矿井通风与瓦斯治理技术2010-12

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矿井通风与瓦斯治理技术,中国矿业大学安全工程学院 陈开岩 教授 联系电话:13951355580 Email:,内容提要,1、概述 2、矿井通风阻力测定 3、矿井通风系统优化及改造 4、采掘工作面通风系统与瓦斯治理 5、矿井通风系统可视化实时动态模拟 6、矿井通风能力核定及优化 7、多风井多风机联合运转通风系统稳定性,一、概述,矿井通风的目的与任务,矿井通风,瓦斯预测,气温预测,矿井需风量,按有效地稀释和排除有毒有害气体、浮尘,创建适宜的气候条件,有利于防灾等,通风方法防治各种灾害,矿井通风系统组成,矿井通风系统,通风井巷网络,通风设施,通风动力装置,矿井通风系统的特点,动态性影响 通风网络拓扑结构随时间的变化 通风巷道和通风构筑物的空气动力学性能老化 通风机空气动力学性能老化 非稳定性影响 通风机设备维修倒台 井巷运输提升设备活动 风门的启闭 风窗的调节,二、矿井通风阻力测定,阻力测定原理: 根据能量方程,在两个均匀流断面上通过测量平均的风速v、气压p、干湿球温度td,以及两断面的高程、间距和断面积。 两断面的压头损失阻力计算式:,2.1 测定方法的选择 压差计胶皮管法 气压计法 2.2 制定测定方案的原则 测定时间: 选择在系统稳定的时间段进行 分组分次测量,每次测量所需时间控制在6-8小时,基点法(逐点巡回),同步法,混合法,2.2 制定测定方案的原则 测风地点布置要求:能检验出节点风量的闭合差 测压地点布置要求: 能检验回路阻力的闭合差; 分组分次独立测量一条巷道。 对于不同组和不同次的测点集合之间存在的关联巷道应包含在同组和同一次测量中。 测线选择: 选择测定最大阻力路线,检验系统阻力测量精度 选择辅助测线应能与最大阻力路线直接形成闭合回路 选择一些关键的进、回风道之间的风门,测定其两端的压差,作为对主要通风路线阻力测定的闭合检验。,通风阻力测定实例,通风阻力测定方案,根据通风网络图,布置测点共101个。按风流系统、测点分布、测量时间、选定4条测线如下: 第一天第一条测线: 596057585654554947484645432753525116424140393844303432,共27个测点。 第一天第二条测线: 12394510650781211131418171523222425262899292120,共28个测点。 第二天第一条测线: 62636164659866886768697071727374757677787980343310035,共26个测点。 第二天第二条测线: 818283848587868889909192939495969799323110137,共22个测点。,通风阻力测定结果分析,通风阻力测定精度检验表,最大通风阻力路线的阻力分布测定表,三、矿井通风系统优化改造,3.1 优化改造的必要性准则 矿井通风方法的变化,第一水平为压入式通风,开采延深至下水平改为抽出式; 矿井生产能力增加,通风系统不能与之相适应; 由于矿井的扩区、延深引起通风系统的变化; 由于瓦斯、地温出现异常变化,超出原设计值,使得原有通风系统无法满足要求; 由于各种原因造成矿井主要通风机能力与矿井通风阻力不相匹配等。 矿井通风阻力严重超标,阻力分布不合理,3.2 矿井通风系统优化改造的原则,1、通风方式合理 各种通风系统完善,通风网络结构简单; 采用分区独立通风,尽量不用串联通风,抗灾能力强。 2、通风网络风量分配与调节合理,风流稳定,无风流不稳定角联风路。有效风量率高,漏风小; 3、通风阻力分布合理,阻力小; 4、通风设施布置合理,数量少; 5、矿井主要通风机运行稳定、可靠、高效经济。 