高瓦斯礦井風(fēng)筒風(fēng)筒的優(yōu)化控制

高瓦斯礦井風(fēng)筒風(fēng)筒的優(yōu)化控制

1煤礦瓦斯襲擊事件的現(xiàn)狀中國(guó)的煤礦調(diào)整已經(jīng)實(shí)施了多年，效果如何？經(jīng)過(guò)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(tuán)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(zhǎng)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(gè)多月內(nèi)煤礦爆炸事故的不完全統(tǒng)計(jì)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(tái)河?xùn)|風(fēng)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(gè)半月中發(fā)生了6次死亡超過(guò)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(qiáng)通風(fēng)量,加強(qiáng)管理,各煤礦都裝設(shè)了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和甲烷斷電器,有的煤礦將報(bào)警點(diǎn)設(shè)在0.8%甲烷體積分?jǐn)?shù),采取了除塵設(shè)備,對(duì)出事的礦長(zhǎng)、有責(zé)任的地方官員進(jìn)行了處罰,鏟除了官煤結(jié)合腐敗現(xiàn)象,礦領(lǐng)導(dǎo)下井跟班生產(chǎn),關(guān)停了數(shù)以萬(wàn)計(jì)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(guān)閉了12000多處煤礦。11月27日黑龍江七臺(tái)河?xùn)|風(fēng)煤礦瓦斯爆炸事故,震驚了黨中央和國(guó)務(wù)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(yán)重,在中國(guó)采煤史上是空前的。文指出“建國(guó)51年來(lái),我國(guó)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(gè)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(méi)關(guān)閉中小煤礦時(shí)嚴(yán)重得多(約15倍)。出于對(duì)黨和人民負(fù)責(zé),客觀、冷靜、唯物地思考一下,用矛盾論、實(shí)踐論觀點(diǎn)分析一下,是否應(yīng)當(dāng)考慮還沒(méi)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(shù)中采用了一種對(duì)防止爆炸起負(fù)(反)作用的“措施”。2絕對(duì)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?jǐn)?shù)處于爆炸上限與下限之間的混氣),遇到大于最小點(diǎn)火能的火源,則在點(diǎn)火源處引燃,火焰立即從此點(diǎn)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(chēng)為爆燃,大于音速稱(chēng)為爆轟。一般將爆燃和爆轟都稱(chēng)作爆炸。目前采煤應(yīng)用的加大加強(qiáng)通風(fēng)量的目的,不僅使巷道內(nèi)瓦斯(甲烷)體積分?jǐn)?shù)低于爆炸下限(5%),而且是低于1%,滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》的強(qiáng)制要求。具體加大到多少與掘進(jìn)巷道的絕對(duì)瓦斯涌出量有關(guān)。表1給出綜掘與炮掘工作面24h瓦斯涌出量的統(tǒng)計(jì)值(引自文表3-1-2)。由表1可看出,對(duì)于綜掘、炮掘絕對(duì)瓦斯涌出量可高達(dá)2.1m3/min,這是高瓦斯礦井。低瓦斯礦井的相對(duì)瓦斯涌出量≤10m3/t,若認(rèn)為絕對(duì)瓦斯涌出量與相對(duì)瓦斯涌出量成正比,可折算出相對(duì)瓦斯量為10m3/t(低瓦斯礦井)時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量,見(jiàn)表1。