煤矿通风瓦斯安全分区控制探析

＊代雪锋

（山西焦煤西山煤电杜儿坪煤矿 山西 030022）

煤矿生产过程中，通风系统发挥着非常重要的作用，通过设置通风通路，并应用通风机等机械设备，可以实现矿井空气与外界环境空气之间的交换，同时也能避免瓦斯等有毒有害物质的聚集，减少安全事故。为保障煤矿生产安全，应具有科学、有效的通风技术，确保通风效果。

1.煤矿中瓦斯的危害

(1)可能引起瓦斯爆炸事故

煤矿开采过程中，由于应力的减少，使得煤层中赋存的瓦斯被释放到矿井中的作业区域，同时随着生产的进行，瓦斯的含量不断提高，如果矿井中的通风效果不佳，则瓦斯容易发生积聚，进而导致瓦斯爆炸事故。

瓦斯是一种主要由甲烷（CH4）等成分组成的气体，具有易燃、易爆、无色、无味、无臭等特征。在CH4浓度处于某一临界值以下的时候，即爆炸界限，不会发生爆炸，一旦超过爆炸界限，便有可能引发爆炸。CH4在新鲜空气中爆炸界限为5%～15%，如图1所示。如果矿井中的瓦斯浓度在爆炸界限以下，则不会引起瓦斯爆炸事故。但是最低燃能量与空气中的瓦斯浓度、温度、电压等因素有关，空气与瓦斯融合起来后，最低点燃温度为650℃，容易受到矿井中电弧、明火、煤炭自燃等因素的影响，而发生燃烧，进而容易引起爆炸。为保障作业人员的健康，煤矿矿井中氧（O2）的浓度应当在18%以上，最低不可低于12%。一旦O2浓度低于既定数值，不仅会威胁作业人员的健康，还可能降低瓦斯的爆炸界限数值，引起爆炸事故。

图1 甲烷爆炸界限图

(2)瓦斯爆炸事故的危害

煤矿生产中，瓦斯爆炸事故的危害主要体现在以下几个方面：

①有害气体危害。煤矿矿井中发生瓦斯爆炸事故后，高温催化下会产生大量的有毒有害气体。有试验发现，瓦斯爆炸事故发生后，煤矿矿井空气中，氧气（O2）、氮气（N2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）的含量分别为5%～10%、80%～86%、3%～7%、5%～9%。同时，如果粉尘参与到瓦斯爆炸过程中，那么CO的含量会更高，加剧人员伤亡。

②高温危害。高温危害指的是由于瓦斯爆炸产生的高温冲击波而引起的危害。

有试验发现，矿井中瓦斯浓度超过9.5%时，如果发生瓦斯爆炸事故，则中心瞬间温度可达到1860℃。爆炸区域的密闭性较强的情况下，中心瞬间温度甚至可以达到2600℃。瓦斯爆炸事故带来的高温冲击波所经之处，所有可燃物均有可能发生燃烧，从而造成严重的经济损失与人员伤亡。

③冲击波危害。煤矿矿井中出现瓦斯爆炸事故后，空气温度急剧上升，压力大幅度提高，冲击面的压力最高可以超过2MPa，且传播速度可能超过音速。瓦斯爆炸带来的冲击波，有可能导致井下机械设备损坏、巷道倾颓、人员伤亡等。

2.煤矿通风瓦斯安全分区控制

(1)安全分区理论

煤矿生产往往会涉及到不同区域、系统，不同区域、系统有着不同的特征，以往全局性安全控制，针对不同区域、系统采用同一标准，忽视了实际，因此安全控制效果并不理想。安全分区控制便是在这样的背景下产生的，安全分区指的是，对煤矿生产区域的特征进行全面了解，在此基础上，将其划分为若干个安全控制基本单元，如掘进工作面分区、回采工作面分区等，同时在不同分区之间建立联系，建立基于安全分区的长效煤矿安全控制体系。煤矿安全分区系统架构如图2所示。

图2 煤矿安全分区系统架构图

由图2可知，煤矿安全分区系统包括三部分，即安全分区、关联通道以及安全关注点。①安全分区，是以生产特点的不同为根据，划分出来的不同区域；②关联通道，不同分区风险之间存在密切关联，如掘进工作面出现的瓦斯爆炸事故，可能给回采工作面带来一定的影响；③安全关注点，是容易出现安全事故的位置或因素，如掘进工作面前方含水层、回采工作面上隅角瓦斯积聚区等。

