優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)防止煤層自然發(fā)火現(xiàn)象出現(xiàn)

張福國

摘 要：我國煤炭資源儲量豐富，煤礦資源又是我國工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的主要燃料能源，因此，煤礦開采行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。在煤炭開采作業(yè)中，由于開采作業(yè)環(huán)境本身極具危險性，因此要想提高煤炭開采質量和效率，最為首要的問題就是如何有效降低開采作業(yè)的風險性，保障開采人員的人身安全。在開采作業(yè)環(huán)節(jié)，煤層結構內(nèi)部經(jīng)常由于氧氣濃度過高而引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象，這與煤層本身的深度和礦井通風不良有直接的關系。每年，由煤層自然發(fā)火現(xiàn)象引起的人員傷亡事故不在少數(shù)，同時也給煤礦開采企業(yè)帶來了不小的經(jīng)濟損失，社會影響極為惡劣。為此，企業(yè)應該在煤礦開采過程中注意對礦井通風系統(tǒng)對維護和優(yōu)化，從根源上防止煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的發(fā)生。文章就對引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的原因以及通風系統(tǒng)中常見的問題進行了深入分析，并重點提出了改良通風系統(tǒng)對幾點措施，旨在降低煤炭開采安全事故發(fā)生的幾率。

關鍵詞：自然發(fā)火；作用機理；巷道破裂；風壓風速

礦井開采作業(yè)深處地下，其環(huán)境的惡劣性被人們所熟知，井下作業(yè)環(huán)境極具復雜性，空氣污濁潮濕，粉塵濃度較大，甚至伴隨有有害物質的產(chǎn)生，而且還極易導致由于空氣流通不暢所引發(fā)的煤層自然發(fā)火現(xiàn)象，嚴重危及到井下開采人員生命安全。在礦井中設置通風系統(tǒng)能夠有效緩解上述問題，礦井通風系統(tǒng)通常被視作礦井開采作業(yè)的核心安全系統(tǒng)，在礦井開采作業(yè)中擔負著重要任務。首先，它能夠有效的利用通風設備將井下的污濁氣體與外界的空氣進行有效的替換，有助于礦井內(nèi)部的空氣流通，滿足人員的氧氣供應需要；其次，還可以有效的將井下有毒有害的物質排放到井外，為作業(yè)人員提供了較為安全的作業(yè)環(huán)境；最為重要的是，科學的進行通風系統(tǒng)建設還能夠有效避免井下氧氣濃度過于集中而引發(fā)的煤層自然發(fā)火事故，開采人員的安全，降低了煤礦開采事故的發(fā)生率。目前在煤礦開采行業(yè)，所面臨的主要問題不是通風系統(tǒng)設置數(shù)量不足，而是由于系統(tǒng)建設缺乏科學性而使得其功能無法有效發(fā)揮，因此，企業(yè)要進一步加大礦井通風系統(tǒng)的建設力度，并采取各種方法不斷優(yōu)化通風系統(tǒng)結構，使其真正為保障開采作業(yè)的安全做出貢獻。

1 引發(fā)煤層自然發(fā)火的構成要件

開采作業(yè)環(huán)節(jié)中，容易引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的原因可以歸結為如下幾種：其一，與煤層開采的深度有關。煤層自然發(fā)火現(xiàn)象多發(fā)生于深度井下開采環(huán)節(jié)，這是由于在淺層開采時，煤層開采對于風量和風壓的要求較低，其內(nèi)部溫度也不高，所以基本不會引發(fā)爆燃事故。但隨著開采深度的加深，煤層自身的溫度不斷提高，且深層礦井的風量和風壓都相對較高，會產(chǎn)生大量瓦斯物質，而與此同時礦井深層的空氣流通不好，氧氣含量過于集中，一旦瓦斯物質聚積到一定程度，就會發(fā)生嚴重的爆燃事故。其二，煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的發(fā)生還與煤層本身的內(nèi)部地質結構有關。煤層開采作業(yè)會對地下煤層結構造成極為嚴重的破壞，打破了其原有的堅固性，使煤層間結構變得松散，煤層本身的氧化狀況加重，積累到一定程度就會引發(fā)自燃。另外，由于煤層開采深度不斷加深，使得井下與地面的通風路徑相對延長，進入礦井深層的風量就被大大削弱，相對而言，井底壓力則大幅增加，為煤層自然發(fā)火間接的創(chuàng)造了條件。