单台主要通风机风压特性与通风网络风阻特性相匹配; 多风井风机联合运转稳定,相互干扰小。,3.3 通风系统优化改造的目标和策略,总目标: 在通风系统服务年限内,在保证矿井生产能力所需的风量要求下,使主通风机与通风网络始终保持合理匹配的状况,实现矿井通风系统安全可靠、高效经济的运行。 总策略: 矿井通风系统改造应立足现状、着眼长远,统筹兼顾,因地制宜,以降低矿井通风阻力,增加风量,提高主要通风机效率,减少漏风为主进行综合治理,达到增风、节能、安全生产的目的。,可采取的改造措施,简化通风系统:封闭报废巷道,拆除不合理多余的通风设施 降低关键风路上的摩擦阻力:调整改善进风与回风系统,减少风流不合理折返,缩短进、回风路线的长度。 修复失修的巷道、扩大巷道通风断面 增加并联巷道:利用井下的原有巷道或新开井下巷道 降低关键风路上的局部阻力:减小总进、回风巷道转弯处、风井与风硐连接处、扩散塔转角处的风流损失。 报废淘汰陈旧的主通风机,更换新型高效风机 新开凿进风井、回风井,大幅度缩短通风流程,3.4 通风系统优化改造的步骤,明确改造的目标和任务 当前通风系统的调查 矿井生产采掘计划 矿井通风图纸、数据等相关资料 进行矿井通风阻力测定和主要通风机性能鉴定 当前通风系统的分析 分析当前通风系统存在的主要问题 矿井通风能力分析 矿井通风网络运行状况分析 主要通风机装置性能分析,根据当前生产和未来发展规划,通风系统无法满足安全生产的要求时,提出优化改造的意见,并进行必要性和可行性分析论证。 改造方案的拟定 从系统存在的问题出发,提出通风系统可行的改造方案。具体从以下三方面考虑: 改造通风网络 改造主要通风机装置 调整通风设施布置,提高通风设施质量,根据矿井瓦斯涌出量预测和风温预测的情况,计算确定不同时期各种可行通风方案下矿井当前和未来的需风量 进行不同时期各种方案的通风模拟,提供各方案技术指标 进行不同时期各种通风方案的安全、技术经济比较评价,选择最佳方案。 制定改造工程计划,组织实施,并进行效果检验。,矿井通风系统优化改造实例一,优化前通风网络图,两翼对角式通风网络图,两翼对角式回风系统优化,改换进回风井,减少浅部露头风井地面漏风,防治煤自燃,缩短通风流程,最终优化后通风网络图,矿井通风系统优化改造实例二,1、76采区瓦斯涌出量成倍增加,供风量严重不足 2、通风路线长、通风断面小、阻力大 3、局部存在漏风,矿井通风系统优化改造实例二,新开进、回风井缩短南风扩区通风流程,1、采取堵漏措施 2、增加采区专用并联巷道 3、扩大巷道通风断面 4、改变工作面通风方式 5、改变矿井通风方式,矿井通风系统优化的主要内容,通风方式的优化,矿井通风方式优化,优化原则系统完善、简单、通风阻力分布合理、风流稳定性好、防灾抗灾能力强 根据矿井瓦斯涌出量、矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、煤层自燃倾向性等条件,提出多种技术上可行的通风系统方案,通过优化或技术经济比较后确定。,1、中央式 进、回风井均布置在井田走向中央,根据进、回风井的相对位置,又分为中央并列式和中央边界式。 1)中央并列式 是指进风井和回风井并列位于井田走向中央的通风方式。,2)中央分列式 是指进风井位于井田走向的中央,回风井位于井田沿浅部边界走向中部的通风方式 。 回风井与进风井沿倾斜方向相隔一段距离,回风井井底高于进风井井底,总回风大巷也要高于进风运输大巷。中央边界式通常以副井和主井作为进风井,回风井和总回风巷专门开凿。,2、对角式 1) 两翼对角式 两翼对角式是指进风井(回风井)位于井田走向的中央,回风井(进风井)位于井田走向两翼的通风方式。如果只有一个回风井,且进、回风井分别位于井田的两翼则称为单翼对角式。