由這些折算值可以看出,低瓦斯礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量≤0.56m3/min。文表3-1-11給出一個(gè)更大的絕對(duì)瓦斯涌出量3.85m3/min,這是24h的統(tǒng)計(jì)值。若將其稀釋成瓦斯體積分?jǐn)?shù)≤1%(符合煤礦安全規(guī)程要求),需要風(fēng)量≥381.1m3/min(對(duì)于3.85m3/min絕對(duì)瓦斯涌出量),≥208m3/min(對(duì)于2.1m3/min絕對(duì)瓦斯涌出量)和55.5m3/min(對(duì)于0.56m3/min絕對(duì)瓦斯涌出量)。考慮涌出量的波動(dòng),體積分?jǐn)?shù)的分布不均勻。為了保證瓦斯體積分?jǐn)?shù)≤1%,將風(fēng)量分別取為400m3/min、250m3/min和70m3/min。由此可見(jiàn),加大加強(qiáng)風(fēng)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?jǐn)?shù)稀釋到小于1%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆炸下限5%,即使遇到火源也不會(huì)發(fā)生爆炸。具體做法是相應(yīng)加大風(fēng)量,并規(guī)定風(fēng)筒出口距掘進(jìn)端面小于7m,使風(fēng)筒噴出的風(fēng)絕大部分能吹到掘進(jìn)端面,加強(qiáng)了對(duì)它的通風(fēng)。這種措施以規(guī)程規(guī)定強(qiáng)制執(zhí)行,這是加大加強(qiáng)風(fēng)量的優(yōu)點(diǎn)。3d水長(zhǎng)、風(fēng)筒風(fēng)力煤礦事故分析中常見(jiàn)“瓦斯突出”的結(jié)論,有嚴(yán)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(shí),加大的通風(fēng)量和突出的瓦斯氣共同混合成可爆混氣(瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于5%～15%的混氣)。表2給出三種風(fēng)量2min可形成的可爆混氣的有關(guān)參數(shù)。假定巷道高2m、寬4m。根據(jù)水力學(xué)直徑D水=4AP=4AΡ(式中:A為截面積;P為截面周長(zhǎng)),算得D水=2.67m。長(zhǎng)徑比為可爆混氣占據(jù)巷道長(zhǎng)度與D水之比。由表2可以看出:(1)不同的風(fēng)筒風(fēng)量能夠形成可爆混氣的絕對(duì)瓦斯涌出量不同,范圍不同,風(fēng)量大的范圍寬。例如,風(fēng)量為400m3/min,絕對(duì)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(fēng)筒風(fēng)量為70m3/min,可形成可爆混氣的絕對(duì)瓦斯涌出量為3.7m3/min～12.4m3/min,范圍僅為8.7m3/min,是400m3/min風(fēng)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(fēng)筒風(fēng)量再低,范圍更窄,更不容易形成可爆混氣。(2)風(fēng)筒風(fēng)量大形成的可爆混氣體積大。風(fēng)筒送風(fēng)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(fēng)筒風(fēng)量為70m3/min形成可爆混氣最大體積164.8m3的5.71倍,相應(yīng)形成的可爆混氣占據(jù)的巷道長(zhǎng)度長(zhǎng),長(zhǎng)徑比大。由表2可以看出,2min內(nèi)風(fēng)筒風(fēng)量為400m3/min形成的可爆混氣占據(jù)巷道長(zhǎng)度的長(zhǎng)徑比高達(dá)44,是風(fēng)量為70m3/min的長(zhǎng)徑比7.7的5.71倍。4煤塵卷?yè)P(yáng)渦流橫向渦流加大通風(fēng)是指風(fēng)筒出口距離掘進(jìn)端面太近(≤7m)。在高2.5m、寬3.1m、長(zhǎng)20m的試驗(yàn)巷道(見(jiàn)圖1)中的左側(cè)面頂部放置一風(fēng)筒(見(jiàn)圖2),風(fēng)量約110m3/min。