优化矿井通风系统防止煤层自然发火现象出现

张福国

摘 要：我国煤炭资源储量丰富，煤矿资源又是我国工业生产和人民生活的主要燃料能源，因此，煤矿开采行业具有广阔的发展前景。在煤炭开采作业中，由于开采作业环境本身极具危险性，因此要想提高煤炭开采质量和效率，最为首要的问题就是如何有效降低开采作业的风险性，保障开采人员的人身安全。在开采作业环节，煤层结构内部经常由于氧气浓度过高而引发煤层自然发火现象，这与煤层本身的深度和矿井通风不良有直接的关系。每年，由煤层自然发火现象引起的人员伤亡事故不在少数，同时也给煤矿开采企业带来了不小的经济损失，社会影响极为恶劣。为此，企业应该在煤矿开采过程中注意对矿井通风系统对维护和优化，从根源上防止煤层自然发火现象的发生。文章就对引发煤层自然发火现象的原因以及通风系统中常见的问题进行了深入分析，并重点提出了改良通风系统对几点措施，旨在降低煤炭开采安全事故发生的几率。

关键词：自然发火；作用机理；巷道破裂；风压风速

矿井开采作业深处地下，其环境的惡劣性被人们所熟知，井下作业环境极具复杂性，空气污浊潮湿，粉尘浓度较大，甚至伴随有有害物质的产生，而且还极易导致由于空气流通不畅所引发的煤层自然发火现象，严重危及到井下开采人员生命安全。在矿井中设置通风系统能够有效缓解上述问题，矿井通风系统通常被视作矿井开采作业的核心安全系统，在矿井开采作业中担负着重要任务。首先，它能够有效的利用通风设备将井下的污浊气体与外界的空气进行有效的替换，有助于矿井内部的空气流通，满足人员的氧气供应需要；其次，还可以有效的将井下有毒有害的物质排放到井外，为作业人员提供了较为安全的作业环境；最为重要的是，科学的进行通风系统建设还能够有效避免井下氧气浓度过于集中而引发的煤层自然发火事故，开采人员的安全，降低了煤矿开采事故的发生率。目前在煤矿开采行业，所面临的主要问题不是通风系统设置数量不足，而是由于系统建设缺乏科学性而使得其功能无法有效发挥，因此，企业要进一步加大矿井通风系统的建设力度，并采取各种方法不断优化通风系统结构，使其真正为保障开采作业的安全做出贡献。

1 引发煤层自然发火的构成要件

开采作业环节中，容易引发煤层自然发火现象的原因可以归结为如下几种：其一，与煤层开采的深度有关。煤层自然发火现象多发生于深度井下开采环节，这是由于在浅层开采时，煤层开采对于风量和风压的要求较低，其内部温度也不高，所以基本不会引发爆燃事故。但随着开采深度的加深，煤层自身的温度不断提高，且深层矿井的风量和风压都相对较高，会产生大量瓦斯物质，而与此同时矿井深层的空气流通不好，氧气含量过于集中，一旦瓦斯物质聚积到一定程度，就会发生严重的爆燃事故。其二，煤层自然发火现象的发生还与煤层本身的内部地质结构有关。煤层开采作业会对地下煤层结构造成极为严重的破坏，打破了其原有的坚固性，使煤层间结构变得松散，煤层本身的氧化状况加重，积累到一定程度就会引发自燃。另外，由于煤层开采深度不断加深，使得井下与地面的通风路径相对延长，进入矿井深层的风量就被大大削弱，相对而言，井底压力则大幅增加，为煤层自然发火间接的创造了条件。

2 影响井下风压发生变化的原因分析

风压的发生原理主要是由于进风口和排风口通道之间的空气气流差异所产生的风压差，导致风压差出现变化的因素主要包括开采作业深度的变化，环境温度的变化以及通风系统的影响。

3 风压变化引发煤层自然发火现象的作用机理

引起风压发生变化的因素有很多种，其中，季节性因素变化对于风压变化所带来的影响十分明显。在季节交替过程中，风压会受到外部对流环境的影响而改变风向和风速，使得风压发生明显变化。

3.1 风压与环境温度和开采深度之间的关系。风压会随着开采作业的环境温度变化而有所改变，在煤矿开采作业初期，是浅层煤矿挖掘作业，此时煤层的内部温度还处于较低状态，但随着开采作业的继续，煤层开采深度逐渐增加，越到深层其内部温度变化就越为明显，温度上升幅度也随着煤层挖掘深度而逐层递加，同时，矿井深层的通风量呈现逐渐递减的趋势，使得矿井底部的流通性降低，温度因素和流通性因素相结合就使得风压发生较为显著的变化。

风压变化导致的自然发火现象还与煤层挖掘过程中的氧化程度有关，煤层挖掘深度的增加使得开采作业对于煤层结构的破坏力也大大增加，不仅破坏的其原有的内部构造，而且还加大了煤层结构的空隙，增加了煤层结构的受氧化面积，为自然发火现象创造了氧化条件。要想降低风压变化对煤层开采作业安全性的影响，就必须全方位了解风压的变化趋势，将开采作业的风险性控制在源头。