对角式通常以副井和主井作为进风井,回风井和总回风大巷需专门开凿。,2) 分区对角式 分区对角式是指进风井位于井田走向的中央,在各采区开凿一个回风井且无总回风巷的通风方式。,中央分列与两翼对角混合式,3、混合式 进风井与出风井由三个以上井筒按上述基本方式混合组成。下图是中央分列与两翼对角混合式通风系统。为了缩短基建时间,在初期采用中央分列式通风系统,随着生产的发展,当开采到两翼边界时,则用中央分列与两翼对角混合式的通风系统。,4、区域式通风,在井田的每一个生产区域开凿进、回风井,分别构成独立的通风系统。 各区域进风系统之间的联络巷是角联风路,应保证其有足够强度的风流通过,防止出现微风和无风的现象。 各区域必须实现独立回风,合理划分各自担负的生产区域,隔断各区域回风联系,尽量避免一个采(盘)区或条带工作面由两个区域主扇共同担负通风。,矿井通风系统设计的基本要求,设计选择通风系统,除遵循投产较快,出煤较多、安全可靠、技术经济指标合理等原则外,必须满足下列基本要求: 1) 安全出口设置。每个矿井特别是地震区、多雷区的矿井,至少要有两个通到地面的安全出口,各个出口之间的距离不得小于30m,新建和改建的矿井,如果采用中央并列式通风时,还要在井田边界附近设置安全出口。井下每一个水平到上一水平和每个采区至少都有两个出口,并与通到地面的安全出口相连通,通到地面的安全出口和两个水平之间的出口都必须有便于人行的设施(台阶和梯子间等)。,2) 进风井口要避免污风、尘土、炼焦气体,矸石燃烧气体等的侵入。进风井口距离产生烟尘、有害气体的地点不得小于500m;为防止进风井筒冬季结冰,需装设暖风设备;矿井的总回风道不得作为主要人行道;地面主要通风机和回风流的噪音都不得造成公害;进风井与出风井的设置地点必须地层稳定,施工地质条件比较简单,占地少,压煤少,而且要在当地历年来洪水位的最高标高以上(大中型和小型矿井分别超过当地百年和50年内最高水位)。 3) 箕斗井一般不应兼作进风井或出风井。如果井上、下装卸装置和井塔有完善的封闭措施,其漏风率不超过15,并有可靠的降尘设施,箕斗井可以兼作出风井;若井筒中风速不超过6m/s,有可靠的降尘措施,保证粉尘浓度符合工业卫生标准,箕斗井可以兼作进风井。胶带斜井不得兼作出风井。如果胶带斜井中风速不超过4m/s,有可靠的降尘措施,粉尘浓度符合卫生标准,才可兼作进风井。,4) 所有矿井都要采用机械通风,主要通风机和分区主要通风机必须安装在地面。但有战备的特殊要求时,可以考虑装在井下。新设计矿井不宜在同一井口选用几台主要通风机联合运转。 5) 不宜把两个可以独立通风的矿井合并为一个通风系统。若有几个出风井,则自采区流到各个出风井的风流需保持独立;各工作面的回风在进入采区回风道之前、各采区的回风在进入回风水平之前都不能任意贯通,下水平的回风流和上水平的进风流必须严格隔开,在条件允许时,要尽量使总进风早分开,总回风晚汇合。 6) 采用多台分区主要通风机通风时,为了保持联合运转的稳定性,总进风道的断面不宜过小,尽可能减少公共风路的风阻。各分区主要通风机的回风流、中央主要通风机和每一翼主要通风机的回风流都必须严格隔开。,7) 要充分注意降低通风费用,为此,主要风道的断面不宜过小,并做到壁面光滑,以降低摩擦阻力,主要风道的拐弯要缓慢,断面的变化要均匀,以降低局部阻力;要尽可能使每个采区的产量均衡,阻力接近,使自然分配的风量基本上和按需要分配的风量一致;尽可能少用通风构筑物,同时也要重视降低基建费用。为此,要充分利用一切可用的直通地面的旧井巷,或利用上水平可用的旧巷道帮助下水平回风。 8) 要符合采区通风和掘进通风的若干要求,要满足防治瓦斯、火、尘、水和高温对矿井通风系统的要求,还要有利于深水平或后期通风系统的发展变化。