基于風網平衡技術的氣體積聚危險性分析

高生亮，劉沛瑤

(1.陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727307；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

我國煤炭行業的安全形勢依舊不容樂觀，煤礦傷亡事故危害嚴重，這已成為嚴重影響煤炭企業進步的大問題。2018年4—5月份仍發生4起煤礦較大事故。瓦斯爆炸、火災事故、煤塵爆炸是造成煤礦井下人員傷亡和財產損失的主要事故種類[1]，而這些事故都與礦井通風息息相關。在煤礦災害中，煤炭自燃是嚴重影響煤礦安全作業的重大難題，采空區漏風風流不間斷地為煤自燃輸送足夠濃度的氧氣，這是煤自燃能夠發生的首要條件。在高瓦斯以及煤與瓦斯突出礦井，漏風風流對瓦斯也有極大影響，它從漏風源開始將瓦斯運送到漏風匯聚的地點，出現瓦斯積聚，引起采空區或上隅角瓦斯濃度的升高，再加上瓦斯升浮效應的作用，極易使瓦斯濃度達到爆炸濃度范圍，只要出現火源便非常有可能發生爆炸，造成損失巨大的井下人員傷亡和設備損壞[2]。不僅如此，礦井通風系統的效率也會受到漏風的極大干擾，增大了煤礦企業不必要的通風投入，同時還會給煤礦通風管理帶來很多麻煩[3-5]。

從上述分析煤自燃和瓦斯積聚及爆炸發生的原因和危害可知，不良通風嚴重影響煤礦的安全生產和井下工作人員的生命安全。此外，不良通風還是造成瓦斯等有毒氣體窒息中毒、煤塵爆炸等災害的罪魁禍首。

1 通風不良導致的災害特性

對煤自燃的所需條件進行分析，自燃傾向性是其本質屬性，而氧濃度、氧化時間和蓄熱環境則與漏風息息相關[6-7]。漏風是導致煤自燃的首要因素，漏風發生的地點一般在工作面和采空區附近，采空區漏風風流不間斷地為煤自燃輸送足夠濃度的氧氣，使其持續氧化升溫，積聚熱量，其溫度一旦達到自燃臨界點，采空區浮煤溫度便迅速增高，逐步發展變成自燃火源。

漏風不僅會加劇采空區內部浮煤發生自燃，還會引起瓦斯分布狀況發生改變。對于上行通風而言，漏風一般從下隅角和工作面下端流向采空區內，瓦斯會隨著漏風風流從上隅角與工作面上端流向工作面。在工作面附近由于漏風量較大，故而在該區域瓦斯濃度較低；因為漏風強度隨著采空區距工作面距離增大而減小的關系，瓦斯濃度會慢慢變大。而在下行通風條件下，當工作面通風壓力比采空區的自然風壓大時，在采空區離工作面距離較近的區域內，漏風由上隅角和上部裂隙通道流向采空區內部，再由下隅角和下部裂隙通道流向工作面；而在采空區離工作面較遠的區域內，起主要作用的是由與瓦斯濃度差導致的擴散效應，瓦斯逐漸往工作面的方向運移，再跟著漏風風流一起由下隅角和下部裂隙通道流向工作面。

這種由不良通風或風量異常變化引起的瓦斯積聚乃至爆炸、煤自燃等一系列的災害，稱其為通風不良性災害。其特征表現為：在風量需求層面，井下每一用風地點都有與之對應的合理用風量，在這個范圍內，CO濃度、瓦斯濃度等災害指標均處于安全的范圍內；當用風地點的風量超過或減少某一閾值時，就會引起CO濃度、瓦斯濃度等災害指標的增加，并達到發生事故的基本條件，甚至發生災害。

2 通風不良性等級評定

2.1 通風不良指標的確定

通風不良所采用的指標必須充分反映礦井發生災害的危險性，根據通風不良性的定義可知，反應其危險程度的指標是風量、CO濃度和瓦斯濃度。各指標在評判中所占權重，是根據各指標的改變引發通風災害的可能性和各指標對災害發生后造成危害性的嚴重程度來確定的。

風量:《煤礦安全規程》規定，煤礦井下各用風點的供風量應不小于其實際需風量，且不大于實際需風量的10%。

瓦斯濃度:通風巷道中瓦斯的危險性是用該巷道瓦斯濃度的大小來表示的，其定義如下式所示[7]

(1)

