法来控制这个问题，一种直接的解决方案是用灌浆或浆液注入来密封这些裂缝。
然而由于两个原因，这个解决方案仍然无法实现，一个是成本将是巨大的，因为有大量的裂缝需要处理，另一个困难是许多隐蔽的裂缝很难被发现，因此，通过提高通风性能来最小化表面和通风回路之间的压差将是一个很有前途的解决方案，这也是本项目的一个重要举措。

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?——【·“Ventsim”模型的开发和验证·】——?
解决采矿引起的空气泄漏的合理方法是减少表面和通风回路之间的压力差，为了量化压差并更关键地调查这个问题，我们使用了一个通风模拟程序“Ventsim”来进行案例研究，“‘Ventsim”是地下矿井通风模拟中最复杂的软件包之一，广泛应用于澳大利亚的许多地下采矿作业中， ‘’Ventsim“可用于协助一系列与矿井通风相关的操作，包括矿井通风的设计、矿井网络的分析和优化、再循环通风的预测和矿井通风的经济分析。

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通过导入Autocad DXF文件来建立几何模型，该文件包含了整个矿山的真实平面图，在一个复杂的DXF绘图被导入到‘’Ventsim”后，它很可能是断开或重叠的气道被合并到原始模型数据中，在编辑任何气道之前，有必要进行几何修复或简化，在建立模型后，下一步是为每个气道分配各种参数，包括气道轮廓、几何尺寸和摩擦系数。

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此外，还应将适当的阻力系数分配给通风控制装置，如气闸、皮带密封件和通风空气门，气道的编辑可以通过访问编辑框来完成，然后在主排气斜面和北排气轴处分别安装两个排气风机，在本应用中，根据现场测量的风机曲线数据，基本模型通过两个步骤进行验证，一个是通过大多数重要位置的气流量，另一个是检查沿着关键通风路径的压力损失，将临界位置现场测量的空气流量与计算数据进行比较。

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沿LW22305、LW12409、LW125193条气流路径进行了调查，三个路径代表三个面板部分（分别为第三节、第四节和第五节），并通过三个路径验证压力损失，因为第三节中的低压区是煤自燃和采空区气体进入方面最危险的区域，后续研究也将集中于LW22307路径。

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接缝进气主管中的部分新鲜气流通过第三段进气主管进入第三段长壁，然后LW22307中的新鲜空气通过LW22307混合物和LW22308尾门供应，污染空气经LW22307尾门吸入三段排气干，后送至1055级排气干，污染空气通过南排气斜面风机排出，从沿LW22307路径的压力损失验证可以看出，其总体趋势与测量的LW22305路径相似，与LW22305路径相比，由于其流程较长，压力损失略有增加，且压力损失主要发生在排气气道。
工作面的压力损失超过200 Pa，工作面与表面的压差大于200 Pa ，会吸引大量的新鲜空气，由于存在200 Pa的压差，一旦采矿诱导的通道传播到表面，就进入LW工作面，这种压力差也会导致采因区气体迁移到工作面，并对地下矿工造成直接危险。

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?——【·解决方案和讨论】——?
研究表明，低压面板内不同的通风方式可能会导致低压面板间不同的压力差，从而影响采空区的漏气，为了降低沿LW22307面的压差，第一个可能的措施是修改面板内的通风网络，在本研究中，我们总共提出并分析了7个场景，从面板内各种通风方式的压力损失路径，可以看出，压差是无法消除的，除两种无泡通风模式外，面压差差别不大。

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为满足低水面舒适的工作条件，该煤矿不需要不少于30 m3 /s的新鲜空气，可以看出，由于“通过LW22307”的气流量较少，显然不合适，但“无眼睑同形U”可以轻微降低压差，“排气回风”和“双回”通风模式能够为工作面提供足够的空气，但压差大于现场通风模式。
“无泡风的现场U”可以显著降低压差，但气流量略低于要求，此外，无泡风通风网络会增加整体阻力，因此不适合长期使用，无论如何修改网络的模式，都不能消除压差，这是耗尽通风网络的一个内在缺陷，一旦采矿引起的裂纹发展到表面，新鲜空气总是被吸引到工作面，而强制通风系统反之亦然。

