高瓦斯礦井風筒風筒的優(yōu)化控制

高瓦斯礦井風筒風筒的優(yōu)化控制

1煤礦瓦斯襲擊事件的現(xiàn)狀中國的煤礦調(diào)整已經(jīng)實施了多年，效果如何？經(jīng)過2005年8月的大量煤炭生產(chǎn)后，發(fā)生了10月1日云南省宣威市九堡煤礦爆炸，造成6人死亡。10月3日，河南鶴煤集團二礦爆炸，死亡34人。10月4日，新疆阿圖爾鄉(xiāng)煤礦爆炸，死亡14人。10月23日，貴州省清隆縣發(fā)生了一起爆炸。10月27日，新疆武蘇市長興煤礦爆炸，死亡16人。10月27日，山西省山西省山西省宣武區(qū)七坪煤礦爆炸，死亡7人。11月2日，重慶鳳澗區(qū)焦坪煤礦爆炸，死亡7人。11月6日，山西省清徐縣的太平煤礦爆炸，死亡16人。以上是一個多月內(nèi)煤礦爆炸事故的不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)。筆者給出一些煤礦特大爆炸事故的數(shù)據(jù)。2004年10月20日,河南大平煤礦瓦斯爆炸,死亡148人;11月28日,山西銅川陳家山煤礦瓦斯爆炸,死亡166人;2005年2月14日,遼寧阜新孫家灣煤礦瓦斯爆炸,死亡214人;7月11日,新疆阜康神龍煤礦瓦斯爆炸,死亡83人;11月27日,黑龍江七臺河東風煤礦瓦斯爆炸,死亡171人;12月7日,河北唐山劉官屯煤礦瓦斯爆炸,死亡91人(17人失蹤)。在13個半月中發(fā)生了6次死亡超過83人的特大爆炸礦難事故。而這幾年煤礦做了很多整頓工作,如:加大加強通風量,加強管理,各煤礦都裝設了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和甲烷斷電器,有的煤礦將報警點設在0.8%甲烷體積分數(shù),采取了除塵設備,對出事的礦長、有責任的地方官員進行了處罰,鏟除了官煤結合腐敗現(xiàn)象,礦領導下井跟班生產(chǎn),關停了數(shù)以萬計的中、小煤礦,尤其是高瓦斯礦井。這些措施為什么不生效呢2005年8月后又關閉了12000多處煤礦。11月27日黑龍江七臺河東風煤礦瓦斯爆炸事故,震驚了黨中央和國務院,為什么10d后又發(fā)生了唐山劉官屯煤礦這樣大的瓦斯爆炸事故,而且是低瓦斯礦井的爆炸?礦難頻率如此之高,死傷事故如此之嚴重,在中國采煤史上是空前的。文指出“建國51年來,我國一次死亡100人以上的特別重大事故15次,死亡2513人?！逼骄磕臧l(fā)生0.294次。而現(xiàn)在13個半月就有5次死亡100人以上的事故,平均每年發(fā)生4.44次,比煤礦未整頓,沒關閉中小煤礦時嚴重得多(約15倍)。出于對黨和人民負責,客觀、冷靜、唯物地思考一下,用矛盾論、實踐論觀點分析一下,是否應當考慮還沒有找到煤礦爆炸事故的主要原因(主要矛盾),是否在近幾年煤礦生產(chǎn)技術中采用了一種對防止爆炸起負(反)作用的“措施”。2絕對瓦斯產(chǎn)出量瓦斯爆炸是瓦斯與空氣混合形成可爆混氣(瓦斯體積分數(shù)處于爆炸上限與下限之間的混氣),遇到大于最小點火能的火源,則在點火源處引燃,火焰立即從此點向各方向可爆混氣傳播。如果火焰前峰傳播速度小于等于音速稱為爆燃,大于音速稱為爆轟。一般將爆燃和爆轟都稱作爆炸。目前采煤應用的加大加強通風量的目的,不僅使巷道內(nèi)瓦斯(甲烷)體積分數(shù)低于爆炸下限(5%),而且是低于1%,滿足《煤礦安全規(guī)程》的強制要求。具體加大到多少與掘進巷道的絕對瓦斯涌出量有關。表1給出綜掘與炮掘工作面24h瓦斯涌出量的統(tǒng)計值(引自文表3-1-2)。