封閉式氣膜煤棚瓦斯運移規律與通風控制研究

王 帥 李曉強 郭春生

(陽泉煤業（集團）股份有限公司，山西 陽泉 045000)

陽泉煤業積極響應國家對煤炭行業提出的新的環保要求，對下轄所屬的平舒儲煤場進行氣膜結構全封閉環保改造成氣膜煤棚。氣膜煤棚具有內部正壓且封閉式特點，其內部儲煤過程的瓦斯與通風問題值得注意。

煤由于自身孔隙結構[1]，在運輸、存儲過程中會持續性釋放瓦斯，煤倉等非露天存儲地在一些通風不良的地方會造成瓦斯積聚[2]，可借助CFD 仿真研究煤倉瓦斯的運移規律[3]，并采用實時瓦斯監測系統監測易積聚區域[4-5]。對新型氣膜結構的氣膜煤棚儲煤地，目前少有相關瓦斯與通風研究。鑒于上述，本文針對平舒礦封閉式氣膜煤棚內部瓦斯與通風問題，深入研究氣膜內部瓦斯運移規律與通風控制技術。

1 平舒煤礦封閉式氣膜煤棚概況

山西平舒煤業有限公司選煤廠原有儲煤場場地基本平整，主要存儲電煤壓濾煤泥和烘干煤泥，各產品煤分堆存放。現已根據原儲煤場地實際情況，設計改造為封閉式氣膜煤棚，封閉式氣膜煤棚采用氣膜結構，建筑面積為13 126.63 m2，長140.00 m，寬99.00 m，總高約35.00 m，高于原有皮帶走廊，儲煤量約6.5 萬t。儲煤場內采用汽車運煤，設一進一出兩個汽車通道，長26.20 m，寬6.60 m，高6.00 m，設四個人員出入口，寬1.50 m×高2.40 m，滿足疏散要求。具體設計方案外形、煤棚內儲煤區分布以及整個煤棚的結構示意圖如圖1。

圖1 平舒礦封閉式氣膜煤棚結構示意圖

如圖1，氣膜煤棚是一種封閉式結構，為保證其支撐形狀，內部應保持一定的正壓狀態。為實現該內部封閉條件下的空氣流動和正壓要求，氣膜煤棚內部安裝通風機壓入新鮮風流，并由出口風閥出風。可見，封閉式氣膜煤棚儲煤空間內部的瓦斯積聚問題及其相應的通風控制問題是需要解決的。

2 封閉式氣膜煤棚瓦斯運移仿真研究

2.1 煤樣解吸瓦斯試驗研究

平舒煤礦屬于高瓦斯礦井，原煤瓦斯的含量較高，但該封閉式氣膜煤棚主要存儲選煤廠洗選后的壓濾煤泥和烘干煤泥，其瓦斯含量通過煤炭運輸、洗選過程已經大量釋放。為進一步量化和研究存儲煤樣的瓦斯釋放量和釋放規律，通過采用存儲煤樣進行解吸試驗，以研究煤炭瓦斯解吸釋放規律，為氣膜煤棚內瓦斯運移規律仿真提供關鍵參數。

由于瓦斯解吸速率與溫度為正相關關系，將152.3 g 煤樣放置于吸附缶并密封，采用排水集氣法收集解吸氣體，外部分別加熱至20 ℃、35 ℃并恒溫，進行瓦斯解吸試驗，持續240 min。

試驗結果為：20 ℃時煤樣解吸速率非常緩慢，解吸速率是0.003 3 mL/(g·h)，35 ℃時煤樣解吸速率加快，最大為0.039 mL/(g·h)，約20 ℃的12 倍，但解析量整體水平較低。

2.2 氣膜煤棚內部流場建模

基于上述瓦斯解吸數據，采用CFD 軟件對氣膜煤棚內部瓦斯運移規律進行仿真，以揭示封閉式煤棚內部在堆煤后，氣流在煤棚中的流動狀態以及煤中瓦斯解吸后在煤棚中的分布規律。

首先根據平舒礦封閉式氣膜煤棚設計結構進行物理模型構建和網格劃分，設計生成平舒礦氣膜煤棚內部流場分析模型，如圖2。

圖2 平舒礦氣膜煤棚內部流場分析模型

圖2 中，內部煤堆區域體積約為66 000 m3，根據風機、出氣閥的位置和數量設計模型氣流進口和出口。煤棚進風口主要設置在煤棚的東側和南側，東側每間隔4.5 m 布置一個進風口，共布置6 個，南側每間隔2.25 m 布置一個進風口，由西向東共布置18 個，共布置有24 個進風口。煤棚排風口主要設置在煤棚的北側、西側，北側布置9 個排風口，西側布置有9 個排風口，共布置有18 個排風口。

