煤礦通風網絡氣體通風壓力的危害研究

張劍峰

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

關鍵詞：煤礦通風;壓力

1 背景

在采煤作業過程中，通風系統的狀態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的性能。其中自然通風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注。地下建筑自然通風壓力有助于優化通風系統設計，降低能耗，避免氣體或有毒物質的積聚風險。而自然通風壓力也會引起礦井通風中某些氣道的氣流倒轉或降低其氣流速度。世界各國學者在自然通風壓力領域進行了廣泛的研究。

2 氣體通風壓力的形成及特征

氣體抽放壓力是由氣體在傾斜巷道內積聚引起的，在抽放系統失效的情況下，煤層可能發生氣體涌出，從而誘發氣體積聚。它可以看作是自然通風壓力的一種形式。通風壓力的大小主要受氣流濃度和氣道高程差的影響。當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生變化。當氣道也存在高程差時，形成氣體通風壓力。氣體通風壓力計算如下：

（1）

式中，為氣道氣體通風壓力，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束連接，m。

3 氣體通風壓力引起氣流穩定性的實例研究

3.1 實例背景

某煤礦通風系統簡化后如圖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系統，風速為6m3/s。在6m3/s的氣流速率下，回流氣流的甲烷濃度為0.35%。k氣道安裝通風門，簡化通風系統如圖1所示。簡化后的通風系統參數如表1所示。且簡化通風系統中所有氣道高度和寬度相同（高度為3 m，寬度為3.33 m），煤礦主風機的操作點3.4kPa、456m3/s，這種情況所需的最低風速為0.5m/s，在氣道中氣流速度b，c，d，e是6m3/s。

3.2 非定常通風系統的數值模擬

為了進一步分析氣體積聚引起的氣流穩定性，采用非定常通風程序[3]對氣體通風壓力進行計算，并用程序進行了數值模擬。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，風機安裝在氣道h，風機壓力為1735 Pa，氣流速度為12.752 m3/s。根據初始條件，采用非定常通風方案求解各氣道初始氣流速度如表2所示。它們都在現場測試結果的范圍內。氣道c的氣流速度分布如圖2所示。打開L氣道調節閥后，c、d、e氣道積存甲烷，高濃度的甲烷阻礙氣流。由程序推導出氣道c內氣流速度為2.7m3/s。此值略有波動，但在短時間內，最終氣流保持在零。仿真結果與實例描述和現場試驗吻合較好。

4 結論

當甲烷在氣道內積聚時，由于甲烷的密度小于空氣的密度，在有高程差的氣道內產生氣體通風壓力。高濃度的甲烷阻礙氣流，導致氣流有一定的波動。充滿氣體的支路內的氣流可能發生逆轉。氣體通風壓力越大，氣流逆轉越容易，從而造成事故發生。

參考文獻：

[1]郝瑞.煤礦通風安全監測監控系統的應用與運行研究[J].礦業裝備，2018（1）.

[2]符曉.基于CFD礦井通風網絡解算研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2012.

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