式中：cs—巷道瓦斯濃度；qs—巷道瓦斯流量；qf—巷道風量。

從上式可以看出，瓦斯積聚是由瓦斯涌出量和巷道風量兩個因素綜合作用的結果，而瓦斯濃度便是綜合作用的具體體現。不考慮瓦斯涌出量的變化，瓦斯濃度會隨著巷道風量的減小而增大；同樣也會隨著風量的增大而減小。

CO濃度:CO濃度作為衡量采空區煤自燃的指標，其變化受浮煤厚度、漏風量、空隙率等因素的共同作用。CO濃度和漏風量之間的關系很難直接推導出來，可以用擬合的方式通過實測數據來建立函數關系，從而達到預測不同漏風量時CO濃度的目的，便于通風不良危險性的判定。

2.2 通風不良性評價體系的建立

統計2007—2018年10年來我國煤礦企業發生的所有重特大安全事故，事故資料的來源主要從中國安全網和國家煤礦安全生產管理總局兩個官方網站查詢。在查閱現有參考文獻的基礎上，還查閱了《煤礦安全規程》等相關資料。在典型案例分析、文獻研究的基礎上，通過對煤礦的一線專家和工人進行咨詢，在廣泛征求專家意見的基礎上，定義了一套評價體系。

將通風不良的危險程度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級，危險性隨等級的增加而增大，Ⅰ級最低，Ⅴ級最高。各個指標在通風不良性5個等級中的取值見表1。

表1 各指標在通風不良性分級中的取值表

對通風不良導致的危險程度等級劃分時，很難確定明顯的劃分界限，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ這5個等級之間具有模糊性，確定某一指標在各個等級的取值也帶有模糊性，因此采用模糊綜合評判法進行分級。

設U={u1，u2}為因素集，V={v1，v2，v3，v4，v5}為決策集，U中各因素的權重分配為

A={a1，a2}

確定各指標在危險等級中的隸屬度，由此構造出模糊判斷矩陣

將權重集A輸入模糊關系矩陣R，可以得到評判向量

C=A·R=(c1，c2，c3，c4，c5)

c1，c2，c3，c4，c5即為因素集U屬于Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級5個劃分等級的隸屬度。按照最大隸屬度原則，根據c1，c2，c3，c4，c5中的最大值來確定礦井通風不良危險性屬于哪一危險等級。

此外，在通風不良危險性的評價指標選取中，確定了風量、瓦斯濃度和CO濃度3個指標。而運用模糊綜合評價法評價時只運用了瓦斯濃度和CO濃度2個指標，這是因為風量對于其評價結果具有“一票否決權”。設煤礦井下各用風點的需風量為Q0，實際供風量為Q。

Q0≤Q≤1.1Q0

(2)

當滿足(2)式時，該礦的通風不良危險等級遵循模糊綜合評價法的評價結果。若實際供風量與其需風量的關系為

Q>1.1Q0或Q

(3)

當滿足(3)式時，不論根據模糊綜合評價法評價出的結果是幾級危險等級，直接將該礦的通風不良危險等級化為最高危險等級，Ⅴ級。

3 風網平衡圖分析方法

風網平衡圖又名特征圖、壓能圖等，其本質是將通風網絡圖的邏輯關系和各分支的風量與風阻用矩形塊的形式表現出來，網絡圖中每條分支均用一個矩形塊來代替，各矩形塊按照網絡圖的邏輯關系來排列。該矩形塊的寬即為該分支的風量，該矩形塊的高即為該分支的風阻，面積便是該分支的功耗，整個平衡圖滿足節點風壓平衡定律和回路風量平衡定律[8]。如圖1所示，圖1(a)是通風網絡圖，圖1(b)是與其對應風網平衡圖，分支風量和阻力見表2。

a-通風網絡圖;b-風網平衡圖圖1 通風網絡圖和風網平衡圖

表2 通風網絡參數

3.1 漏風與煤自燃

采空區漏風持續不斷地為浮煤自燃輸送了一定濃度的氧氣，對煤自燃的影響主要體現在兩個方面：①漏風風流攜帶有足夠濃度的氧氣，加劇了浮煤的氧化蓄熱過程，引起周圍煤巖體的問題不斷升高，進而出現煤自燃現象；②漏風風流的流動，會帶走一部分煤氧化放熱量，其風流的大小與帶走的熱量成正比關系。

