周福寶

(中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

1 智能通風(fēng)與應(yīng)急控制技術(shù)

針對礦井通風(fēng)與應(yīng)急調(diào)控智能化不足的現(xiàn)狀,立足“平戰(zhàn)結(jié)合”的理念,揭示了礦井火災(zāi)、爆炸、煤巖動力等災(zāi)害情況下的風(fēng)煙流擴(kuò)散運(yùn)移、誘導(dǎo)風(fēng)流紊亂和風(fēng)流調(diào)控機(jī)制;研發(fā)了通風(fēng)參數(shù),快速準(zhǔn)確獲取關(guān)鍵技術(shù)和風(fēng)網(wǎng)實(shí)時(shí)解算方法;研發(fā)了災(zāi)變風(fēng)流應(yīng)急調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)裝備,開發(fā)了三維可視化的礦井通風(fēng)智能輔助決策軟件平臺,形成了礦井災(zāi)變通風(fēng)智能決策與應(yīng)急控制關(guān)鍵技術(shù)與裝備體系。

1)災(zāi)變風(fēng)煙流演化機(jī)理與風(fēng)流調(diào)控機(jī)制。研究了基于超算和自學(xué)習(xí)的礦井火災(zāi)場模擬快速算法,實(shí)現(xiàn)了火源區(qū)域燃燒、煙流流動特征的準(zhǔn)確刻畫;構(gòu)建了火災(zāi)煙流溫度和煙氣含量演化模型,獲得了礦井火災(zāi)時(shí)期風(fēng)煙流演化規(guī)律。搭建了煤與瓦斯突出等效通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)平臺,揭示了突出過程中壓力、氣體、煤粉在風(fēng)網(wǎng)中的傳播運(yùn)移規(guī)律。基于PID目標(biāo)控制算法,構(gòu)建了防止礦井巷道火災(zāi)煙氣逆流的局部控風(fēng)模型;基于最短路徑、最小影響的全風(fēng)網(wǎng)災(zāi)害氣體排出控風(fēng)模型,建立了全礦井火災(zāi)煙流全風(fēng)網(wǎng)控風(fēng)模型。

2)礦井通風(fēng)參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與風(fēng)網(wǎng)高精度解算?；诔暡〞r(shí)差法研發(fā)了高精度風(fēng)速傳感器,優(yōu)選了前端壓力膜盒、設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路,研發(fā)了高精度風(fēng)壓傳感器,建立了礦井通風(fēng)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)參數(shù)的快速準(zhǔn)確測定;融合擾動識別、故障源診斷與阻變量反演算法,建立了非定常熱濕通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)解算模型,形成了基于有限通風(fēng)監(jiān)測參數(shù)的全風(fēng)網(wǎng)通風(fēng)參數(shù)高精度實(shí)時(shí)解算方法。

3)災(zāi)變風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控技術(shù)及裝備。揭示了風(fēng)井防爆門與主通風(fēng)機(jī)協(xié)同防災(zāi)減災(zāi)機(jī)制,提出了快速復(fù)位的方法,研發(fā)了防爆井蓋電磁自動快速鎖扣構(gòu)件,開發(fā)了高可靠性同步配重智能立井防爆門裝備;研發(fā)了柔性防爆密閉裝備和災(zāi)區(qū)動態(tài)感知及密閉控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了災(zāi)區(qū)遠(yuǎn)程快速密閉;提出了備用動力源、交叉感知等集成化冗余方法,研發(fā)了新型災(zāi)區(qū)風(fēng)煙流聯(lián)動控制裝備,解決了災(zāi)變環(huán)境下的自動控風(fēng)排煙難題。