風(fēng)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(jiàn)在封閉端面附近(3m)產(chǎn)生強(qiáng)的橫向渦流(見(jiàn)圖3)。如果除塵措施不力,會(huì)將煤塵卷?yè)P(yáng)在渦流中。試驗(yàn)證明,這種渦流會(huì)使可燃?xì)?、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(diǎn)火分析文指出在長(zhǎng)管道中,可燃?xì)獗▔毫εc有可爆混氣的管路的長(zhǎng)徑比有關(guān)。文用液化石油氣在長(zhǎng)徑比為7,截面為1m×1m的爆炸裝置內(nèi)進(jìn)行的爆炸試驗(yàn)。結(jié)果表明,最大爆炸壓力與體積分?jǐn)?shù)有關(guān),在稍比化學(xué)當(dāng)量比濃度高些的體積分?jǐn)?shù)(危險(xiǎn)濃度),爆炸壓力最高。爆炸壓力還與點(diǎn)火位置,管內(nèi)障礙物(紊流)有關(guān)。在封閉端引爆,壓力最高,在可燃混氣段朝著開(kāi)口端引爆,爆炸壓力最低。長(zhǎng)徑比為7,封閉端點(diǎn)火,在危險(xiǎn)濃度情況下,最大爆炸壓力達(dá)到198kPa。在表2風(fēng)筒風(fēng)量400m3/min時(shí),1min內(nèi)可爆混氣占據(jù)的巷道長(zhǎng)徑比為19.7～22,危險(xiǎn)濃度(瓦斯氣在10%左右,絕對(duì)瓦斯涌出量在45m3/min左右)下,估計(jì)爆炸壓力可高達(dá)400kPa;2min可爆混氣占據(jù)的巷道長(zhǎng)徑比為39.4～44,危險(xiǎn)濃度下能產(chǎn)生爆轟,爆炸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于700kPa。風(fēng)筒風(fēng)量為250m3/min時(shí),2min可爆混氣占據(jù)巷道的長(zhǎng)徑比在24.6～27.6,在掘進(jìn)端頭引爆,瓦斯處于危險(xiǎn)濃度(絕對(duì)瓦斯涌出量在29m3/min左右),最大爆炸壓力會(huì)比400kPa高一些。而風(fēng)筒風(fēng)量為70m3/min時(shí),可爆混氣占據(jù)巷道的長(zhǎng)徑比為6.9～7.7,絕對(duì)瓦斯涌出量約為8.1m3/min時(shí)是危險(xiǎn)濃度,最大爆炸壓力為200kPa左右。由以上分析可知,風(fēng)筒風(fēng)量為70m3/min,產(chǎn)生最大爆炸壓力情況下能造成掘進(jìn)端面附近的人員死亡,而其他巷道人員則不會(huì)。風(fēng)量再小,形成的可爆混氣的絕對(duì)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(fēng)量增大到400m3/min或更高時(shí),最?lèi)毫忧闆r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(qiáng)通風(fēng)量所起的促進(jìn)發(fā)生特大煤礦瓦斯爆炸的作用。6輸氣流量試驗(yàn)在長(zhǎng)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(yàn),證明了上述的分析結(jié)果是正確的。為了更有說(shuō)服力,在試驗(yàn)巷道(可看作煤礦巷道靠近掘進(jìn)端面的一段,見(jiàn)圖1)內(nèi),距封閉端面7m的左側(cè)面頂部放置一風(fēng)筒(見(jiàn)圖2),風(fēng)量約110m3/min。在封閉端輸入天然氣,輸氣流量第一次試驗(yàn)為6m3/min,第二次試驗(yàn)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(diǎn)火,第二次在距端面4m的截面幾何中心用電火花點(diǎn)火,兩次點(diǎn)火后都立即爆炸。試驗(yàn)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(qiáng)度非常低。兩次均將距端面3.1m后的馬口鐵板炸開(kāi),爆炸開(kāi)口面積大于10m2(見(jiàn)圖5所示)。流量為6m3/min的天然氣與110m3/min的風(fēng)量均勻混合,混氣中天然氣體積分?jǐn)?shù)為5.17%,流量為7m3/min的天然氣混合后天然氣體積分?jǐn)?shù)為5.98%。天然氣的爆炸下限為3.6%,有火花則爆炸。試驗(yàn)結(jié)果正是這樣。