煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)氣體通風(fēng)壓力的危害研究

張劍峰

摘 要：煤礦通風(fēng)是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，受多種因素的影響。通風(fēng)壓力是影響氣道氣流穩(wěn)定的重要因素之一。進一步闡述了通風(fēng)壓力的形成及特點，并進行了數(shù)值模擬，驗證了通風(fēng)壓力對氣道氣流穩(wěn)定性的作用。然后以某煤礦發(fā)生的氣流停滯事故為例進行了分析。結(jié)果表明，支路的氣流可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)。氣體通風(fēng)壓力越大，回轉(zhuǎn)率越明顯。并聯(lián)支路的反轉(zhuǎn)序列與支路的氣流速度和支路長度有關(guān)。

關(guān)鍵詞：煤礦通風(fēng);壓力

1 背景

在采煤作業(yè)過程中，通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)不能簡單地保持恒定。大量的影響因素可以控制或影響系統(tǒng)的性能。其中自然通風(fēng)是主要的外界干擾因素，自地下開采以來一直受到人們的關(guān)注。地下建筑自然通風(fēng)壓力有助于優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，降低能耗，避免氣體或有毒物質(zhì)的積聚風(fēng)險。而自然通風(fēng)壓力也會引起礦井通風(fēng)中某些氣道的氣流倒轉(zhuǎn)或降低其氣流速度。世界各國學(xué)者在自然通風(fēng)壓力領(lǐng)域進行了廣泛的研究。

2 氣體通風(fēng)壓力的形成及特征

氣體抽放壓力是由氣體在傾斜巷道內(nèi)積聚引起的，在抽放系統(tǒng)失效的情況下，煤層可能發(fā)生氣體涌出，從而誘發(fā)氣體積聚。它可以看作是自然通風(fēng)壓力的一種形式。通風(fēng)壓力的大小主要受氣流濃度和氣道高程差的影響。當(dāng)高濃度氣體在氣道中積聚時，溫度作用可以忽略不計。由于甲烷的密度低于空氣的密度，混合氣體的密度會發(fā)生變化。當(dāng)氣道也存在高程差時，形成氣體通風(fēng)壓力。氣體通風(fēng)壓力計算如下：

（1）

式中，為氣道氣體通風(fēng)壓力，Pa;與氣體混合后氣道平均氣流密度kg/m3;空氣密度，kg/m3;z（0）和z（L）分別為海拔的開始和結(jié)束連接，m。

3 氣體通風(fēng)壓力引起氣流穩(wěn)定性的實例研究

3.1 實例背景

某煤礦通風(fēng)系統(tǒng)簡化后如圖1所示。氣道c和氣道e為煤層中布置的兩條傾斜氣道，通道氣體中包含甲烷含量為3m3/t，煤層厚度為3m。這兩條氣道的傾角都是30度，由d、k兩路相連，其中k路高程為-526.7m，d路高程為-451.8m。兩個氣道為全壓力通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)速為6m3/s。在6m3/s的氣流速率下，回流氣流的甲烷濃度為0.35%。k氣道安裝通風(fēng)門，簡化通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。簡化后的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。且簡化通風(fēng)系統(tǒng)中所有氣道高度和寬度相同（高度為3 m，寬度為3.33 m），煤礦主風(fēng)機的操作點3.4kPa、456m3/s，這種情況所需的最低風(fēng)速為0.5m/s，在氣道中氣流速度b，c，d，e是6m3/s。

3.2 非定常通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

為了進一步分析氣體積聚引起的氣流穩(wěn)定性，采用非定常通風(fēng)程序[3]對氣體通風(fēng)壓力進行計算，并用程序進行了數(shù)值模擬。初始條件如下（表1）：c、d、e氣道甲烷濃度分別為60%、100%、60%，其他氣道為0%。甲烷密度為0.72 kg/m3，空氣密度為1.29kg/m3，風(fēng)機安裝在氣道h，風(fēng)機壓力為1735 Pa，氣流速度為12.752 m3/s。根據(jù)初始條件，采用非定常通風(fēng)方案求解各氣道初始?xì)饬魉俣热绫?所示。它們都在現(xiàn)場測試結(jié)果的范圍內(nèi)。氣道c的氣流速度分布如圖2所示。打開L氣道調(diào)節(jié)閥后，c、d、e氣道積存甲烷，高濃度的甲烷阻礙氣流。由程序推導(dǎo)出氣道c內(nèi)氣流速度為2.7m3/s。此值略有波動，但在短時間內(nèi)，最終氣流保持在零。仿真結(jié)果與實例描述和現(xiàn)場試驗吻合較好。

4 結(jié)論

當(dāng)甲烷在氣道內(nèi)積聚時，由于甲烷的密度小于空氣的密度，在有高程差的氣道內(nèi)產(chǎn)生氣體通風(fēng)壓力。高濃度的甲烷阻礙氣流，導(dǎo)致氣流有一定的波動。充滿氣體的支路內(nèi)的氣流可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)。氣體通風(fēng)壓力越大，氣流逆轉(zhuǎn)越容易，從而造成事故發(fā)生。

參考文獻：

[1]郝瑞.煤礦通風(fēng)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與運行研究[J].礦業(yè)裝備，2018（1）.

[2]符曉.基于CFD礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[3]佚名.一種基于壓力相關(guān)法的煤礦通風(fēng)機流量測量方法：中國，CN104005974A[P].2014.