礦井通風災害防控技術新進展

周福寶

(中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)

1 智能通風與應急控制技術

針對礦井通風與應急調控智能化不足的現狀,立足“平戰結合”的理念,揭示了礦井火災、爆炸、煤巖動力等災害情況下的風煙流擴散運移、誘導風流紊亂和風流調控機制;研發了通風參數,快速準確獲取關鍵技術和風網實時解算方法;研發了災變風流應急調控關鍵技術裝備,開發了三維可視化的礦井通風智能輔助決策軟件平臺,形成了礦井災變通風智能決策與應急控制關鍵技術與裝備體系。

1)災變風煙流演化機理與風流調控機制。研究了基于超算和自學習的礦井火災場模擬快速算法,實現了火源區域燃燒、煙流流動特征的準確刻畫;構建了火災煙流溫度和煙氣含量演化模型,獲得了礦井火災時期風煙流演化規律。搭建了煤與瓦斯突出等效通風網絡模擬實驗平臺,揭示了突出過程中壓力、氣體、煤粉在風網中的傳播運移規律。基于PID目標控制算法,構建了防止礦井巷道火災煙氣逆流的局部控風模型;基于最短路徑、最小影響的全風網災害氣體排出控風模型,建立了全礦井火災煙流全風網控風模型。

2)礦井通風參數實時在線監測與風網高精度解算。基于超聲波時差法研發了高精度風速傳感器,優選了前端壓力膜盒、設計了溫度補償電路,研發了高精度風壓傳感器,建立了礦井通風參數在線監測系統,實現了通風參數的快速準確測定;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網絡的實時解算模型,形成了基于有限通風監測參數的全風網通風參數高精度實時解算方法。

3)災變風煙流應急調控技術及裝備。揭示了風井防爆門與主通風機協同防災減災機制,提出了快速復位的方法,研發了防爆井蓋電磁自動快速鎖扣構件,開發了高可靠性同步配重智能立井防爆門裝備;研發了柔性防爆密閉裝備和災區動態感知及密閉控制系統,實現了災區遠程快速密閉;提出了備用動力源、交叉感知等集成化冗余方法,研發了新型災區風煙流聯動控制裝備,解決了災變環境下的自動控風排煙難題。

4)礦井智能通風與應急控制軟件平臺。研發了采掘地點需風量動態核算技術,發展了基于風門壓差-風量復合特征的通風異常隱患快速診斷方法,提出了風量敏感度分析與災變演化信息融合的控風策略自動生成算法,提出了災情全息在線可視化VR融合技術,開發了風網實時解算及災變智能決策一體化軟件平臺,實現了通風系統災情快速研判、控風智能決策。

目前,已形成了成熟的礦井智能通風系統整體解決方案,承擔了山東能源集團付村煤礦、轉龍灣煤礦、徐礦集團張雙樓煤礦,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系統建設。

2 礦井粉塵監測及防治技術

2.1 礦井粉塵精準監測技術

目前粉塵含量監測技術主要有濾膜稱重法、振蕩天平法、光散射法、靜電感應法、光吸收法等。濾膜稱重法準確度高,在國內外都被認定為職業衛生合規性檢查手段,同時也常被用于標定其他的粉塵監測方法,但是需要長時間采樣和實驗室稱重,導致測量結果具有滯后性。當前礦井普遍采用的光散射法和靜電感應法能夠在線實時監測,但測量結果受粉塵成分、粒徑分布、溫濕度等因素影響,準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,難以滿足長時間連續監測的需求。對此,團隊提出了一種磁帶式自動更換濾膜系統,實現了高含量、寬量程范圍內自動連續測定粉塵含量。為準確監測個體呼吸性粉塵含量,開發了基于錐形元件微量振蕩天平原理的穿戴式個體呼吸性粉塵連續監測儀,通過精準測量振蕩管振蕩頻率,得到粉塵質量濃度,具有準確度高、不受粉塵性質影響、實時監測的優點。針對粉塵在線精準檢測,開發了基于光散射單粒子計數原理和粉塵分流稀釋采樣技術的總塵和呼塵同步監測儀,以及基于粒子群光散射原理、具有防污染光學結構和氣路結構的超大量程在線式粉塵監測儀。在線式粉塵濃度傳感器可接入煤礦安全監測監控系統,實現長期連續粉塵監測,同時基于氣固兩相流粉塵運移模擬和定點監測,建立了個體呼吸性粉塵日累積暴露和職業生涯累積暴露監測預警系統,實現粉塵暴露職業健康狀況動態化監管與健康風險有效評估。