煤堆瓦斯涌出量采用瓦斯解吸試驗中35 ℃時瓦斯解吸最大速率，根據瓦斯解吸試驗結果發現，煤中瓦斯解吸速率在前60 min 較高，因而在對煤棚內部流場數值計算結果選取通風時間為60 min 時進行相應分析。此外，加入內部流場的重力條件，以更加真實地模擬出氣膜煤棚內部流場和瓦斯運移規律。

2.3 仿真結果與分析

根據上述模型參數進行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚頂瓦斯體積分數分布結果為：瓦斯氣體體積分數較高的區域并未出現在煤棚棚頂位置，而主要出現在煤堆形成夾角的背風面、皮帶走廊下方以及皮帶走廊支撐立柱后方的背風側，而在斜皮帶走廊下方煤堆自然形成的凹角區，瓦斯積聚現象尤為突出，但煤棚內所有區域瓦斯體積分數均不超過0.8%的安全要求。

根據上述模型參數進行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚頂氣流速度場分布結果為：由于進風口是沿煤棚棚頂向上鼓風，因而在煤棚棚頂靠近鼓風機的位置風速最高，隨著與進風口的距離越來越遠，風速逐漸降低；在煤堆表面，由煤棚頂部返回風流和進風口向上風流帶來卷吸的共同作用下，煤堆表面產生了一定的風速，從而使煤中解吸的瓦斯隨風流向前運移。因此，可以得出結論：在該通風進出口布置條件下，氣膜煤棚內整體氣流分布較為均勻，瓦斯積聚情況可接受。

3 封閉式氣膜煤棚通風模糊控制技術

3.1 氣膜煤棚瓦斯與通風布置

根據瓦斯運移仿真研究可知，平舒礦氣膜煤棚內部瓦斯整體含量較低，但易在背風側、堆煤凹角區等出現瓦斯局部積聚情況，這會造成一定的安全隱患。因此，基于平舒礦瓦斯內部流場仿真結果，優化設計氣膜煤棚內瓦斯傳感器、通風機進風口、排風閥出風口的布置，如圖3。

由圖3所示，氣膜煤棚內瓦斯傳感器共布置7個，采用防爆型GJ4/100 高低濃度甲烷傳感器，其中4個掛裝在氣膜煤棚圍墻上部，3 個掛裝在皮帶走廊下部，布置在根據瓦斯體積分數分布仿真結果中可能出現的瓦斯聚集點，主要用于檢測瓦斯聚集區域的瓦斯體積含量。氣膜煤棚共布置24 臺防爆型離心式管道風機，每臺功率為7.5 kW，布置位置分別為氣膜煤棚南側和東側。18 個可調節開度的出氣風閥，其最大開口尺寸為0.9 m×0.9 m，均采用電動連續控制開度，布置位置為氣膜煤棚西側和北側。

圖3 平舒礦氣膜煤棚瓦斯傳感器與進出風口布置圖

3.2 封閉式氣膜煤棚通風多變量模糊控制器

多變量模糊控制器是指控制器的輸入和輸出都是多個物理變量。由于各變量之間存在著強耦合，因此要直接設計一個多變量模糊控制器是非常困難的。封閉式氣膜煤棚通風控制系統中，系統的多輸入變量包括瓦斯濃度、氣膜內外壓差，系統的輸出變量為風機開關臺數。模糊控制器的設計采用瓦斯濃度、氣膜內外壓差兩個變量分別建立模糊控制器并實現解耦。封閉式氣膜煤棚通風控制系統作為一個多輸入多輸出的模糊控制系統，可通過解耦法則把它等效成多輸入單輸出（MISO）系統，封閉式氣膜煤棚通風系統多變量模糊控制模型如圖4。

圖4 封閉式氣膜煤棚通風多變量模糊控制模型

4 工業應用

平舒礦封閉式氣膜煤棚投入使用以來，瓦斯監測與通風控制系統運行正常。通風控制系統設定目標為：瓦斯濃度低于0.8%，氣膜內部正壓250～300 Pa，整體控制效果較好。取其中通風控制的20 d 數據，求得瓦斯體積分數日平均值和氣膜內外壓差日平均值，如圖5。

圖5 平舒礦氣膜煤棚通風控制效果

如圖5 所示，整個氣膜煤棚內瓦斯體積分數日平均值最大不超過0.4%，低于上限要求0.8%，滿足瓦斯安全要求；瓦斯傳感器C1 和C3 監測點出現短時期相對高值，屬于相對局部的聚集現象，與氣膜煤棚內部流程仿真結果基本一致。氣膜內外壓差控制效果理想，基本保持在270～280 Pa 之間，滿足氣膜內部正壓支持力要求。

5 結論

本文針對平舒煤礦封閉式氣膜煤棚內部瓦斯安全和通風控制問題，通過CFD 仿真氣膜內部流場，揭示了瓦斯和氣流在氣膜煤棚內的分布和運移規律，并基于此優化設計了瓦斯監測點位置和通風控制系統，提出并實施封閉式氣膜煤棚通風模糊控制技術，現場取得了較好的應用效果。