由表1可看出,對于綜掘、炮掘絕對瓦斯涌出量可高達2.1m3/min,這是高瓦斯礦井。低瓦斯礦井的相對瓦斯涌出量≤10m3/t,若認為絕對瓦斯涌出量與相對瓦斯涌出量成正比,可折算出相對瓦斯量為10m3/t(低瓦斯礦井)時的絕對瓦斯涌出量,見表1。由這些折算值可以看出,低瓦斯礦井的絕對瓦斯涌出量≤0.56m3/min。文表3-1-11給出一個更大的絕對瓦斯涌出量3.85m3/min,這是24h的統(tǒng)計值。若將其稀釋成瓦斯體積分數(shù)≤1%(符合煤礦安全規(guī)程要求),需要風量≥381.1m3/min(對于3.85m3/min絕對瓦斯涌出量),≥208m3/min(對于2.1m3/min絕對瓦斯涌出量)和55.5m3/min(對于0.56m3/min絕對瓦斯涌出量)?？紤]涌出量的波動,體積分數(shù)的分布不均勻。為了保證瓦斯體積分數(shù)≤1%,將風量分別取為400m3/min、250m3/min和70m3/min。由此可見,加大加強風量的目的是將從采煤面涌出的瓦斯立即與空氣混合,并將瓦斯體積分數(shù)稀釋到小于1%,遠遠小于爆炸下限5%,即使遇到火源也不會發(fā)生爆炸。具體做法是相應加大風量,并規(guī)定風筒出口距掘進端面小于7m,使風筒噴出的風絕大部分能吹到掘進端面,加強了對它的通風。這種措施以規(guī)程規(guī)定強制執(zhí)行,這是加大加強風量的優(yōu)點。3d水長、風筒風力煤礦事故分析中常見“瓦斯突出”的結論,有嚴重的,必有輕度的。筆者定義2min內(nèi)涌出10m3～150m3瓦斯氣的突出為輕度瓦斯突出。在發(fā)生輕度瓦斯突出時,加大的通風量和突出的瓦斯氣共同混合成可爆混氣(瓦斯體積分數(shù)處于5%～15%的混氣)。表2給出三種風量2min可形成的可爆混氣的有關參數(shù)。假定巷道高2m、寬4m。根據(jù)水力學直徑D水=4AP=4AΡ(式中:A為截面積;P為截面周長),算得D水=2.67m。長徑比為可爆混氣占據(jù)巷道長度與D水之比。由表2可以看出:(1)不同的風筒風量能夠形成可爆混氣的絕對瓦斯涌出量不同,范圍不同,風量大的范圍寬。例如,風量為400m3/min,絕對瓦斯涌出量在20m3/min～70.6m3/min都可以形成可爆混氣,范圍為50.6m3/min。而風筒風量為70m3/min,可形成可爆混氣的絕對瓦斯涌出量為3.7m3/min～12.4m3/min,范圍僅為8.7m3/min,是400m3/min風量形成可爆混氣范圍的1/5.8,不容易形成可爆混氣。如果風筒風量再低,范圍更窄,更不容易形成可爆混氣。(2)風筒風量大形成的可爆混氣體積大。風筒送風量為400m3/min,在2min內(nèi)形成的可爆混氣體積最大為941.2m3,約是風筒風量為70m3/min形成可爆混氣最大體積164.8m3的5.71倍,相應形成的可爆混氣占據(jù)的巷道長度長,長徑比大。由表2可以看出,2min內(nèi)風筒風量為400m3/min形成的可爆混氣占據(jù)巷道長度的長徑比高達44,是風量為70m3/min的長徑比7.7的5.71倍。4煤塵卷揚渦流橫向渦流加大通風是指風筒出口距離掘進端面太近(≤7m)。在高2.5m、寬3.1m、長20m的試驗巷道(見圖1)中的左側面頂部放置一風筒(見圖2),風量約110m3/min。風筒出口距封閉端面7m,在封閉端面用發(fā)煙爐發(fā)煙。用眼可看見在封閉端面附近(3m)產(chǎn)生強的橫向渦流(見圖3)。如果除塵措施不力,會將煤塵卷揚在渦流中。試驗證明,這種渦流會使可燃氣、煤塵的爆炸壓力更高。