針對礦井粉塵成分監測,目前關注最多的是粉塵中游離二氧化硅含量的測定。現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處理和實驗室分析,需進一步研究快速直讀檢測方法。團隊提出了基于便攜式傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜技術的二氧化硅檢測方法,在降低檢測限的同時,可實現現場快速分析粉塵成分。

2.2 礦用干式過濾除塵技術

我國煤礦巷道掘進量已超過12 000 km/a,居世界首位。巷道掘進機械化水平日益提高,導致作業產塵強度大、粉塵含量高,極易誘發塵肺病,嚴重威脅著作業人員身心健康,尤其是很多煤塵還具有爆炸危險性,威脅安全生產。為解決煤礦井下掘進粉塵污染問題,團隊開發了礦用干式過濾除塵技術,具有零耗水作業、呼塵凈化效率高、無二次污染等優點。主要創新技術包括:

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

2)濾筒內置柱錐體強化清灰技術。針對濾筒清灰均勻性差的難題,研發了濾筒內置柱錐體強化脈沖清灰裝置,借助柱錐體的阻礙碰撞作用強化清灰效果,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。研發了適應現場掘進工序的膠帶機支撐式、單軌吊懸掛式、掘進機機載式、動力車車載式等多種現場便捷移動除塵工藝,解決了除塵裝備與掘進工序匹配難的問題。

干式過濾除塵技術在大屯煤電、神華神東、淮南礦業集團、冀中能源、神華寧煤、陽煤集團、潞安集團等大型煤炭企業應用,現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工作面粉塵污染問題,保障了工人的職業健康,填補了國內礦用干式過濾除塵技術空白。

2.3 皮帶運輸自發電感應霧化降塵系統

帶式輸送機因其運輸能力大、運輸效率高等優勢被廣泛應用于煤礦井下運輸,但帶式輸送機運輸原煤及轉載過程中會產生大量粉塵,其中90%以上為呼吸性粉塵,導致膠運大巷作業人員暴露在高含量粉塵環境中,增加了罹患塵肺病的概率。

皮帶噴霧可以有效解決皮帶運輸揚塵問題,但掘進巷道長距離鋪設電纜費時費力,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,若更換不及時將導致除塵防系統癱瘓。為此,基于永磁滾輪自發電原理,開發了體積小、損耗低、效率高的皮帶運輸滾輪永磁自發電技術,利用導線切割磁力線感應出電勢,將皮帶運輸動能轉化為12 V的穩定電能,供給除塵設備使用。

基于皮帶運輸永磁滾輪自發電技術、自感應霧化除塵技術,研制了皮帶運輸自發電感應霧化除塵系統,確定了系統間隔安裝距離,并在紅柳林煤礦膠運大巷示范應用,膠運大巷粉塵質量濃度控制在1 mg/m3以下。

3 井下CO主動控制與處置技術

針對煤礦、艙室、隧道等受限空間的火災與爆炸災害,首創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,降低化學反應的活化能,基于催化氧化機理,實現CO快速氧化,從而在短時間內將災害環境中的CO含量從致命高危險區間降至低危險區間,利于涉險人員在黃金逃生時間內順利脫險。

該技術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釋放,形成消除劑粉塵云帶主動捕捉爆炸產生的CO,或采用內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內噴灑消除劑,方便涉險人員自救及消防人員救援。

采用該技術及自主研發的便攜式氣載CO消除裝置,在國家礦山應急救援開灤隊的全尺寸巷道中進行了火災CO產物的消除實驗,可以瞬間將獨頭巷道內的CO體積分數從0.17%降至0.034 5%。基于本技術的炮掘CO原位處置技術在安徽淮北青東煤礦、臨渙煤礦、貴州畢節高山煤礦等地投入應用,最高能夠消除80%的爆破CO產物,對防范和遏制煤礦井下爆破后CO超標起到了顯著的效果。