,采区通风方式优化,优化原则系统完善简单、风流稳定性好、防灾抗灾能力强,采场通风方式的优化,优化原则排瓦斯能力大、瓦斯积聚、煤自燃危险性小、有利于瓦斯抽放,有利于抑制采空区煤的自燃,有利于降温、降阻。,长壁工作面后退式通风方式,采煤工作面通风方式的优缺点及适用条件,1)U型通风方式:具有采空区漏风小的优点;但在工作面上隅角附近易于积存沼气,影响工作面的安全生产。在瓦斯涌出量不大时,可采用导风设施(导风板、风帘等)控制上隅角瓦斯。当瓦斯涌出量大时,应考虑采空区瓦斯抽放。,2)U+L型通风 在U型通风方式的基础上,增开了一条专用排瓦斯尾巷(回风),并与回风巷之间需增开较多的联络巷,以便对采空区瓦斯进行抽排放。尾巷瓦斯浓度按不超过2.5%管理。这种方法提高了对采空区瓦斯的排放强度,减少了上隅角瓦斯积聚的危险性。 但通风管理较复杂,需根据瓦斯涌出构成比例,确定主辅回风量比。适用于采空区瓦斯涌出量较大(主要来源于邻近煤层),而工作面煤壁瓦斯涌出量不太大的条件。,4)Y+L型 当沿空留巷技术和经济不合理时采用。其特点是取消了采区边界上山和沿空留巷。使用留煤柱的区段巷道布置,但需增开联络巷和一条瓦斯尾巷。,5)W型 W型通风方式指采煤工作面,有三条平巷,即上、下平巷进风或回风,中间平巷回风或进风的布置形式。 相邻的两个工作面共用一条进风或回风巷道,从而减少了巷道的开掘和维护费用; 通风网路属并联结构,因而风阻小,风量大,漏风量小,利于防火; 改善工作面内的瓦斯浓度分布,降低通风压差和工作面风速,从而减少了采空区的漏风。 由于工作面其中有一半为下行通风,受其影响在煤与瓦斯突出的煤层中不能使用,而在高瓦斯、易自燃的近水平煤层的综采工作面中得到应用 。,6)E型 具有三条通风巷道,其上平巷为回风巷,而下平巷及中间平巷为进风巷的通风方式。 特点:下平巷和下部工作面回风速度降低,故可抑制煤尘的产生。与U型通风方式相比,可使上部工作面气温降低。但采空区的空气流动相应发生了变化,迫使采空区的瓦斯较集中地从上部回采工作面的上隅角涌出,故仅适用于低瓦斯矿井。,采煤工作面上行与下行通风,采煤工作面的风流方向有上行风与下行风两种,它是指风流方向和煤层倾斜的关系而言。上行通风是指风流自下巷流向上巷的通风方式。相反,则为下行通风。 上下行通风的差异主要是风流在倾斜的工作面流动时,其流速矢量可以分解为水平和垂直的两个方向分量。上行风垂直方向速度向上,而下行风向下。考虑瓦斯在空气中有上浮效应,煤尘受重力作用有下落效应;煤流与风流的相对运动方向,火灾时期火风压的作用方向与风流方向的关系,决定了上行风和下行风的优缺点和适用条件。 在煤与瓦斯突出煤层中的采煤工作面,严禁采用下行通风。,五、矿井通风系统动态可视化实时模拟,造成矿井通风系统的动态变化的因素 网络结构及参数的变化: 采煤工作面的推进引起的巷道风阻变化 巷道的贯通与封闭引起的网络结构变化 调节设施的调节参数变化 主要通风机工作参数的变化 主要漏风通道风阻的变化 自然风压的变化,保障实时模拟可靠性的措施: 利用阻力测定获得的部分巷道风阻值与实时监测的部分风量值求解全网络通风参数(风量和风阻)的实时变化。 风流参数变化监测点的合理布置,Q1,Q2,Q3,Q4,Q6,Q5,Q10,1,2,3,4,5,6,监测路线:1-2-3-4-5-6-7-8。 监测参数:风量:Q2,Q4,Q7,Q9;风压:P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,7,8,Q7,Q8,Q9,通风模拟可视化内容 绘制或读入矿井通风系统图:平面、立体 绘制或自动生成矿井通风网络图 创建、编辑修改、删除网络节点和分支。 矿井通风模拟原始数据显示 矿井通风模拟结果数据显示 矿井通风系统关键内容着色或加粗显示 用风地点(固定风量分支) 通风设施,风流方向等。