王晶

摘 要：本文以馬蘭礦通風系統(tǒng)為研究背景，分析了現(xiàn)有通風系統(tǒng)下間斷通風的原因和瓦斯積聚危害，進行了數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場應用，在運行的過程中，風機運行無故障，工作面瓦斯含量測量正常，整個通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增強，為安全生產提供了保障。

關鍵詞：間斷通風;瓦斯積聚;數(shù)值模擬

在礦井通風倒機過程中，往往會造成間斷通風現(xiàn)象，間斷通風引起的瓦斯積聚對安全生產有一定威脅，因此進行相關研究很有必要。本文結合馬蘭礦進行間斷通風瓦斯積聚防治研究，在數(shù)值模擬的基礎上，通過實踐證明了改進后的通風方案可以有效降低間斷通風引起的瓦斯積聚現(xiàn)象，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 間斷通風產生原因

在礦井通風系統(tǒng)中，通風機性能的穩(wěn)定性以及風壓是影響通風穩(wěn)定性的主要因素，通風系統(tǒng)的不穩(wěn)定主要分為通風正常時期的不穩(wěn)定和通風異常時期不穩(wěn)定兩種。通風異常時期的不穩(wěn)定主要是因為礦井災變使得正常通風系統(tǒng)網(wǎng)絡不穩(wěn)定，通風正常時期的不穩(wěn)定主要是因為通風機動力不足造成，結合馬蘭礦實際通風狀況，通風正常時期出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象造成瓦斯積聚的現(xiàn)象。

通風機是礦井通風系統(tǒng)的動力來源，良好的通風可以有效降低生產過程中產生的有毒有害氣體，為巷道提供新鮮風流，對于改善礦井開采環(huán)境為工人創(chuàng)造良好工作條件有重要意義。因為井下工作環(huán)境較為惡劣，多種因素造成通風系統(tǒng)的不穩(wěn)定即出現(xiàn)間斷通風現(xiàn)象。以馬蘭礦生產經(jīng)驗來看，造成間斷通風的因素如下：

①因為通風系統(tǒng)較為復雜且通風線路長，當通風機處于污濁氣流中，通風機的工作電壓以及電流較高使得備用電機啟用，在通風機重啟的過程中出現(xiàn)間斷通風的現(xiàn)象;在備用電源啟動以及恢復的過程中，主通風機出現(xiàn)一啟一停現(xiàn)象，造成間斷通風;

②通風阻力是造成間斷通風的另一原因，即使通風機不出現(xiàn)一啟一?，F(xiàn)象，因為井巷壁面的阻滯作用以及氣體流動的粘滯性也會造成通風阻力的波動，當同分阻力波動較大時，使得通風機長期處于喘振中，最終導致轉速失穩(wěn)，長時間造成設備的損壞，進而出現(xiàn)間斷通風現(xiàn)象;

③倒機是礦井間斷通風最常見的因素，馬蘭礦通風機的倒換順序為主通風機停止隨后啟用備用通風機，根據(jù)礦井操作過程，備用風機的啟動時間必須在10min之內，當?shù)箼C過程中備用風機無法運轉時造成通風系統(tǒng)的長時間間斷，即使備用風機可以有效運轉礦井也會出現(xiàn)短暫的間斷通風狀況，在較短的間斷通風下，礦井瓦斯積聚增量明顯，影響到安全生產。

礦井間斷通風會造成致命性失穩(wěn)和非致命性失穩(wěn)兩種，非致命性失穩(wěn)只會造成通風量不足以及通風斷續(xù)的問題，不會影響到生產的進行，致命性失穩(wěn)對生產以及工作人員的生命安全構成威脅。非致命性失穩(wěn)會逐漸轉化為致命性失穩(wěn)，因此需要及時治理。

馬蘭礦采用抽出式通風，在抽出式通風下，氣體經(jīng)過進風巷進入巷道，經(jīng)過煤層開采區(qū)域，最后經(jīng)過回風巷道排入到空氣中。在通風機的倒機過程中，涉及到主通風機和備用風機的啟動停止，必須先關閉主通風機的閥門后才可打開備用通風機，在閥門啟動關閉的過程中，操作時間必須控制在10min之內。

圖1為工作面通風瓦斯積聚示意圖，在工作面推進的過程中，必須進行瓦斯預抽工作保證生產的安全進行，在瓦斯預抽工作中，需要進行鉆孔工作改進煤層之間的連通性，增強氣體在煤層之間的流通性，加快瓦斯等氣體在煤層之間的擴散。進行瓦斯預抽工作主要在工作面進行，隨著工作面的不斷推進，導致鉆孔圍巖條件改變，因此造成瓦斯抽采的難度增加，抽采精度的下降使得部分瓦斯流進新風中，當?shù)V井通風出現(xiàn)不穩(wěn)定時，使得工作面以及工作面上隅角瓦斯含量超高。