4)礦井智能通風(fēng)與應(yīng)急控制軟件平臺。研發(fā)了采掘地點(diǎn)需風(fēng)量動態(tài)核算技術(shù),發(fā)展了基于風(fēng)門壓差-風(fēng)量復(fù)合特征的通風(fēng)異常隱患快速診斷方法,提出了風(fēng)量敏感度分析與災(zāi)變演化信息融合的控風(fēng)策略自動生成算法,提出了災(zāi)情全息在線可視化VR融合技術(shù),開發(fā)了風(fēng)網(wǎng)實(shí)時(shí)解算及災(zāi)變智能決策一體化軟件平臺,實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)情快速研判、控風(fēng)智能決策。

目前,已形成了成熟的礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)整體解決方案,承擔(dān)了山東能源集團(tuán)付村煤礦、轉(zhuǎn)龍灣煤礦、徐礦集團(tuán)張雙樓煤礦,大屯煤電孔莊煤礦、淮河能源謝橋煤礦等十余座礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)。

2 礦井粉塵監(jiān)測及防治技術(shù)

2.1 礦井粉塵精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)

目前粉塵含量監(jiān)測技術(shù)主要有濾膜稱重法、振蕩天平法、光散射法、靜電感應(yīng)法、光吸收法等。濾膜稱重法準(zhǔn)確度高,在國內(nèi)外都被認(rèn)定為職業(yè)衛(wèi)生合規(guī)性檢查手段,同時(shí)也常被用于標(biāo)定其他的粉塵監(jiān)測方法,但是需要長時(shí)間采樣和實(shí)驗(yàn)室稱重,導(dǎo)致測量結(jié)果具有滯后性。當(dāng)前礦井普遍采用的光散射法和靜電感應(yīng)法能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測,但測量結(jié)果受粉塵成分、粒徑分布、溫濕度等因素影響,準(zhǔn)確度較差且傳感器易受污染。

煤礦井下常用的直讀式測塵儀是基于紅外光吸收原理,該類儀器需要頻繁更換濾膜,難以滿足長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測的需求。對此,團(tuán)隊(duì)提出了一種磁帶式自動更換濾膜系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高含量、寬量程范圍內(nèi)自動連續(xù)測定粉塵含量。為準(zhǔn)確監(jiān)測個(gè)體呼吸性粉塵含量,開發(fā)了基于錐形元件微量振蕩天平原理的穿戴式個(gè)體呼吸性粉塵連續(xù)監(jiān)測儀,通過精準(zhǔn)測量振蕩管振蕩頻率,得到粉塵質(zhì)量濃度,具有準(zhǔn)確度高、不受粉塵性質(zhì)影響、實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。針對粉塵在線精準(zhǔn)檢測,開發(fā)了基于光散射單粒子計(jì)數(shù)原理和粉塵分流稀釋采樣技術(shù)的總塵和呼塵同步監(jiān)測儀,以及基于粒子群光散射原理、具有防污染光學(xué)結(jié)構(gòu)和氣路結(jié)構(gòu)的超大量程在線式粉塵監(jiān)測儀。在線式粉塵濃度傳感器可接入煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)粉塵監(jiān)測,同時(shí)基于氣固兩相流粉塵運(yùn)移模擬和定點(diǎn)監(jiān)測,建立了個(gè)體呼吸性粉塵日累積暴露和職業(yè)生涯累積暴露監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)粉塵暴露職業(yè)健康狀況動態(tài)化監(jiān)管與健康風(fēng)險(xiǎn)有效評估。

針對礦井粉塵成分監(jiān)測,目前關(guān)注最多的是粉塵中游離二氧化硅含量的測定?，F(xiàn)有的檢測方法有焦磷酸法、紅外分光光度法和X射線衍射法。這些方法均需要樣品預(yù)處理和實(shí)驗(yàn)室分析,需進(jìn)一步研究快速直讀檢測方法。團(tuán)隊(duì)提出了基于便攜式傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)的二氧化硅檢測方法,在降低檢測限的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速分析粉塵成分。

2.2 礦用干式過濾除塵技術(shù)