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为了降低压差，同时向低压工作面输送充足的新鲜空气，提出了一种称为低压面板加压的解决方案，解决方案的本质是在面板进气口开始时提供一个正压力，以抵消过去气道中的压力损失，为了达到正压，需要一个辅助风扇和多个通风控制装置。
在面板进气口开始时，在一个LW22308回收巷道上安装一个辅助风扇，在LW22306合并口和LW22307尾门之间的一个通道上安装一个通风调节器，以调节压力和气流，通风调节器本质上是一个具有可调节开口的通风门，加压LW22307工作面将显著降低压差，此外，理想情况下，可以通过调整电阻系数或风扇负荷来获得真正的平衡。

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很明显，在LW22307上，风扇的阻力会增加，随着更强大的风扇和通风调节器的阻力，压差从负演变为正，因此，理想情况下可以外推一个没有压差的中性点，然而，保持低压板压力稍正有利于在采空区内容纳有毒气体，从而改善低压板工作面的工作条件。
调整到通风路径中间的任何一点，这样可以显著减小低波面和表面之间的压差，因此，在不同的风机负荷下模拟了增压通风系统的性能，在进气斜面安装一个类似容量的强制风扇，并通过增加阻力系数的大小来调节其他几个开口，通过两个风扇的各种职责，演示了解决方案。

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可以看出，气流最初由强迫风扇给予一个正压，以抵消沿路径的压力损失，如果正确调整风扇粉尘，压差就会显著降低，中性点可以通过操纵风扇的工作来移动到任何点，很明显，随着风机占空比的下降，气流量略有减少，但压差对风机占空比非常敏感，风扇负荷的10%变化可能极大地改变了低波面的压差。

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?——【·现场演示·】——?
布利安塔煤矿的LW22307于2014年7月开始运营，随着检测到几种可能的自加热发展和缺氧气体进入工作面的日益严重，该矿决定在2014年底对LW面板进行加压，以减少空气泄漏，在回顾了故障模式并进行了风险评估后，我们还使用了一个辅助风扇来提供正压和相关的通风调节器，构造用于调节穿过工作面的压力和气流，在切除该控制措施后，持续监测低压面的漏气量和气体成分。

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可以看出，在平衡压差后，通过工作面的气流量略有增加，采空区的气流泄漏明显减少，工作面与LW22307尾门结合处的一个采样点的气体监测数据，氧浓度显著增加，且与氮浓度呈反比趋势，在实施控制后，采空区气体入口受限，工作条件大大改善，因此，局部加压低压板是带排气通风系统的低压板控制压差和自燃危险的有效措施。

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由于该矿正在持续运行，在开采LW22307面板时，不太可能改变大型通风系统，因此，在布利安塔煤矿的论证是不可能完成的，然而，这种方法已成功地应用于澳大利亚猎人谷的LW操作，该煤矿也在多煤层和浅覆盖层中作业，类似于布连塔煤矿的LW作业。因此，如果低压机组在相同的条件下运行（浅覆盖或多个煤层，分布紧密），加强通风系统可能是一个更好的解决方案，因为它不那么复杂，并更灵活地调整中性点。

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?——【·结论·】——?
本文采用通风模拟包“Ventsim”为案例研究，探讨多层和浅层下低压机组的漏气问题，在基础模型的开发和校准之后，提出了三种解决方案来缓解压差问题，我们可得出以下结论：如果矿井使用纯排气通风系统，低W面和表面之间的压差是一个内在缺陷，无论如何修改通风回路，都无法消除压差。

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隔离加压，可提供工作面足够的新鲜气流，同时降低压差，这是通过部署一个辅助风扇和几个通风调节器来实现的，理想情况下，如果正确调整通风控制装置的电阻系数和辅助风扇的负荷，就可以消除压差，这个解决方案已在布利安塔煤矿确定。

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在局部给低压面板加压之前，必须采取额外的预防措施和足够的风险评估，因为大量采扇区有毒气体会立即击中工作面，对工作人员造成巨大的危险，此解决方案更适合于正在进行的LW操作，增压通风系统（鼓风机-排气）也可以通过调节两个主风机的作用来降低压差，理论上，通过操纵两个风扇的性能，中性点可以沿压力损失路径分布在任意位置。
?——【·参考文献·】——?
史密斯，《无泡通风系统作为美国煤矿的自燃控制措施》，匹兹堡市矿业局，1994年。
吉利斯，《澳大利亚长壁墙板通风实践》， 2013年。
张耀。《三相泡沫在煤矿火灾中的应用》。Int J煤炭地质公司，2006年。
【通风模拟在地下煤矿自燃控制中的应用】斯特拉克尔，《世界各地的煤火燃烧失控：造成环境灾难的热力学配方》，2004年。