圖4是有渦流情況下30m3爆炸裝置形成渦流的爆炸泄放出的火焰。5閉端點火分析文指出在長管道中,可燃氣爆炸壓力與有可爆混氣的管路的長徑比有關。文用液化石油氣在長徑比為7,截面為1m×1m的爆炸裝置內(nèi)進行的爆炸試驗。結果表明,最大爆炸壓力與體積分數(shù)有關,在稍比化學當量比濃度高些的體積分數(shù)(危險濃度),爆炸壓力最高。爆炸壓力還與點火位置,管內(nèi)障礙物(紊流)有關。在封閉端引爆,壓力最高,在可燃混氣段朝著開口端引爆,爆炸壓力最低。長徑比為7,封閉端點火,在危險濃度情況下,最大爆炸壓力達到198kPa。在表2風筒風量400m3/min時,1min內(nèi)可爆混氣占據(jù)的巷道長徑比為19.7～22,危險濃度(瓦斯氣在10%左右,絕對瓦斯涌出量在45m3/min左右)下,估計爆炸壓力可高達400kPa;2min可爆混氣占據(jù)的巷道長徑比為39.4～44,危險濃度下能產(chǎn)生爆轟,爆炸壓力遠遠高于700kPa。風筒風量為250m3/min時,2min可爆混氣占據(jù)巷道的長徑比在24.6～27.6,在掘進端頭引爆,瓦斯處于危險濃度(絕對瓦斯涌出量在29m3/min左右),最大爆炸壓力會比400kPa高一些。而風筒風量為70m3/min時,可爆混氣占據(jù)巷道的長徑比為6.9～7.7,絕對瓦斯涌出量約為8.1m3/min時是危險濃度,最大爆炸壓力為200kPa左右。由以上分析可知,風筒風量為70m3/min,產(chǎn)生最大爆炸壓力情況下能造成掘進端面附近的人員死亡,而其他巷道人員則不會。風量再小,形成的可爆混氣的絕對瓦斯突出量更窄,形成的可爆混氣體積更小,最大爆炸壓力更低,死傷更輕。而風量增大到400m3/min或更高時,最惡劣情況可產(chǎn)生爆轟,造成井下各巷道人員絕大部分死亡。這就是加大加強通風量所起的促進發(fā)生特大煤礦瓦斯爆炸的作用。6輸氣流量試驗在長徑比為7,7m3爆炸裝置和30m3爆炸裝置內(nèi)用天然氣做的爆炸試驗,證明了上述的分析結果是正確的。為了更有說服力,在試驗巷道(可看作煤礦巷道靠近掘進端面的一段,見圖1)內(nèi),距封閉端面7m的左側面頂部放置一風筒(見圖2),風量約110m3/min。在封閉端輸入天然氣,輸氣流量第一次試驗為6m3/min,第二次試驗為7m3/min,分別輸入2min。第一次在距端面2m的截面幾何中心用電火花點火,第二次在距端面4m的截面幾何中心用電火花點火,兩次點火后都立即爆炸。試驗巷道前3.1m是在16mm厚鋼板制成,3.1m后是在80mm×80mm方鋼框架上鉚薄馬口鐵板制成,強度非常低。兩次均將距端面3.1m后的馬口鐵板炸開,爆炸開口面積大于10m2(見圖5所示)。流量為6m3/min的天然氣與110m3/min的風量均勻混合,混氣中天然氣體積分數(shù)為5.17%,流量為7m3/min的天然氣混合后天然氣體積分數(shù)為5.98%。天然氣的爆炸下限為3.6%,有火花則爆炸。試驗結果正是這樣。7瓦斯襲擊的情況(1)加大加強風筒風量目的是使正常瓦斯涌出量(非瓦斯突出)期間,使輸入的空氣與涌出的瓦斯混合、稀釋,達到掘進巷道等區(qū)域的甲烷體積分數(shù)小于1%,不能產(chǎn)生瓦斯集聚,滿足煤礦安全規(guī)程的要求。這是正效應。(2)發(fā)生爆炸是在輕度瓦斯突出(絕對瓦斯涌出量為5m3/min～75m3/min或更多)期間,大多是在1min～2min內(nèi),風筒輸入的風和突出的瓦斯氣共同混合成可爆混氣,風量越大,混合成的可爆混氣體積越大,占據(jù)的煤礦巷道的長度越長(長徑比越大),遇火花爆炸后產(chǎn)生的最大爆炸壓力越高。