高瓦斯矿井风筒风筒的优化控制

高瓦斯矿井风筒风筒的优化控制

1煤矿瓦斯袭击事件的现状中国的煤矿调整已经实施了多年，效果如何？经过2005年8月的大量煤炭生产后，发生了10月1日云南省宣威市九堡煤矿爆炸，造成6人死亡。10月3日，河南鹤煤集团二矿爆炸，死亡34人。10月4日，新疆阿图尔乡煤矿爆炸，死亡14人。10月23日，贵州省清隆县发生了一起爆炸。10月27日，新疆武苏市长兴煤矿爆炸，死亡16人。10月27日，山西省山西省山西省宣武区七坪煤矿爆炸，死亡7人。11月2日，重庆凤涧区焦坪煤矿爆炸，死亡7人。11月6日，山西省清徐县的太平煤矿爆炸，死亡16人。以上是一个多月内煤矿爆炸事故的不完全统计数据。笔者给出一些煤矿特大爆炸事故的数据。2004年10月20日,河南大平煤矿瓦斯爆炸,死亡148人;11月28日,山西铜川陈家山煤矿瓦斯爆炸,死亡166人;2005年2月14日,辽宁阜新孙家湾煤矿瓦斯爆炸,死亡214人;7月11日,新疆阜康神龙煤矿瓦斯爆炸,死亡83人;11月27日,黑龙江七台河东风煤矿瓦斯爆炸,死亡171人;12月7日,河北唐山刘官屯煤矿瓦斯爆炸,死亡91人(17人失踪)。在13个半月中发生了6次死亡超过83人的特大爆炸矿难事故。而这几年煤矿做了很多整顿工作,如:加大加强通风量,加强管理,各煤矿都装设了瓦斯监控系统和甲烷断电器,有的煤矿将报警点设在0.8%甲烷体积分数,采取了除尘设备,对出事的矿长、有责任的地方官员进行了处罚,铲除了官煤结合腐败现象,矿领导下井跟班生产,关停了数以万计的中、小煤矿,尤其是高瓦斯矿井。这些措施为什么不生效呢2005年8月后又关闭了12000多处煤矿。11月27日黑龙江七台河东风煤矿瓦斯爆炸事故,震惊了党中央和国务院,为什么10d后又发生了唐山刘官屯煤矿这样大的瓦斯爆炸事故,而且是低瓦斯矿井的爆炸?矿难频率如此之高,死伤事故如此之严重,在中国采煤史上是空前的。文指出“建国51年来,我国一次死亡100人以上的特别重大事故15次,死亡2513人。”平均每年发生0.294次。而现在13个半月就有5次死亡100人以上的事故,平均每年发生4.44次,比煤矿未整顿,没关闭中小煤矿时严重得多(约15倍)。出于对党和人民负责,客观、冷静、唯物地思考一下,用矛盾论、实践论观点分析一下,是否应当考虑还没有找到煤矿爆炸事故的主要原因(主要矛盾),是否在近几年煤矿生产技术中采用了一种对防止爆炸起负(反)作用的“措施”。2绝对瓦斯产出量瓦斯爆炸是瓦斯与空气混合形成可爆混气(瓦斯体积分数处于爆炸上限与下限之间的混气),遇到大于最小点火能的火源,则在点火源处引燃,火焰立即从此点向各方向可爆混气传播。如果火焰前峰传播速度小于等于音速称为爆燃,大于音速称为爆轰。一般将爆燃和爆轰都称作爆炸。目前采煤应用的加大加强通风量的目的,不仅使巷道内瓦斯(甲烷)体积分数低于爆炸下限(5%),而且是低于1%,满足《煤矿安全规程》的强制要求。具体加大到多少与掘进巷道的绝对瓦斯涌出量有关。表1给出综掘与炮掘工作面24h瓦斯涌出量的统计值(引自文表3-1-2)。由表1可看出,对于综掘、炮掘绝对瓦斯涌出量可高达2.1m3/min,这是高瓦斯矿井。低瓦斯矿井的相对瓦斯涌出量≤10m3/t,若认为绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量成正比,可折算出相对瓦斯量为10m3/t(低瓦斯矿井)时的绝对瓦斯涌出量,见表1。由这些折算值可以看出,低瓦斯矿井的绝对瓦斯涌出量≤0.56m3/min。文表3-1-11给出一个更大的绝对瓦斯涌出量3.85m3/min,这是24h的统计值。若将其稀释成瓦斯体积分数≤1%(符合煤矿安全规程要求),需要风量≥381.1m3/min(对于3.85m3/min绝对瓦斯涌出量),≥208m3/min(对于2.1m3/min绝对瓦斯涌出量)和55.5m3/min(对于0.56m3/min绝对瓦斯涌出量)。考虑涌出量的波动,体积分数的分布不均匀。为了保证瓦斯体积分数≤1%,将风量分别取为400m3/min、250m3/min和70m3/min。由此可见,加大加强风量的目的是将从采煤面涌出的瓦斯立即与空气混合,并将瓦斯体积分数稀释到小于1%,远远小于爆炸下限5%,即使遇到火源也不会发生爆炸。