通過風網平衡圖分析漏風與煤自燃有以下兩種方式。①對通風系統進行分析，確定其漏風來源(是內部漏風還是外部漏風)。對于內部漏風而言，在漏風起止巷道間增加一個矩形塊，表示內部漏風通道；而針對外部漏風，從平衡圖的最下方到漏風匯點處增加一個矩形塊，表示外部漏風通道，矩形塊的寬度為漏風量，高度為漏風風阻；②水平線繪制工作面采場的漏風源、匯點圖，該圖由采空區邊界線和漏風源、匯點的位置確定，再用水平線把漏風源、匯點和平衡圖中矩形塊所處位置連接起來，這就構成采空區漏風源、匯點的能量分布圖。水平線的高低表示的是漏風源或匯能量的大小，水平線便被稱作能量線。同時，每兩條能量線均有與之對應的漏風量和采空區CO濃度，將漏風量和CO濃度標注在能量線之間，更能直觀的表示漏風對煤自燃的影響。

以圖1和表2的數據為例，e8為進風巷，e9為回風巷。該工作面為外部漏風，漏風量為10 m3·min-1，采空區CO濃度為7×10-7，則對應的風網平衡圖如圖2所示。

圖2 標注漏風的風網平衡圖

在圖2中，分支e11即為該通風系統的漏風通道。在現場實際中，完全杜絕漏風是不太可能的，但是可以通過控制漏風量來降低自燃危險性，不同漏風量對應的CO濃度可以通過擬合出的曲線得出。通過繪制不同漏風量對應的風網平衡圖，最終得出自然危險性最小的漏風量。

3.2 風量與瓦斯積聚

瓦斯積聚是由巷道中瓦斯涌出量和其風量兩個因素相互作用決定的，而瓦斯濃度即為這種作用的具體體現。若瓦斯涌出量的變化較小，瓦斯濃度會隨著巷道風量的增大而降低，同樣也會隨著其風量的減小而升高。風網平衡圖中矩形塊的寬度表示該巷道的風量，該矩形塊寬度的變化一定會引起瓦斯濃度的變化。

運用風網平衡圖表示瓦斯積聚，先根據礦井瓦斯濃度范圍繪制標色板，不同顏色代表不同濃度范圍，然后將每條巷道的顏色在風網平衡圖中表示出來，巷道不同風量對應不同瓦斯濃度，在風網平衡圖中表現為矩形塊寬度變化引起矩形塊顏色變色，如圖3所示，從風網平衡圖上可以看到全礦井的瓦斯濃度分布狀況。

a-風網平衡圖(表3)；b-風網平衡圖(表4)圖3 風網平衡圖瓦斯濃度示意圖

以圖1和表2的數據為例，各巷道瓦斯濃度見表3。

表3 瓦斯濃度統計表

當礦井總風量變化時，各個分支風量要重新分配，分配結果會與原風量出現差異，這個變化會引起瓦斯濃度的改變。數據統計結果見表4。

表4 風量變化后的瓦斯濃度統計表

圖3(a)為表3對應的風網平衡圖，圖3(b)為表4對應的風網平衡圖。由圖可知，由于礦井巷道風量的變化，平衡圖中各矩形塊的寬度也隨之變化。對比圖3(a)和圖3(b)，矩形塊e8、e9、e10的顏色發生了改變，這是因為巷道風量的降低引起了瓦斯濃度的增加。運用風網平衡圖表示瓦斯濃度，可以直觀的從圖上看到瓦斯濃度受風量變化的影響。

運用上述方法對通風不良危險性分析后，再運用建立的通風不良危險性評價體系的方法對其進行通風不良危險性等級評定，根據不同漏風量條件下其通風不良危險性等級來驗證運用風網平衡圖分析通風災害的合理性。

4 結論

(1)定義了通風不良性特征。以風量、瓦斯濃度與CO濃度作為通風災害的指標，將通風不良時風量與瓦斯、自燃火災聯系起來。

(2)對通風不良性導致災害的指標按危害程度大小劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級5個等級，運用模糊綜合評價法建立了通風不良性評價體系，根據最大隸屬度原則，將災害危險性按不同危險程度劃分，危險程度隨著等級的增高而增加。

(3)運用風網平衡圖為工具，對煤自燃通風不良效果進行分析。通過繪制不同漏風量所對應的風網平衡圖，得出自然危險性最小的漏風量；對于瓦斯災害，若瓦斯涌出量的變化較小，瓦斯濃度會隨著巷道風量的增大而降低，同樣也會隨著其風量的減小而升高。風網平衡圖中矩形塊的寬度表示該巷道的風量，該矩形塊寬度的變化一定會引起瓦斯濃度的變化。