2 影響井下風壓發(fā)生變化的原因分析

風壓的發(fā)生原理主要是由于進風口和排風口通道之間的空氣氣流差異所產(chǎn)生的風壓差，導致風壓差出現(xiàn)變化的因素主要包括開采作業(yè)深度的變化，環(huán)境溫度的變化以及通風系統(tǒng)的影響。

3 風壓變化引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的作用機理

引起風壓發(fā)生變化的因素有很多種，其中，季節(jié)性因素變化對于風壓變化所帶來的影響十分明顯。在季節(jié)交替過程中，風壓會受到外部對流環(huán)境的影響而改變風向和風速，使得風壓發(fā)生明顯變化。

3.1 風壓與環(huán)境溫度和開采深度之間的關系。風壓會隨著開采作業(yè)的環(huán)境溫度變化而有所改變，在煤礦開采作業(yè)初期，是淺層煤礦挖掘作業(yè)，此時煤層的內(nèi)部溫度還處于較低狀態(tài)，但隨著開采作業(yè)的繼續(xù)，煤層開采深度逐漸增加，越到深層其內(nèi)部溫度變化就越為明顯，溫度上升幅度也隨著煤層挖掘深度而逐層遞加，同時，礦井深層的通風量呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，使得礦井底部的流通性降低，溫度因素和流通性因素相結合就使得風壓發(fā)生較為顯著的變化。

風壓變化導致的自然發(fā)火現(xiàn)象還與煤層挖掘過程中的氧化程度有關，煤層挖掘深度的增加使得開采作業(yè)對于煤層結構的破壞力也大大增加，不僅破壞的其原有的內(nèi)部構造，而且還加大了煤層結構的空隙，增加了煤層結構的受氧化面積，為自然發(fā)火現(xiàn)象創(chuàng)造了氧化條件。要想降低風壓變化對煤層開采作業(yè)安全性的影響，就必須全方位了解風壓的變化趨勢，將開采作業(yè)的風險性控制在源頭。

3.2 由巷道破裂引發(fā)的自然發(fā)火事故在煤炭開采事故中占據(jù)相當大的比例。巷道自然發(fā)火較其他原因引起的自然發(fā)火現(xiàn)象而言，更具事故發(fā)生原因的隱蔽性，同時在日常開采過程中也較難察覺，一旦發(fā)生火災事故，就會對人員和開采設備造成極大的危害。對于引發(fā)巷道火災的原因主要包括以下幾方面。首先，巷道發(fā)生火災的地方多具有易燃物質的殘留，例如煤炭或者巷道本身的構建材料；其次，巷道破裂處往往會破壞原有的礦井結構平衡，使得局部壓力突然增大，進而加劇了巷道破損和開裂的面積，而一旦出現(xiàn)大面積巷道破損，就會直接導致煤層暴露面積增加，使其氧化程度加重，也就更容易發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象；再次，巷道破損會直接加重煤層漏風狀況，空氣流通量增加滿足了自然發(fā)火的氧化條件，極易引發(fā)自然發(fā)火事故。要想解決由巷道破損原因所引起的自然發(fā)火事故，就必須加強巷道建設管理，對巷道經(jīng)常進行安全性減產(chǎn)，并注意對巷道結構的維護，避免因巷道環(huán)境變化造成的風壓差變化。

3.3 自然風壓極易受到礦井通風地點的影響，因此，在通風地點和系統(tǒng)建設環(huán)節(jié)要注意與礦井風壓特點的配合。首先，要尤其注意開采區(qū)域的季節(jié)變化特點，根據(jù)其季節(jié)變化趨勢對風壓狀況做出科學的判斷和預測。對可能造成風壓變化的開采設備的使用和管理要嚴格按照操作標準進行，避免因設備操作不當引發(fā)的風壓變化情況的發(fā)生。對于巷道損壞區(qū)域要及時予以維修，以降低漏風情況發(fā)生的概率。其次，在進行通風系統(tǒng)設計和建設環(huán)節(jié)，要充分考慮當?shù)仫L壓環(huán)境的變化特點，盡量使系統(tǒng)排風方向與風壓方向相一致，同時還要合理布置進風口和排風口的位置。要根據(jù)當?shù)仫L壓變化特點，對開采設備進行合理的功能調(diào)整，當風壓突然增強時，要采取有效方法進行風壓的控制，使其回歸到正常范圍之內(nèi)。在自然發(fā)火高發(fā)區(qū)域，要重點加強風壓管理，時刻監(jiān)測自然風壓的動向。