2 間斷通風瓦斯?jié)B透規(guī)律研究

礦井出現(xiàn)間斷通風后，短時間內工作面以及進風回風巷出現(xiàn)瓦斯含量超標的現(xiàn)象，因此對流場空間進行瓦斯?jié)舛纫?guī)律演化研究就顯得尤為重要。根據(jù)馬蘭礦實際開采狀況，模擬中選擇工作面和采空區(qū)進行研究，工作面長度約為148m，煤層埋深約為750m，煤層的平均厚度為3.85m，煤層內瓦斯的平均壓力為1.95MPa，瓦斯平均濃度值為8.5m3/t。

為了計算結果的準確性，選擇結構化網(wǎng)格劃分方法將數(shù)值計算模型劃分為6個區(qū)域，6個區(qū)域分別為采空區(qū)區(qū)域、回風巷道區(qū)域、兩個進風巷道區(qū)域、煤體結構區(qū)域以及瓦斯抽放區(qū)域。因為煤體較為致密，為了實現(xiàn)氣體的高流動特性，所以必須保證網(wǎng)格劃分的精度，因為采空區(qū)、進風巷道、回風巷道的尺寸相對較大，因此網(wǎng)格劃分的數(shù)量相對較小，通過這種結構化網(wǎng)格劃分方法實現(xiàn)了計算的高效率，通過將不同區(qū)域的網(wǎng)格連接起來，實現(xiàn)了數(shù)值計算模型整體網(wǎng)格的劃分，圖2為煤體網(wǎng)格劃分局部放大圖。

影響瓦斯涌出的因素主要有煤層氣壓和地應力構成，煤層地壓使得瓦斯氣體在壓力作用下移動，地應力使煤體破碎，為氣體的運移提供了便利通道，在數(shù)值模擬的過程中，設置瓦斯含量受煤層瓦斯含量和煤壁孔隙率影響，因此假設煤體孔隙率為7.4%，煤層中瓦斯含量為8.38m3/t。數(shù)值模擬分別模擬了通風速度為0.25 m/s、1.4m/s、2.55m/s采空區(qū)瓦斯氣體濃度變化。當進風巷道中通風速度為0.25 m/s時，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，在采空區(qū)深部瓦斯含量較低，其余地方的瓦斯含量均勻，維持在0.59%左右，由此可見，較低的通風速度加快了采空區(qū)瓦斯的聚集，當通風速度為1.4 m/s和2.55m/s時，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，且靠近采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛纫草^高，在回風巷道一側出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，形成了高濃度瓦斯區(qū)。

3 連續(xù)通風技術研究與應用

馬蘭礦已有的通風模式有諸多問題，在風機開關的過程中，礦井中通風不足導致在10min內瓦斯含量急劇上升，因此對通風系統(tǒng)進行改進，使用電動機驅動減速機聯(lián)軸器保證電機的良好性能，同時利用輔助平衡器減少通風機開關開啟過程中的工作阻力，保證風壓的穩(wěn)定性，同時在風壓門處安裝蝶形節(jié)氣門，控制風門開閉的時間同時減少了風扇振動和電機堵塞的問題，加快了雙機重排的速度。

改進后的通風系統(tǒng)進行了現(xiàn)場試驗，5s時一級電機水平振動1.265mm/s，二級電機水平振動1.358mm/s，流量158.36m3/s;15s時一級電機水平振動1.312mm/s，二級電機水平振動1.547mm/s，流量134.25m3/s;30s時一級電機水平振動1.362mm/s，二級電機水平振動1.214mm/s，流量82.36m3/s。

現(xiàn)場觀測，改進后的通風系統(tǒng)實現(xiàn)了在1min內重啟主通風機，相較原來的210s時間有明顯的改善，且在倒機的過程中，礦井實測的流量較低且變化范圍較小，且工作面風速有所下降，最小風速為0.99m/s，沒有擋風條件，在運行的過程中，風機運行無故障，工作面瓦斯含量測量正常，整個通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增強。

4 結論

本文根據(jù)馬蘭礦已有通風系統(tǒng)間斷通風造成瓦斯積聚明顯的問題進行了原因分析，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)進風巷道風速較低時，氣流對煤壁影響較小，工作面底部與采空區(qū)相鄰的位置瓦斯?jié)舛容^高，當風速提高時，回風巷道一側出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，形成了高濃度瓦斯區(qū)。通過對通風系統(tǒng)的改進和應用，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性并有效降低了高濃度瓦斯區(qū)的含量，滿足安全生產的條件。