具体做法是相应加大风量,并规定风筒出口距掘进端面小于7m,使风筒喷出的风绝大部分能吹到掘进端面,加强了对它的通风。这种措施以规程规定强制执行,这是加大加强风量的优点。3d水长、风筒风力煤矿事故分析中常见“瓦斯突出”的结论,有严重的,必有轻度的。笔者定义2min内涌出10m3～150m3瓦斯气的突出为轻度瓦斯突出。在发生轻度瓦斯突出时,加大的通风量和突出的瓦斯气共同混合成可爆混气(瓦斯体积分数处于5%～15%的混气)。表2给出三种风量2min可形成的可爆混气的有关参数。假定巷道高2m、宽4m。根据水力学直径D水=4AP=4AΡ(式中:A为截面积;P为截面周长),算得D水=2.67m。长径比为可爆混气占据巷道长度与D水之比。由表2可以看出:(1)不同的风筒风量能够形成可爆混气的绝对瓦斯涌出量不同,范围不同,风量大的范围宽。例如,风量为400m3/min,绝对瓦斯涌出量在20m3/min～70.6m3/min都可以形成可爆混气,范围为50.6m3/min。而风筒风量为70m3/min,可形成可爆混气的绝对瓦斯涌出量为3.7m3/min～12.4m3/min,范围仅为8.7m3/min,是400m3/min风量形成可爆混气范围的1/5.8,不容易形成可爆混气。如果风筒风量再低,范围更窄,更不容易形成可爆混气。(2)风筒风量大形成的可爆混气体积大。风筒送风量为400m3/min,在2min内形成的可爆混气体积最大为941.2m3,约是风筒风量为70m3/min形成可爆混气最大体积164.8m3的5.71倍,相应形成的可爆混气占据的巷道长度长,长径比大。由表2可以看出,2min内风筒风量为400m3/min形成的可爆混气占据巷道长度的长径比高达44,是风量为70m3/min的长径比7.7的5.71倍。4煤尘卷扬涡流横向涡流加大通风是指风筒出口距离掘进端面太近(≤7m)。在高2.5m、宽3.1m、长20m的试验巷道(见图1)中的左侧面顶部放置一风筒(见图2),风量约110m3/min。风筒出口距封闭端面7m,在封闭端面用发烟炉发烟。用眼可看见在封闭端面附近(3m)产生强的横向涡流(见图3)。如果除尘措施不力,会将煤尘卷扬在涡流中。试验证明,这种涡流会使可燃气、煤尘的爆炸压力更高。图4是有涡流情况下30m3爆炸装置形成涡流的爆炸泄放出的火焰。5闭端点火分析文指出在长管道中,可燃气爆炸压力与有可爆混气的管路的长径比有关。文用液化石油气在长径比为7,截面为1m×1m的爆炸装置内进行的爆炸试验。结果表明,最大爆炸压力与体积分数有关,在稍比化学当量比浓度高些的体积分数(危险浓度),爆炸压力最高。爆炸压力还与点火位置,管内障碍物(紊流)有关。在封闭端引爆,压力最高,在可燃混气段朝着开口端引爆,爆炸压力最低。长径比为7,封闭端点火,在危险浓度情况下,最大爆炸压力达到198kPa。在表2风筒风量400m3/min时,1min内可爆混气占据的巷道长径比为19.7～22,危险浓度(瓦斯气在10%左右,绝对瓦斯涌出量在45m3/min左右)下,估计爆炸压力可高达400kPa;2min可爆混气占据的巷道长径比为39.4～44,危险浓度下能产生爆轰,爆炸压力远远高于700kPa。风筒风量为250m3/min时,2min可爆混气占据巷道的长径比在24.6～27.6,在掘进端头引爆,瓦斯处于危险浓度(绝对瓦斯涌出量在29m3/min左右),最大爆炸压力会比400kPa高一些。而风筒风量为70m3/min时,可爆混气占据巷道的长径比为6.9～7.7,绝对瓦斯涌出量约为8.1m3/min时是危险浓度,最大爆炸压力为200kPa左右。由以上分析可知,风筒风量为70m3/min,产生最大爆炸压力情况下能造成掘进端面附近的人员死亡,而其他巷道人员则不会。风量再小,形成的可爆混气的绝对瓦斯突出量更窄,形成的可爆混气体积更小,最大爆炸压力更低,死伤更轻。而风量增大到400m3/min或更高时,最恶劣情况可产生爆轰,造成井下各巷道人员绝大部分死亡。这就是加大加强通风量所起的促进发生特大煤矿瓦斯爆炸的作用。6输气流量试验在长径比为7,7m3爆炸装置和30m3爆炸装置内用天然气做的爆炸试验,证明了上述的分析结果是正确的。为了更有说服力,在试验巷道(可看作煤矿巷道靠近掘进端面的一段,见图1)内,距封闭端面7m的左侧面顶部放置一风筒(见图2),风量约110m3/min。