4 優(yōu)化通風系統(tǒng)的具體實施方案

4.1 優(yōu)化礦井通風結構，降低內(nèi)部結構的復雜性

在礦井通風優(yōu)化系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)，可以綜合多種結構設計的優(yōu)點，并根據(jù)實際情況進行設計方案的合理選擇。例如，可以采用中央分列式通風系統(tǒng)結構，這種方式可以最大程度的縮短通風系統(tǒng)的路徑，降低風壓和風速，進風阻力也可以控制在合適的范圍內(nèi)，同時也降低了漏風現(xiàn)象發(fā)生的幾率，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。礦井系統(tǒng)結構的設計還要盡量簡潔并降低系統(tǒng)內(nèi)部結構的復雜性。對于通風系統(tǒng)的管理可以采取分區(qū)原則，使各個開采區(qū)域相獨立，有利于風險的分散，一旦發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象，更加有利于火災撲救，同時火災也不會波及其他開采區(qū)域，確保了開采作業(yè)的安全性。在進行深層煤炭開采作業(yè)時，要對容易發(fā)生自然發(fā)火的重點區(qū)域采取有效的風壓風阻控制措施，在保證空氣流通性的同時將風壓控制在合理范圍內(nèi)，杜絕一切可以引發(fā)自然的氧化條件。

4.2 科學的對通風設施進行選擇和安裝

風路中安設風門、調(diào)節(jié)風窗和密閉后，其上風側壓力升高，下風側壓力降低，客觀存在著局部風壓差，且設施的隔風程度越好則產(chǎn)生的局部風壓差越大，即h密閉>h風門> h調(diào)節(jié)風門。選擇通風設施類型時，應根據(jù)要求的隔風程度和所處巷道供風量的變化范圍合理選定，以在一定程度上進行卸壓，最大限度地降低通風設施上下側的局部壓力差，減少其周邊的漏風強度和深度。若選擇密閉時，則應盡可能地保證其密封性，使該處的風阻無限大，讓兩側間的漏風量趨近于0。通風設施若建于煤巷時，受礦壓不斷發(fā)生動態(tài)變化的影響，周圍煤體不僅會產(chǎn)生裂隙，而且裂隙隨著時間的推移會不斷向煤體深部發(fā)育加深。當風門兩側的局部風壓差達到一定程度，向其周邊煤體裂隙的漏風供氧強度適中，碎煤體因氧化而產(chǎn)生的熱量大于放散的熱量時，就開始蓄積熱量，煤溫升高，氧化速度加快，達到燃點后便開始燃燒。并且，當風門建于進風煤巷時，在礦井通風負壓的作用下，其下風側任意兩點間的壓差值將可能增大，容易誘發(fā)其他巷道周圍破碎煤體氧化積熱而發(fā)火。因此，能設調(diào)節(jié)風門的應盡可能設置，且風門或調(diào)節(jié)風門應盡可能設置在回風側的巖巷中，以降低風門兩側或風門下風側煤巷任意兩點間的風壓差和漏風范圍，防止向其周圍破碎煤體呈一定強度的連續(xù)漏風而快速氧化積熱發(fā)火。

2000年以前，某煤礦對通風設施的類型和建造位置認識不夠，風門兩側及其下風側煤巷周圍破碎煤體的自燃現(xiàn)象十分嚴重，據(jù)統(tǒng)計，該類火災占巷道發(fā)火次數(shù)的35.75%以上。2000年以來，該礦充分意識到該問題后，對風門類型和建造位置認真選擇、建造后，該類火災大幅降低。由近10年來的統(tǒng)計資料可知，該類火災發(fā)生的次數(shù)僅占巷道自燃火災的18.96%。

4.3 采取有效措施降低風速，并合理改變風向

由于風流在礦井巷道中始終處于被壓縮狀態(tài)，受流體和氣體分子自身固有特性的影響，客觀存在著“反壓縮膨脹”作用，加之巷道壁面凸凹、粗糙不平以及巷中生產(chǎn)設備占用巷道空間等所產(chǎn)生的局部風壓的共同作用，風流勢必膨脹后向其周邊破碎煤體裂隙連續(xù)漏風供氧。