3.2 由巷道破裂引发的自然发火事故在煤炭开采事故中占据相当大的比例。巷道自然发火较其他原因引起的自然发火现象而言，更具事故发生原因的隐蔽性，同时在日常开采过程中也较难察觉，一旦发生火灾事故，就会对人员和开采设备造成极大的危害。对于引发巷道火灾的原因主要包括以下几方面。首先，巷道发生火灾的地方多具有易燃物质的残留，例如煤炭或者巷道本身的构建材料；其次，巷道破裂处往往会破坏原有的矿井结构平衡，使得局部压力突然增大，进而加剧了巷道破损和开裂的面积，而一旦出现大面积巷道破损，就会直接导致煤层暴露面积增加，使其氧化程度加重，也就更容易发生自然发火现象；再次，巷道破损会直接加重煤层漏风状况，空气流通量增加满足了自然发火的氧化条件，极易引发自然发火事故。要想解决由巷道破损原因所引起的自然发火事故，就必须加强巷道建设管理，对巷道经常进行安全性减产，并注意对巷道结构的维护，避免因巷道环境变化造成的风压差变化。

3.3 自然风压极易受到矿井通风地点的影响，因此，在通风地点和系统建设环节要注意与矿井风压特点的配合。首先，要尤其注意开采区域的季节变化特点，根据其季节变化趋势对风压状况做出科学的判断和预测。对可能造成风压变化的开采设备的使用和管理要严格按照操作标准进行，避免因设备操作不当引发的风压变化情况的发生。对于巷道损坏区域要及时予以维修，以降低漏风情况发生的概率。其次，在进行通风系统设计和建设环节，要充分考虑当地风压环境的变化特点，尽量使系统排风方向与风压方向相一致，同时还要合理布置进风口和排风口的位置。要根据当地风压变化特点，对开采设备进行合理的功能调整，当风压突然增强时，要采取有效方法进行风压的控制，使其回归到正常范围之内。在自然发火高发区域，要重点加强风压管理，时刻监测自然风压的动向。

4 优化通风系统的具体实施方案

4.1 优化矿井通风结构，降低内部结构的复杂性

在矿井通风优化系统设计环节，可以综合多种结构设计的优点，并根据实际情况进行设计方案的合理选择。例如，可以采用中央分列式通风系统结构，这种方式可以最大程度的缩短通风系统的路径，降低风压和风速，进风阻力也可以控制在合适的范围内，同时也降低了漏风现象发生的几率，提高了系统的安全系数。矿井系统结构的设计还要尽量简洁并降低系统内部结构的复杂性。对于通风系统的管理可以采取分区原则，使各个开采区域相独立，有利于风险的分散，一旦发生自然发火现象，更加有利于火灾扑救，同时火灾也不会波及其他开采区域，确保了开采作业的安全性。在进行深层煤炭开采作业时，要对容易发生自然发火的重点区域采取有效的风压风阻控制措施，在保证空气流通性的同时将风压控制在合理范围内，杜绝一切可以引发自然的氧化条件。

4.2 科学的对通风设施进行选择和安装

风路中安设风门、调节风窗和密闭后，其上风侧压力升高，下风侧压力降低，客观存在着局部风压差，且设施的隔风程度越好则产生的局部风压差越大，即h密闭>h风门> h调节风门。选择通风设施类型时，应根据要求的隔风程度和所处巷道供风量的变化范围合理选定，以在一定程度上进行卸压，最大限度地降低通风设施上下侧的局部压力差，减少其周边的漏风强度和深度。若选择密闭时，则应尽可能地保证其密封性，使该处的风阻无限大，让两侧间的漏风量趋近于0。通风设施若建于煤巷时，受矿压不断发生动态变化的影响，周围煤体不仅会产生裂隙，而且裂隙随着时间的推移会不断向煤体深部发育加深。当风门两侧的局部风压差达到一定程度，向其周边煤体裂隙的漏风供氧强度适中，碎煤体因氧化而产生的热量大于放散的热量时，就开始蓄积热量，煤温升高，氧化速度加快，达到燃点后便开始燃烧。并且，当风门建于进风煤巷时，在矿井通风负压的作用下，其下风侧任意两点间的压差值将可能增大，容易诱发其他巷道周围破碎煤体氧化积热而发火。因此，能设调节风门的应尽可能设置，且风门或调节风门应尽可能设置在回风侧的岩巷中，以降低风门两侧或风门下风侧煤巷任意两点间的风压差和漏风范围，防止向其周围破碎煤体呈一定强度的连续漏风而快速氧化积热发火。