我國煤礦巷道掘進(jìn)量已超過12 000 km/a,居世界首位。巷道掘進(jìn)機(jī)械化水平日益提高,導(dǎo)致作業(yè)產(chǎn)塵強(qiáng)度大、粉塵含量高,極易誘發(fā)塵肺病,嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員身心健康,尤其是很多煤塵還具有爆炸危險(xiǎn)性,威脅安全生產(chǎn)。為解決煤礦井下掘進(jìn)粉塵污染問題,團(tuán)隊(duì)開發(fā)了礦用干式過濾除塵技術(shù),具有零耗水作業(yè)、呼塵凈化效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)包括:

1)濾料阻燃與濾徑適配技術(shù)。研制了阻燃抗靜電礦用復(fù)合濾料,提出了工程濾徑計(jì)算模型,保障了煤礦井下易燃易爆環(huán)境下干式過濾除塵器的安全高效運(yùn)行。

2)濾筒內(nèi)置柱錐體強(qiáng)化清灰技術(shù)。針對濾筒清灰均勻性差的難題,研發(fā)了濾筒內(nèi)置柱錐體強(qiáng)化脈沖清灰裝置,借助柱錐體的阻礙碰撞作用強(qiáng)化清灰效果,顯著提高了濾筒高度方向清灰均勻性。

3)成套裝備便捷移動除塵工藝。研發(fā)了適應(yīng)現(xiàn)場掘進(jìn)工序的膠帶機(jī)支撐式、單軌吊懸掛式、掘進(jìn)機(jī)機(jī)載式、動力車車載式等多種現(xiàn)場便捷移動除塵工藝,解決了除塵裝備與掘進(jìn)工序匹配難的問題。

干式過濾除塵技術(shù)在大屯煤電、神華神東、淮南礦業(yè)集團(tuán)、冀中能源、神華寧煤、陽煤集團(tuán)、潞安集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)應(yīng)用,現(xiàn)場總塵除塵效率均大于95%,與噴霧相比,除塵效率提高了30%～40%,解決了煤礦井下掘進(jìn)工作面粉塵污染問題,保障了工人的職業(yè)健康,填補(bǔ)了國內(nèi)礦用干式過濾除塵技術(shù)空白。

2.3 皮帶運(yùn)輸自發(fā)電感應(yīng)霧化降塵系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)因其運(yùn)輸能力大、運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于煤礦井下運(yùn)輸,但帶式輸送機(jī)運(yùn)輸原煤及轉(zhuǎn)載過程中會產(chǎn)生大量粉塵,其中90%以上為呼吸性粉塵,導(dǎo)致膠運(yùn)大巷作業(yè)人員暴露在高含量粉塵環(huán)境中,增加了罹患塵肺病的概率。

皮帶噴霧可以有效解決皮帶運(yùn)輸揚(yáng)塵問題,但掘進(jìn)巷道長距離鋪設(shè)電纜費(fèi)時(shí)費(fèi)力,還存在安全隱患;采用蓄電池方式供電需要定期更換蓄電池,若更換不及時(shí)將導(dǎo)致除塵防系統(tǒng)癱瘓。為此,基于永磁滾輪自發(fā)電原理,開發(fā)了體積小、損耗低、效率高的皮帶運(yùn)輸滾輪永磁自發(fā)電技術(shù),利用導(dǎo)線切割磁力線感應(yīng)出電勢,將皮帶運(yùn)輸動能轉(zhuǎn)化為12 V的穩(wěn)定電能,供給除塵設(shè)備使用。

基于皮帶運(yùn)輸永磁滾輪自發(fā)電技術(shù)、自感應(yīng)霧化除塵技術(shù),研制了皮帶運(yùn)輸自發(fā)電感應(yīng)霧化除塵系統(tǒng),確定了系統(tǒng)間隔安裝距離,并在紅柳林煤礦膠運(yùn)大巷示范應(yīng)用,膠運(yùn)大巷粉塵質(zhì)量濃度控制在1 mg/m3以下。

3 井下CO主動控制與處置技術(shù)