當漏風速率適中，破碎煤體的氧化活性得到充分激活，受漏風流流態(tài)攜散熱性能不好的制約，生成的熱量遠大于散失的熱量時，發(fā)生自燃的幾率增大。尤其是風速達到或超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的風速上限時，向巷道周邊破碎煤體的擴散滲流漏風強度和深度隨“反壓縮膨脹”作用增強而加大，達到一定程度后，不僅高冒區(qū)周圍或地質構造帶附近的碎煤體出現(xiàn)自燃，而且，可誘發(fā)高冒區(qū)破裂煤體發(fā)生高位自燃。因此，適中的風流速度，對防止巷道周邊煤體的發(fā)火有很好的促進作用。某煤礦在巷道支護改革以前，由于受礦壓顯現(xiàn)劇烈、純剛性支護耐壓性較差的影響，巷道通風斷面收縮變形嚴重，風速達到或超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的上限，巷道周圍碎煤體的自燃現(xiàn)象嚴重。特別是巷頂碎煤體的發(fā)火比較普遍，據(jù)資料統(tǒng)計，其發(fā)火次數(shù)占巷道火災的63.42%。支護工藝和方式改革后，耐壓程度大幅提高，巷道受壓流變、收縮程度減弱，風速穩(wěn)定在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定上限的60%～80%以內(nèi)，發(fā)火現(xiàn)象下降了72.18%。這說明：適宜的風速對向巷道周邊碎煤體的擴散漏風而誘發(fā)自燃有較強的預防作用。

4.4 分析風壓變化規(guī)律并有效加以利用

氣候對礦井通風壓力的影響，主要是自然風壓方面。自然風壓作為礦井通風的次要動力，隨著季節(jié)的不同對礦井機械風壓的影響趨勢存在差異。礦井進風和出風兩側空氣柱的高度和平均密度是影響礦井自然風壓的2種因素，而空氣柱的平均密度主要決定于空氣的密度。由于進風側空氣柱的平均密度隨地面四季氣溫而變化，出風側空氣柱的平均密度常年基本不變，致使礦井的自然風壓會發(fā)生幅度較大的季節(jié)性變化。春冬季節(jié)，自然風壓和機械風壓的作用方向相同。而夏季和秋季，則與機械風壓的作用方向相反。尤其是進、出風口高差大的礦井，自然風壓隨季節(jié)的變化對機械風壓的影響比較明顯，甚至在春夏或秋冬換季期間發(fā)生晝夜變化。對于正常生產(chǎn)的礦井而言，在風阻基本不變的前提下，自然風壓隨季節(jié)的變化將造成礦井風量發(fā)生相應的增減。這種變化進入穩(wěn)定期后，對煤層自然發(fā)火影響不大。

但處于氣溫變化頻繁且幅度較大的春夏或秋冬交季期間，礦井通風壓力和風量隨之發(fā)生相應的波動，向通風巷道頂、幫破碎煤體的漏風也發(fā)生頻繁變化，致使煤體的氧化范圍和蓄熱環(huán)境不穩(wěn)定，既忽大忽小又頻繁變化，極易誘發(fā)自然發(fā)火。季節(jié)的變化，將造成空氣中水蒸氣的含量不同。冬春季，地面溫度低于井下，風流流經(jīng)巷道后，溫度升高，容納水分的能力增大，會吸納巷道周邊的水分而使風流的含水量增大或達到飽和狀態(tài)，漏向巷道頂幫破碎煤體風量的水分將隨之增大。碎煤體氧化放熱后，由于水分被蒸發(fā)需吸收熱量，直至水分散失完畢才可進入干餾階段。因此，可延長煤的自然發(fā)火期，減少自然發(fā)火的可能性，從而有利于煤層自燃的防治。反之，則有利于煤層自然發(fā)火。某煤礦進、回風井間的高差在25m，自然風壓平均160～220Pa，對礦井機械風壓的影響較大。風流中的含水量年變化幅度超過60%，其對煤層自然發(fā)火的影響比較明顯。據(jù)1997年以來的統(tǒng)計結果表明：地面溫度變化頻繁且幅度較大的季節(jié)交合期間，巷道自然發(fā)火的比例平均為67.2%～74.6%。但適時調(diào)整通風系統(tǒng)后，巷道自然發(fā)火的比例降低到23.1%～31.7%。

5 結束語

煤炭開采行業(yè)為人們正常的生產(chǎn)生活提供了強大的能源支持，是我國能源經(jīng)濟發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，與此同時，人們對于煤炭開采過程中出現(xiàn)的安全責任事故也倍加關注，近些年來，由于煤礦通風系統(tǒng)老舊失修，通風不暢引發(fā)的煤層自燃事故屢屢發(fā)生，為煤炭開采的安全性埋下了隱患，為了有效降低煤炭開采的事故發(fā)生率，對煤礦通風系統(tǒng)進行優(yōu)化是企業(yè)的首選方案，事實證明，對于通風系統(tǒng)進行優(yōu)化可以有效遏制由于煤層自然發(fā)火所導致的安全事故，提高了煤礦開采作業(yè)的安全性。

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