在封闭端输入天然气,输气流量第一次试验为6m3/min,第二次试验为7m3/min,分别输入2min。第一次在距端面2m的截面几何中心用电火花点火,第二次在距端面4m的截面几何中心用电火花点火,两次点火后都立即爆炸。试验巷道前3.1m是在16mm厚钢板制成,3.1m后是在80mm×80mm方钢框架上铆薄马口铁板制成,强度非常低。两次均将距端面3.1m后的马口铁板炸开,爆炸开口面积大于10m2(见图5所示)。流量为6m3/min的天然气与110m3/min的风量均匀混合,混气中天然气体积分数为5.17%,流量为7m3/min的天然气混合后天然气体积分数为5.98%。天然气的爆炸下限为3.6%,有火花则爆炸。试验结果正是这样。7瓦斯袭击的情况(1)加大加强风筒风量目的是使正常瓦斯涌出量(非瓦斯突出)期间,使输入的空气与涌出的瓦斯混合、稀释,达到掘进巷道等区域的甲烷体积分数小于1%,不能产生瓦斯集聚,满足煤矿安全规程的要求。这是正效应。(2)发生爆炸是在轻度瓦斯突出(绝对瓦斯涌出量为5m3/min～75m3/min或更多)期间,大多是在1min～2min内,风筒输入的风和突出的瓦斯气共同混合成可爆混气,风量越大,混合成的可爆混气体积越大,占据的煤矿巷道的长度越长(长径比越大),遇火花爆炸后产生的最大爆炸压力越高。当风筒风量大于400m3/min时,能够产生爆轰,最大爆炸压力可高达1.4MPa,造成与此巷道相通的整个矿井绝大部分人员死亡。这是加大加强通风量的负作用,也是近年来煤矿生产技术中引入的一种对防爆炸起负(反)作用的“措施”,应该是13个半月发生6次死亡83人以上的特大煤矿瓦斯爆炸事故的主要原因。(3)瓦斯监测系统和瓦斯断电仪暂时还不能监控、制止瓦斯爆炸。瓦斯监控系统和瓦斯断电仪是很好的监控手段,但近一年多的6次特大煤矿瓦斯爆炸事故以及前面列举的8次爆炸事故中为什么没起作用?如上所述,发生瓦斯突出时只在2min左右就形成147m3～941m3可爆混气,并且是在掘进端面附近的巷道内形成。瓦斯浓度监测点的浓度还没改变,瓦斯断电仪就会动作,但不能阻止瓦斯突出与可爆混气的生成。所以,暂时还不能制止瓦斯爆炸。(4)可以解释煤矿瓦斯爆炸集中、连续发生的现象。从2003年2月17日攀枝花煤矿瓦斯爆炸算起,8日内发生4起煤矿瓦斯爆炸和1次燃烧事故,共死亡70多人;2003年5月13日安徽芦岭煤矿瓦斯爆炸后,8日内共发生4起煤矿瓦斯爆炸,死亡130多人;2003年8月11日山西杏儿沟煤矿瓦斯爆炸后,9日内发生4起瓦斯爆炸,死亡88人。2005年10月1～4日发生3起爆炸,死亡54人;10月23日至11月6日发生5起爆炸,死亡71人。根据上述分析很容易解释。因为一处煤矿发生爆炸事故后,各煤矿领导或矿主都会警觉,担心出现事故,采取了他们认为能防止爆炸的措施——加大加强(风筒靠近掘进端面)风量。然而发生爆炸的危险性更大了,而且连续发生。(5)证件不全的煤矿和特别重视安全生产的煤矿容易发生爆炸事故。证件不全或没有批准生产的矿井矿主、领导最怕出事,更要加大、加强通风量,更容易发生爆炸。相反,特别重视安全生产的矿长,也会加大、加强通风量,也容易发生爆炸。黑龙江七台河东风煤矿是三年安全生产先进煤矿,属于后者。(6)低瓦斯矿井也可以发生瓦斯爆炸。低瓦斯矿井是相对瓦斯涌出量≤10m3/t。这表示正常情况下,绝对瓦斯涌出量低,并不表示没有轻度瓦斯突出。如果风筒风量大于100m3/min,轻度瓦斯突出时同样可以产生瓦斯爆炸。如果风量大于250m3/min,爆炸烈度会很大。(7)将瓦斯(甲烷)报警体积分数降低到0.8%是不良的措施。报警体积分数降低到0.8%,相应地要加大风筒风量。例如,绝对瓦斯涌出量为2.1m3/min的情况,保持瓦斯体积分数低于0.8%,风筒风量将由208m3/min(低于1%)上升到260m3/min,瓦斯突出时将形成更多的可爆混气。风量加大的另一缺点——容易扬起煤尘,使巷道内空气中飘浮一定的煤尘,降低瓦斯的爆炸下限,更容易引起爆炸。《煤矿安全规程》表2规定“采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷”允许的最高风速为4m/s。风筒风量为200m3/min,风筒直径为0.5