針對煤礦、艙室、隧道等受限空間的火災(zāi)與爆炸災(zāi)害,首創(chuàng)CO毒害氣體主動消除方法,研制了一種過渡金屬氧化物消除劑,降低化學(xué)反應(yīng)的活化能,基于催化氧化機(jī)理,實(shí)現(xiàn)CO快速氧化,從而在短時(shí)間內(nèi)將災(zāi)害環(huán)境中的CO含量從致命高危險(xiǎn)區(qū)間降至低危險(xiǎn)區(qū)間,利于涉險(xiǎn)人員在黃金逃生時(shí)間內(nèi)順利脫險(xiǎn)。

該技術(shù)可以采取粉棚或儲壓懸掛式消除裝置,通過沖擊波自動觸發(fā)釋放,形成消除劑粉塵云帶主動捕捉爆炸產(chǎn)生的CO,或采用內(nèi)置消除劑粉體的便攜式氣載CO消除裝備,人工在防火防煙分區(qū)內(nèi)噴灑消除劑,方便涉險(xiǎn)人員自救及消防人員救援。

采用該技術(shù)及自主研發(fā)的便攜式氣載CO消除裝置,在國家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)的全尺寸巷道中進(jìn)行了火災(zāi)CO產(chǎn)物的消除實(shí)驗(yàn),可以瞬間將獨(dú)頭巷道內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)從0.17%降至0.034 5%?；诒炯夹g(shù)的炮掘CO原位處置技術(shù)在安徽淮北青東煤礦、臨渙煤礦、貴州畢節(jié)高山煤礦等地投入應(yīng)用,最高能夠消除80%的爆破CO產(chǎn)物,對防范和遏制煤礦井下爆破后CO超標(biāo)起到了顯著的效果。

針對井下防爆柴油機(jī)尾氣污染物超標(biāo)的問題,基于CO物理化學(xué)吸附與催化氧化的原理,制備出適用于防爆柴油機(jī)正常工況下的CO催化劑,設(shè)計(jì)開發(fā)出體積小、非電驅(qū)動的CO凈化裝置,可以有效凈化防爆柴油機(jī)尾氣,將顆粒物和有害氣體的含量降至較安全的水平。在榆林涼水井煤礦以 WC20R 防爆柴油無軌膠輪車為改造車型,在防爆水箱前合適位置加裝尾氣凈化箱體。實(shí)施該技術(shù)后,猛加油門工況下,2.0×10-3以上超限現(xiàn)象未出現(xiàn),0.5×10-3以上超限次數(shù)由改造前的29次分別降低至8次與5次,下降率分別為72.4%與 82.8%。平穩(wěn)運(yùn)行及暗副斜井大爬坡工況下的CO消除率均達(dá)到68%以上,CO超限現(xiàn)象明顯降低。

4 煤層瓦斯含量快速精準(zhǔn)測定技術(shù)

煤層瓦斯含量是預(yù)測煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性和評價(jià)礦井瓦斯儲量的基礎(chǔ)參數(shù)?，F(xiàn)有瓦斯含量測定方法需要井上和井下分階段測量,井下使用量筒排水人工讀數(shù)計(jì)量,推算損失瓦斯量的模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?導(dǎo)致測定周期較長、測定效率較低、測定誤差較大。

為此,團(tuán)隊(duì)提出了煤層瓦斯含量井下一站式自動化測定新方法,研發(fā)了CWH12型煤層瓦斯含量測定儀。該技術(shù)完全符合現(xiàn)行GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》的規(guī)定要求,基于取樣過程中損失瓦斯量的全過程反演補(bǔ)償模型準(zhǔn)確推算損失瓦斯量,誤差小于5%;創(chuàng)新設(shè)計(jì)了井下煤樣保壓密封破碎系統(tǒng),可在井下現(xiàn)場破碎煤樣,進(jìn)而測定殘余瓦斯量;研制了瓦斯解吸量自動化計(jì)量系統(tǒng),測定精度達(dá)到0.1 mL/min;開發(fā)了數(shù)據(jù)智能化采集處理系統(tǒng),首次實(shí)現(xiàn)了煤層取樣、自然瓦斯解吸、粉碎解吸瓦斯、損失瓦斯量、殘余瓦斯量等過程全部在井下完成,井下現(xiàn)場實(shí)時(shí)生成測定報(bào)表,測定時(shí)間由原來的數(shù)小時(shí)縮短至30 min以內(nèi),成功解決了傳統(tǒng)技術(shù)測定周期長、結(jié)果誤差大、操作工藝復(fù)雜等一系列問題,提高了瓦斯含量測定的效率和準(zhǔn)確性。