2000年以前，某煤矿对通风设施的类型和建造位置认识不够，风门两侧及其下风侧煤巷周围破碎煤体的自燃现象十分严重，据统计，该类火灾占巷道发火次数的35.75%以上。2000年以来，该矿充分意识到该问题后，对风门类型和建造位置認真选择、建造后，该类火灾大幅降低。由近10年来的统计资料可知，该类火灾发生的次数仅占巷道自燃火灾的18.96%。

4.3 采取有效措施降低风速，并合理改变风向

由于风流在矿井巷道中始终处于被压缩状态，受流体和气体分子自身固有特性的影响，客观存在着“反压缩膨胀”作用，加之巷道壁面凸凹、粗糙不平以及巷中生产设备占用巷道空间等所产生的局部风压的共同作用，风流势必膨胀后向其周边破碎煤体裂隙连续漏风供氧。

当漏风速率适中，破碎煤体的氧化活性得到充分激活，受漏风流流态携散热性能不好的制约，生成的热量远大于散失的热量时，发生自燃的几率增大。尤其是风速达到或超过《煤矿安全规程》规定的风速上限时，向巷道周边破碎煤体的扩散渗流漏风强度和深度随“反压缩膨胀”作用增强而加大，达到一定程度后，不仅高冒区周围或地质构造带附近的碎煤体出现自燃，而且，可诱发高冒区破裂煤体发生高位自燃。因此，适中的风流速度，对防止巷道周边煤体的发火有很好的促进作用。某煤矿在巷道支护改革以前，由于受矿压显现剧烈、纯刚性支护耐压性较差的影响，巷道通风断面收缩变形严重，风速达到或超过《煤矿安全规程》规定的上限，巷道周围碎煤体的自燃现象严重。特别是巷顶碎煤体的发火比较普遍，据资料统计，其发火次数占巷道火灾的63.42%。支护工艺和方式改革后，耐压程度大幅提高，巷道受压流变、收缩程度减弱，风速稳定在《煤矿安全规程》规定上限的60%～80%以内，发火现象下降了72.18%。这说明：适宜的风速对向巷道周边碎煤体的扩散漏风而诱发自燃有较强的预防作用。

4.4 分析风压变化规律并有效加以利用

气候对矿井通风压力的影响，主要是自然风压方面。自然风压作为矿井通风的次要动力，随着季节的不同对矿井机械风压的影响趋势存在差异。矿井进风和出风两侧空气柱的高度和平均密度是影响矿井自然风压的2种因素，而空气柱的平均密度主要决定于空气的密度。由于进风侧空气柱的平均密度随地面四季气温而变化，出风侧空气柱的平均密度常年基本不变，致使矿井的自然风压会发生幅度较大的季节性变化。春冬季节，自然风压和机械风压的作用方向相同。而夏季和秋季，则与机械风压的作用方向相反。尤其是进、出风口高差大的矿井，自然风压随季节的变化对机械风压的影响比较明显，甚至在春夏或秋冬换季期间发生昼夜变化。对于正常生产的矿井而言，在风阻基本不变的前提下，自然风压随季节的变化将造成矿井风量发生相应的增减。这种变化进入稳定期后，对煤层自然发火影响不大。

但处于气温变化频繁且幅度较大的春夏或秋冬交季期间，矿井通风压力和风量随之发生相应的波动，向通风巷道顶、帮破碎煤体的漏风也发生频繁变化，致使煤体的氧化范围和蓄热环境不稳定，既忽大忽小又频繁变化，极易诱发自然发火。季节的变化，将造成空气中水蒸气的含量不同。冬春季，地面温度低于井下，风流流经巷道后，温度升高，容纳水分的能力增大，会吸纳巷道周边的水分而使风流的含水量增大或达到饱和状态，漏向巷道顶帮破碎煤体风量的水分将随之增大。碎煤体氧化放热后，由于水分被蒸发需吸收热量，直至水分散失完毕才可进入干馏阶段。因此，可延长煤的自然发火期，减少自然发火的可能性，从而有利于煤层自燃的防治。反之，则有利于煤层自然发火。某煤矿进、回风井间的高差在25m，自然风压平均160～220Pa，对矿井机械风压的影响较大。风流中的含水量年变化幅度超过60%，其对煤层自然发火的影响比较明显。据1997年以来的统计结果表明：地面温度变化频繁且幅度较大的季节交合期间，巷道自然发火的比例平均为67.2%～74.6%。但适时调整通风系统后，巷道自然发火的比例降低到23.1%～31.7%。

5 结束语

煤炭开采行业为人们正常的生产生活提供了强大的能源支持，是我国能源经济发展的支柱型产业，与此同时，人们对于煤炭开采过程中出现的安全责任事故也倍加关注，近些年来，由于煤矿通风系统老旧失修，通风不畅引发的煤层自燃事故屡屡发生，为煤炭开采的安全性埋下了隐患，为了有效降低煤炭开采的事故发生率，对煤矿通风系统进行优化是企业的首选方案，事实证明，对于通风系统进行优化可以有效遏制由于煤层自然发火所导致的安全事故，提高了煤矿开采作业的安全性。

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