,矿井通风网络基本参数的可视化修正 巷道长度变化 巷道风阻变化 巷道风量变化 主要通风机工况变化、调节 通风网络的经常性变化:老巷道报废封闭、新巷道贯通等。添加或删除分支、节点。 其它方面等等,矿井通风系统(网络)可视化,矿井主要通风机设置及特性曲线,矿井通风可视化模拟软件简介,软件功能: 矿井通风系统图和网络图的绘制及管理 创建、更新和修改 通风系统基础数据库的管理 创建、更新和修改 通风阻力测量数据处理 压差计法、气压计法(基点法、同步法) 通风阻力测量平差处理,矿井通风可视化模拟软件简介,矿井通风系统运行状态模拟 矿井通风网络风量调节计算 矿井通风机工况优化调节计算 矿井通风机优化选型 矿井风流敏感性分析计算 矿井风温预测计算 矿井巷道瓦斯流动浓度分布计算 矿井反风模拟等,六、矿井通风能力核定及优化,通风能力核定的必要性和重要性 矿井通风能力核定是安全生产的需要 在当前矿井生产组织格局下,核定矿井最大通风能力。 矿井通风能力核定是处理当前通风与生产的关系 矿井通风能力优化 在满足安全生产条件下,通过合理组织生产(产量分配)和网络风量的优化分配,实现矿井生产能力的最大化。 矿井通风能力优化是未来通风与生产布局的高度统一。,5 矿井通风能力核定及优化,核定:在现有的网络结构条件下,选取矿井稳产时期采掘面的实际供风量,根据瓦斯涌出量情况,确定采掘面的最大产量,进而确定全矿井的最大通风能力。 优化:在现有的网络结构条件下,根据不同的采掘面在不同产量下的瓦斯涌出量的不同情况,进行不同的配风,由于矿井网络本身的约束特性,则有不同的配风方案,其中也必然存在一个安全生产条件下产量最大化的方案。,矿井通风能力核定方法,矿井通风能力优化模型,瓦斯涌出量(q),产量(A),风量 (Q),A=f(Q),以Q为决策变量的目标函数,节点风量平衡方程,回路风压平衡方程,风速限制,约束条件,最优Q*值,最优A*值,优化算法,矿井通风能力核定方法,采掘面风量确定 “以风定产”的风量应是在给定的网络条件下主要通风机的实际最大供风量。 矿井或系统的实际供风量取决于主要通风机风压特性和矿井风阻特性的匹配性。 当确定了核定产量时期的生产布局以及由此而形成的通风系统后,代入网络结构基础数据和主通风机风压特性,通过网络解算,确定各采掘面的最大风量。此过程可能需要反复多次验证是否满足下列要求:,矿井通风能力核定方法,通风模拟验证是否满足以下要求: 风量是否满足生产需要; 主要通风机实际运行工况点是否合理; 核定时期井下各巷道的风速是否超限。 矿井总回风巷瓦斯是否超限。,瓦斯来源与产量的关系分析,采煤工作面瓦斯涌出来源: 与采煤有直接关系的涌出量包括采落煤块的瓦斯涌出量和新暴露煤壁的瓦斯涌出增量, 与采煤无直接关系的涌出量包括入风携带的瓦斯量,煤壁稳定涌出的瓦斯量以及采空区涌入工作面的瓦斯量等,采掘工作面瓦斯涌出量与产量关系,采掘面瓦斯涌出量与日产量之间存在一定的关系 采煤面瓦斯绝对涌出量和日产量是成正比、线性、非线性(多项式、幂函数、指数函数等)关系; 瓦斯相对涌出量则与日产量成递减的线性、非线性(多项式、幂函数、指数函数等)关系; 掘进面瓦斯绝对涌出量与日产量成线性、非线性(多项式、幂函数、指数函数等)递增关系。,采掘工作面瓦斯涌出量预测,分源法预测模型 q=q1+q2 开采层相对瓦斯涌出量(包含围岩瓦斯涌出量) q1 邻近层相对瓦斯涌出量q 2 统计法 煤层瓦斯赋存、瓦斯含量、采煤方法与工艺、顶底板岩性、通风方式等条件相同或相似。 