(2)安全分区技术

煤矿中采取通风瓦斯安全分区控制技术时，分区主要采取并联通风方式，确保矿井中各通风点的风流构成独立回路，并避免不同生产区域的风流混杂、相互干扰。分区通风下，一条通风回路服务的范围相对较小，且服务区域有着明确的特征，所以可以有效降低分区内的粉尘、瓦斯等物质的浓度，保障新鲜风流供给，也可以有效控制安全风险。为确保煤矿通风瓦斯安全分区控制技术的有效性，应建立相应的数据系统，定量化管理分区。数据系统中的数据包括通风设备运行情况、风网结构、风量配比、风阻等。现以瓦斯的涌出与积聚规律分析、通风系统的稳定性分析两个方面，对数据系统进行说明。

首先，瓦斯涌出与积聚规律分析。为明确煤矿各区域、整个矿井瓦斯涌出规律，应对瓦斯涌出与积聚规律进行分析。其内容包括：①工作面分区瓦斯测定。其目的是对安全风险较大的分区的瓦斯涌出规律进行更好的分析。具体来说，是沿倾向在工作面布置若干测点，对各区段的风量、瓦斯浓度等参数进行测量，并进行数据分析，最终对瓦斯涌出规律进行判断。②瓦斯流分布。瓦斯主要依靠风流实现在巷道中的运移，可采用仪器对风流中的瓦斯浓度进行检测，再进行换算，从而得出瓦斯流量。通风系统中，瓦斯流量是符合平衡定律的，但时常发生波动。因此，在对瓦斯流分布进行分析的时候，应采用大数据，长时间对瓦斯进行监测，得到数据之后，采取数据统计原理，便可以对瓦斯流分布规律进行总结。③日常瓦斯监测。其目的是判断作业环境安全与否，了解工作面瓦斯的涌出情况，同时还可对作业空间瓦斯的历史涌出量、规律进行分析。具体来说，对作业空间历史涌出数据进行收集、统计、分析，在数据样本足够大的情况下，便可以得到瓦斯涌出的概率密度函数，从而对瓦斯涌出规律进行定量确定。

其次，通风系统的稳定性分析。分析的内容包括通风系统基础、通风网络图、通风构筑物以及风道的通风灵敏度。①通风系统基础。以通风期的实情为根据，解算通风网络的基础数据，明确分区通风的基本方案；②通风网络图。应用计算机软件，制作通风网络图，通风网络图具有可视化的特征，解算通风网络的风压、风阻等数据，在全面了解通风网络图相关数据信息的基础上，优化通风网络；③通风构筑物运行中，容易受到外力的影响而发生损坏，所以，应对通风构筑物的情况进行实时监测，避免由于通风构筑物受损而导致的风流紊乱；④风道的灵敏度指的是，风道的风阻改变的时候，风量也会发生变化，分析风道的灵敏度，可明确风量、风阻之间的关系，以便于合理调节风量。

(3)通风瓦斯安全分区风险控制系统

在上述基础上，结合现代通信技术、网络技术，构建通风瓦斯安全分区风险控制系统，该系统主要包括以下几种功能：①可对瓦斯数据进行跟踪管理。煤矿生产过程中会不断产生瓦斯，因此瓦斯数据庞大，人工对瓦斯数据进行分析、处理，难度较大。借助通风瓦斯安全分区风险控制系统，可对瓦斯数据进行跟踪管理，实时处理瓦斯数据，有利于增强对瓦斯风险的识别、控制能力。②可对通风数据进行跟踪管理。借助通风瓦斯安全分区风险控制系统，可对通风系统的通风参数，包括风速、风压、风量等进行实时采集、分析，并以数据分析结果为依据，对通风系统的状态进行调整，可有效提高通风系统的抗风险能力、可靠性。③可对日常资料数据进行跟踪管理。借助通风瓦斯安全分区风险控制系统，可自动化记录各种资料，并生成日志文件，并能同时实现多种格式的文件输出，为煤矿生产、管理提供有效的支持。 ④可对安全信息监控数据进行跟踪管理。在明确通风参数阈值、瓦斯浓度阈值、井下人员定位的前提下，可对井下作业空间的风险进行预警，有利于保障井下作业安全。

3.结语

综上，瓦斯是影响煤矿安全生产的主要因素，一旦发生瓦斯爆炸事故，便可能导致严重的后果。因此，煤矿应采用安全分区控制的理论与技术，提高通风系统的可靠性，保障矿井通风效果，预防瓦斯安全事故，保障煤矿安全生产，提高煤矿生产效率。