該設(shè)備總重約9 kg,便于技術(shù)人員攜帶入井,隨時(shí)測試煤層瓦斯含量、殘余瓦斯量,直接指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)及瓦斯防治方案制定、技術(shù)實(shí)施、效果檢驗(yàn),大大降低了工人勞動強(qiáng)度,提高了礦井的安全生產(chǎn)閾值,有利于政府、行業(yè)管理部門對礦井瓦斯參數(shù)的安全監(jiān)管。目前,已成功應(yīng)用于山西、陜西、貴州、黑龍江、遼寧、河南等地六十余座礦井。

5 水環(huán)真空泵節(jié)能高效抽采技術(shù)

我國煤礦瓦斯抽采普遍使用水環(huán)真空泵,全年有數(shù)萬臺在連續(xù)運(yùn)行,年耗電量超百億度,但其運(yùn)行效率通常低于40%,其高耗能、低效率已成為亟待突破的工程難題?；诹黧w力學(xué)湍流減阻原理,團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于高分子工質(zhì)的水環(huán)真空泵節(jié)能高效抽采技術(shù),即將常規(guī)所用的水介質(zhì)改性為具有黏彈特性的高分子溶液,通過調(diào)控泵內(nèi)液環(huán)流場以大幅降低流動過程中的摩擦損失和湍流損耗,節(jié)能效果顯著。

依托國家級泵類檢測檢驗(yàn)中心試驗(yàn)系統(tǒng),搭建了特大型水環(huán)真空泵節(jié)能試驗(yàn)裝置,包括:水環(huán)真空泵(額定功率800 kW)、熱交換系統(tǒng)、氣液分離器、進(jìn)排氣管路以及數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等。試驗(yàn)結(jié)果表明:研發(fā)的高分子工質(zhì)具有高效穩(wěn)定的節(jié)能性能,并對不同水質(zhì)具有優(yōu)良的適應(yīng)性。以進(jìn)氣壓力60 kPa為例,水環(huán)真空泵的軸功率由631 kW降至513 kW,抽氣量由591 m3/min升至598 m3/min,比功耗由1.070降至0.857,節(jié)能率在15%以上,證明了該方法對礦用水環(huán)真空泵節(jié)能增效的推廣適用性較強(qiáng)。

根據(jù)煤礦地面和井下水環(huán)真空泵站運(yùn)行環(huán)境及抽采工況,開發(fā)了地面半封閉式水環(huán)泵節(jié)能抽采系統(tǒng)、地面全封閉式水環(huán)泵節(jié)能抽采系統(tǒng)和井下直注式水環(huán)泵節(jié)能抽采系統(tǒng)3種工藝模式,形成了由高效型高分子工質(zhì)、全自動節(jié)能工質(zhì)配補(bǔ)一體化裝置、節(jié)能工質(zhì)最優(yōu)黏度控制裝置等部分構(gòu)成的關(guān)鍵技術(shù)體系,有效降低了抽采系統(tǒng)的能耗水平,并在潞安礦業(yè)集團(tuán)古城礦、淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦、韓城礦業(yè)公司象山煤礦等成功應(yīng)用,節(jié)能率在15%以上,應(yīng)用效果顯著。

(以上內(nèi)容來自第四屆山西省煤炭學(xué)會特邀報(bào)告摘編)