按日瓦斯相对涌出量的平均值和最大值进行统计 统计时间选择瓦斯涌出相对较大的时期 确定瓦斯涌出量与产量函数关系的方法: 绘制瓦斯涌出量与日产量关系的散点图,对于规律不明显的数据,可以进行数据的预处理; 由散点图判断比较接近的若干函数; 采用函数最小二乘法拟合,取相关系数最大和方差最小的一种函数,综放面平均相对瓦斯涌出量预测模型,综放面瓦斯涌出不均匀系数k,降低采面瓦斯涌出量 合理确定产量和风量,综放面瓦斯涌出量与产量的关系实质上主要取决于采煤工作面采放一次循环的速度,即采煤机的割煤强度(单位时间落煤量)、煤破碎度(取决于截深和滚筒转速)、一次放煤强度和放煤间隔时间,以及运煤的速度。 综放工作面的产量应根据工作面允许的最大风排瓦斯涌出量来优化一次采放循环的速度和时间,从而制定相应的合理产量。,分源法预测公式修正,分源法预测公式修正 式中 q综放工作面风排相对瓦斯量,m3/t; q1开采层相对瓦斯涌出量,m3/t; q2邻近层相对瓦斯涌出量,m3/t; q3采煤面瓦斯抽排量,m3/d, x采煤工作面日产量,t/d; kv与推进速度和瓦斯涌出不均匀系数有关的修正系数。,综掘面相对瓦斯涌出量与日出煤量的关系,综掘面瓦斯涌出不均衡系数与日出煤量的关系,风量分配一定时求最大通风能力,矿井通风网络风量分配为定值时,求最大通风能力 模型:目标函数,Sj系统中与产量有关的瓦斯涌出量,Sj系统中与产量无关的瓦斯涌出量,“以风定产”处理好生产与通风的关系,遵循两原则 “通风为生产服务”的原则 “生产(含开拓、采掘设计、布置)必须服从合理通风规律”的原则 不遵循“合理通风”规律的后果 对矿井安全稳产和高产高效造成严重影响 给矿井生产造成严重的事故隐患 给矿井防灾增加了大量人力、资金的投入,“通风与生产”关系没处理好的后果,具体表现如下: 通风方式不合理,破坏“分区通风”原则。 生产布局不合理。生产过于集中,瓦斯涌出量和供风量也过于集中,造成通风阻力过高;生产过于分散,造成通风系统复杂(复杂网络、角联风道多,通风构筑物多),风流稳定性差、采掘工作面供风量不足,甚至处于不稳定的角联风路上,通风管理困难,通风不可靠,抗灾能力差。 多风井系统的瓦斯涌出量不均衡引起各系统的供风量和通风阻力不协调,各风机的风量和风压严重失衡,造成风机运转不稳定、不经济。,七、多风井多风机联合运转通风系统稳定性,降低多风机联合运转相互影响的措施 最有效的措施减小多风机公用风路的风阻,尽量形成多风机独立通风系统; 空气动力联系数值=公用风路阻力/最小风机风压系统阻力<30%为宜。 尽量使各风机系统风量、风压接近;理想情况下是各风机系统的通风阻力相等,即按多风机联合运转的最稳定和最经济的原则,在矿井总风量一定的条件下,对各风井系统最大阻力路线进行自然分风模拟,可得出各风机联合运转最稳定的工况点。 各风机特性与其负担的网络阻力特性必须始终保持相匹配。,平煤五矿通风网络简化图,多风井多风机联合运转相互影响的规律,多风井多风机联合运转时,每台风机的工况点,既取决于各自专用风路的风阻,又取决于公共风路的风阻。当各风机专用风路的风阻一定时,公共风路风阻增大,各台风机的工况点上移;当公共风路风阻一定时,某一风机专用风路风阻增大,则该风机工况点上移,其它风机的工况点下移;反之亦然。因此要注意防止因一台风机专用风路风阻减小引起其它风机风压过高的增加而导致不稳定工作。多风机产生相互影响的根源是由于存在公共风路,其影响程度大小取决于公共风路的风阻。其值越大,相互影响则越大。可以用下面的多风机联合运转空气动力联系系数 加以评价。,多风机联合运转空气动力联系系数,对于两翼对角式通风系统,两台风机并联运转时:,相互影响评价,当两台风机风压相等时,风机之间空气动力联系为最小,此时有: 最小空气动力联系值:,按需分风情况下空气动力联系值,自然分风情况下空气动力联系值,THE END,谢谢大家
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