7瓦斯襲擊的情況(1)加大加強(qiáng)風(fēng)筒風(fēng)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(dá)到掘進(jìn)巷道等區(qū)域的甲烷體積分?jǐn)?shù)小于1%,不能產(chǎn)生瓦斯集聚,滿(mǎn)足煤礦安全規(guī)程的要求。這是正效應(yīng)。(2)發(fā)生爆炸是在輕度瓦斯突出(絕對(duì)瓦斯涌出量為5m3/min～75m3/min或更多)期間,大多是在1min～2min內(nèi),風(fēng)筒輸入的風(fēng)和突出的瓦斯氣共同混合成可爆混氣,風(fēng)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(zhǎng)度越長(zhǎng)(長(zhǎng)徑比越大),遇火花爆炸后產(chǎn)生的最大爆炸壓力越高。當(dāng)風(fēng)筒風(fēng)量大于400m3/min時(shí),能夠產(chǎn)生爆轟,最大爆炸壓力可高達(dá)1.4MPa,造成與此巷道相通的整個(gè)礦井絕大部分人員死亡。這是加大加強(qiáng)通風(fēng)量的負(fù)作用,也是近年來(lái)煤礦生產(chǎn)技術(shù)中引入的一種對(duì)防爆炸起負(fù)(反)作用的“措施”,應(yīng)該是13個(gè)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(cè)系統(tǒng)和瓦斯斷電儀暫時(shí)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(méi)起作用?如上所述,發(fā)生瓦斯突出時(shí)只在2min左右就形成147m3～941m3可爆混氣,并且是在掘進(jìn)端面附近的巷道內(nèi)形成。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度還沒(méi)改變,瓦斯斷電儀就會(huì)動(dòng)作,但不能阻止瓦斯突出與可爆混氣的生成。所以,暫時(shí)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?yàn)橐惶幟旱V發(fā)生爆炸事故后,各煤礦領(lǐng)導(dǎo)或礦主都會(huì)警覺(jué),擔(dān)心出現(xiàn)事故,采取了他們認(rèn)為能防止爆炸的措施——加大加強(qiáng)(風(fēng)筒靠近掘進(jìn)端面)風(fēng)量。然而發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)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(méi)有批準(zhǔn)生產(chǎn)的礦井礦主、領(lǐng)導(dǎo)最怕出事,更要加大、加強(qiáng)通風(fēng)量,更容易發(fā)生爆炸。相反,特別重視安全生產(chǎn)的礦長(zhǎng),也會(huì)加大、加強(qiáng)通風(fēng)量,也容易發(fā)生爆炸。黑龍江七臺(tái)河?xùn)|風(fēng)煤礦是三年安全生產(chǎn)先進(jìn)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(duì)瓦斯涌出量≤10m3/t。這表示正常情況下,絕對(duì)瓦斯涌出量低,并不表示沒(méi)有輕度瓦斯突出。如果風(fēng)筒風(fēng)量大于100m3/min,輕度瓦斯突出時(shí)同樣可以產(chǎn)生瓦斯爆炸。如果風(fēng)量大于250m3/min,爆炸烈度會(huì)很大。(7)將瓦斯(甲烷)報(bào)警體積分?jǐn)?shù)降低到0.8%是不良的措施。報(bào)警體積分?jǐn)?shù)降低到0.8%,相應(yīng)地要加大風(fēng)筒風(fēng)量。例如,絕對(duì)瓦斯涌出量為2.1m3/min的情況,保持瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.8%,風(fēng)筒風(fēng)量將由208m3/min(低于1%)上升到260m3/min,瓦斯突出時(shí)將形成更多的可爆混氣。風(fēng)量加大的另一缺點(diǎn)——容易揚(yáng)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(jìn)中的煤巷和半煤巖巷”允許的最高風(fēng)速為4m/s。風(fēng)筒風(fēng)量為200m3/min,風(fēng)筒直徑為0.5