針對井下防爆柴油機尾氣污染物超標的問題,基于CO物理化學吸附與催化氧化的原理,制備出適用于防爆柴油機正常工況下的CO催化劑,設計開發出體積小、非電驅動的CO凈化裝置,可以有效凈化防爆柴油機尾氣,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。實施該技術后,猛加油門工況下,2.0×10-3以上超限現象未出現,0.5×10-3以上超限次數由改造前的29次分別降低至8次與5次,下降率分別為72.4%與 82.8%。平穩運行及暗副斜井大爬坡工況下的CO消除率均達到68%以上,CO超限現象明顯降低。

4 煤層瓦斯含量快速精準測定技術

煤層瓦斯含量是預測煤與瓦斯突出危險性和評價礦井瓦斯儲量的基礎參數。現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計量,推算損失瓦斯量的模型為經驗模型,導致測定周期較長、測定效率較低、測定誤差較大。

為此,團隊提出了煤層瓦斯含量井下一站式自動化測定新方法,研發了CWH12型煤層瓦斯含量測定儀。該技術完全符合現行GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》的規定要求,基于取樣過程中損失瓦斯量的全過程反演補償模型準確推算損失瓦斯量,誤差小于5%;創新設計了井下煤樣保壓密封破碎系統,可在井下現場破碎煤樣,進而測定殘余瓦斯量;研制了瓦斯解吸量自動化計量系統,測定精度達到0.1 mL/min;開發了數據智能化采集處理系統,首次實現了煤層取樣、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,井下現場實時生成測定報表,測定時間由原來的數小時縮短至30 min以內,成功解決了傳統技術測定周期長、結果誤差大、操作工藝復雜等一系列問題,提高了瓦斯含量測定的效率和準確性。

該設備總重約9 kg,便于技術人員攜帶入井,隨時測試煤層瓦斯含量、殘余瓦斯量,直接指導礦山安全生產及瓦斯防治方案制定、技術實施、效果檢驗,大大降低了工人勞動強度,提高了礦井的安全生產閾值,有利于政府、行業管理部門對礦井瓦斯參數的安全監管。目前,已成功應用于山西、陜西、貴州、黑龍江、遼寧、河南等地六十余座礦井。

5 水環真空泵節能高效抽采技術

我國煤礦瓦斯抽采普遍使用水環真空泵,全年有數萬臺在連續運行,年耗電量超百億度,但其運行效率通常低于40%,其高耗能、低效率已成為亟待突破的工程難題。基于流體力學湍流減阻原理,團隊研發了基于高分子工質的水環真空泵節能高效抽采技術,即將常規所用的水介質改性為具有黏彈特性的高分子溶液,通過調控泵內液環流場以大幅降低流動過程中的摩擦損失和湍流損耗,節能效果顯著。

依托國家級泵類檢測檢驗中心試驗系統,搭建了特大型水環真空泵節能試驗裝置,包括:水環真空泵(額定功率800 kW)、熱交換系統、氣液分離器、進排氣管路以及數據監控系統等。試驗結果表明:研發的高分子工質具有高效穩定的節能性能,并對不同水質具有優良的適應性。以進氣壓力60 kPa為例,水環真空泵的軸功率由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,節能率在15%以上,證明了該方法對礦用水環真空泵節能增效的推廣適用性較強。

根據煤礦地面和井下水環真空泵站運行環境及抽采工況,開發了地面半封閉式水環泵節能抽采系統、地面全封閉式水環泵節能抽采系統和井下直注式水環泵節能抽采系統3種工藝模式,形成了由高效型高分子工質、全自動節能工質配補一體化裝置、節能工質最優黏度控制裝置等部分構成的關鍵技術體系,有效降低了抽采系統的能耗水平,并在潞安礦業集團古城礦、淮南礦業集團張集煤礦、韓城礦業公司象山煤礦等成功應用,節能率在15%以上,應用效果顯著。

(以上內容來自第四屆山西省煤炭學會特邀報告摘編)