當風筒風量大于400m3/min時,能夠產(chǎn)生爆轟,最大爆炸壓力可高達1.4MPa,造成與此巷道相通的整個礦井絕大部分人員死亡。這是加大加強通風量的負作用,也是近年來煤礦生產(chǎn)技術中引入的一種對防爆炸起負(反)作用的“措施”,應該是13個半月發(fā)生6次死亡83人以上的特大煤礦瓦斯爆炸事故的主要原因。(3)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和瓦斯斷電儀暫時還不能監(jiān)控、制止瓦斯爆炸。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和瓦斯斷電儀是很好的監(jiān)控手段,但近一年多的6次特大煤礦瓦斯爆炸事故以及前面列舉的8次爆炸事故中為什么沒起作用?如上所述,發(fā)生瓦斯突出時只在2min左右就形成147m3～941m3可爆混氣,并且是在掘進端面附近的巷道內(nèi)形成。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測點的濃度還沒改變,瓦斯斷電儀就會動作,但不能阻止瓦斯突出與可爆混氣的生成。所以,暫時還不能制止瓦斯爆炸。(4)可以解釋煤礦瓦斯爆炸集中、連續(xù)發(fā)生的現(xiàn)象。從2003年2月17日攀枝花煤礦瓦斯爆炸算起,8日內(nèi)發(fā)生4起煤礦瓦斯爆炸和1次燃燒事故,共死亡70多人;2003年5月13日安徽蘆嶺煤礦瓦斯爆炸后,8日內(nèi)共發(fā)生4起煤礦瓦斯爆炸,死亡130多人;2003年8月11日山西杏兒溝煤礦瓦斯爆炸后,9日內(nèi)發(fā)生4起瓦斯爆炸,死亡88人。2005年10月1～4日發(fā)生3起爆炸,死亡54人;10月23日至11月6日發(fā)生5起爆炸,死亡71人。根據(jù)上述分析很容易解釋。因為一處煤礦發(fā)生爆炸事故后,各煤礦領導或礦主都會警覺,擔心出現(xiàn)事故,采取了他們認為能防止爆炸的措施——加大加強(風筒靠近掘進端面)風量。然而發(fā)生爆炸的危險性更大了,而且連續(xù)發(fā)生。(5)證件不全的煤礦和特別重視安全生產(chǎn)的煤礦容易發(fā)生爆炸事故。證件不全或沒有批準生產(chǎn)的礦井礦主、領導最怕出事,更要加大、加強通風量,更容易發(fā)生爆炸。相反,特別重視安全生產(chǎn)的礦長,也會加大、加強通風量,也容易發(fā)生爆炸。黑龍江七臺河東風煤礦是三年安全生產(chǎn)先進煤礦,屬于后者。(6)低瓦斯礦井也可以發(fā)生瓦斯爆炸。低瓦斯礦井是相對瓦斯涌出量≤10m3/t。這表示正常情況下,絕對瓦斯涌出量低,并不表示沒有輕度瓦斯突出。如果風筒風量大于100m3/min,輕度瓦斯突出時同樣可以產(chǎn)生瓦斯爆炸。如果風量大于250m3/min,爆炸烈度會很大。(7)將瓦斯(甲烷)報警體積分數(shù)降低到0.8%是不良的措施。報警體積分數(shù)降低到0.8%,相應地要加大風筒風量。例如,絕對瓦斯涌出量為2.1m3/min的情況,保持瓦斯體積分數(shù)低于0.8%,風筒風量將由208m3/min(低于1%)上升到260m3/min,瓦斯突出時將形成更多的可爆混氣。風量加大的另一缺點——容易揚起煤塵,使巷道內(nèi)空氣中飄浮一定的煤塵,降低瓦斯的爆炸下限,更容易引起爆炸。《煤礦安全規(guī)程》表2規(guī)定“采煤工作面、掘進中的煤巷和半煤巖巷”允許的最高風速為4m/s。風筒風量為200m3/min,風筒直徑為0.5