矿井通风灾害防控技术新进展

周福宝

(中国矿业大学,江苏 徐州 221116)

1 智能通风与应急控制技术

针对矿井通风与应急调控智能化不足的现状,立足“平战结合”的理念,揭示了矿井火灾、爆炸、煤岩动力等灾害情况下的风烟流扩散运移、诱导风流紊乱和风流调控机制;研发了通风参数,快速准确获取关键技术和风网实时解算方法;研发了灾变风流应急调控关键技术装备,开发了三维可视化的矿井通风智能辅助决策软件平台,形成了矿井灾变通风智能决策与应急控制关键技术与装备体系。

1)灾变风烟流演化机理与风流调控机制。研究了基于超算和自学习的矿井火灾场模拟快速算法,实现了火源区域燃烧、烟流流动特征的准确刻画;构建了火灾烟流温度和烟气含量演化模型,获得了矿井火灾时期风烟流演化规律。搭建了煤与瓦斯突出等效通风网络模拟实验平台,揭示了突出过程中压力、气体、煤粉在风网中的传播运移规律。基于PID目标控制算法,构建了防止矿井巷道火灾烟气逆流的局部控风模型;基于最短路径、最小影响的全风网灾害气体排出控风模型,建立了全矿井火灾烟流全风网控风模型。

2)矿井通风参数实时在线监测与风网高精度解算。基于超声波时差法研发了高精度风速传感器,优选了前端压力膜盒、设计了温度补偿电路,研发了高精度风压传感器,建立了矿井通风参数在线监测系统,实现了通风参数的快速准确测定;融合扰动识别、故障源诊断与阻变量反演算法,建立了非定常热湿通风网络的实时解算模型,形成了基于有限通风监测参数的全风网通风参数高精度实时解算方法。

3)灾变风烟流应急调控技术及装备。揭示了风井防爆门与主通风机协同防灾减灾机制,提出了快速复位的方法,研发了防爆井盖电磁自动快速锁扣构件,开发了高可靠性同步配重智能立井防爆门装备;研发了柔性防爆密闭装备和灾区动态感知及密闭控制系统,实现了灾区远程快速密闭;提出了备用动力源、交叉感知等集成化冗余方法,研发了新型灾区风烟流联动控制装备,解决了灾变环境下的自动控风排烟难题。

4)矿井智能通风与应急控制软件平台。研发了采掘地点需风量动态核算技术,发展了基于风门压差-风量复合特征的通风异常隐患快速诊断方法,提出了风量敏感度分析与灾变演化信息融合的控风策略自动生成算法,提出了灾情全息在线可视化VR融合技术,开发了风网实时解算及灾变智能决策一体化软件平台,实现了通风系统灾情快速研判、控风智能决策。

目前,已形成了成熟的矿井智能通风系统整体解决方案,承担了山东能源集团付村煤矿、转龙湾煤矿、徐矿集团张双楼煤矿,大屯煤电孔庄煤矿、淮河能源谢桥煤矿等十余座矿井智能通风系统建设。

2 矿井粉尘监测及防治技术

2.1 矿井粉尘精准监测技术

目前粉尘含量监测技术主要有滤膜称重法、振荡天平法、光散射法、静电感应法、光吸收法等。滤膜称重法准确度高,在国内外都被认定为职业卫生合规性检查手段,同时也常被用于标定其他的粉尘监测方法,但是需要长时间采样和实验室称重,导致测量结果具有滞后性。当前矿井普遍采用的光散射法和静电感应法能够在线实时监测,但测量结果受粉尘成分、粒径分布、温湿度等因素影响,准确度较差且传感器易受污染。

煤矿井下常用的直读式测尘仪是基于红外光吸收原理,该类仪器需要频繁更换滤膜,难以满足长时间连续监测的需求。对此,团队提出了一种磁带式自动更换滤膜系统,实现了高含量、宽量程范围内自动连续测定粉尘含量。为准确监测个体呼吸性粉尘含量,开发了基于锥形元件微量振荡天平原理的穿戴式个体呼吸性粉尘连续监测仪,通过精准测量振荡管振荡频率,得到粉尘质量浓度,具有准确度高、不受粉尘性质影响、实时监测的优点。针对粉尘在线精准检测,开发了基于光散射单粒子计数原理和粉尘分流稀释采样技术的总尘和呼尘同步监测仪,以及基于粒子群光散射原理、具有防污染光学结构和气路结构的超大量程在线式粉尘监测仪。在线式粉尘浓度传感器可接入煤矿安全监测监控系统,实现长期连续粉尘监测,同时基于气固两相流粉尘运移模拟和定点监测,建立了个体呼吸性粉尘日累积暴露和职业生涯累积暴露监测预警系统,实现粉尘暴露职业健康状况动态化监管与健康风险有效评估。

针对矿井粉尘成分监测,目前关注最多的是粉尘中游离二氧化硅含量的测定。现有的检测方法有焦磷酸法、红外分光光度法和X射线衍射法。这些方法均需要样品预处理和实验室分析,需进一步研究快速直读检测方法。团队提出了基于便携式傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱技术的二氧化硅检测方法,在降低检测限的同时,可实现现场快速分析粉尘成分。

2.2 矿用干式过滤除尘技术

我国煤矿巷道掘进量已超过12 000 km/a,居世界首位。巷道掘进机械化水平日益提高,导致作业产尘强度大、粉尘含量高,极易诱发尘肺病,严重威胁着作业人员身心健康,尤其是很多煤尘还具有爆炸危险性,威胁安全生产。为解决煤矿井下掘进粉尘污染问题,团队开发了矿用干式过滤除尘技术,具有零耗水作业、呼尘净化效率高、无二次污染等优点。主要创新技术包括:

1)滤料阻燃与滤径适配技术。研制了阻燃抗静电矿用复合滤料,提出了工程滤径计算模型,保障了煤矿井下易燃易爆环境下干式过滤除尘器的安全高效运行。

2)滤筒内置柱锥体强化清灰技术。针对滤筒清灰均匀性差的难题,研发了滤筒内置柱锥体强化脉冲清灰装置,借助柱锥体的阻碍碰撞作用强化清灰效果,显著提高了滤筒高度方向清灰均匀性。

3)成套装备便捷移动除尘工艺。研发了适应现场掘进工序的胶带机支撑式、单轨吊悬挂式、掘进机机载式、动力车车载式等多种现场便捷移动除尘工艺,解决了除尘装备与掘进工序匹配难的问题。

干式过滤除尘技术在大屯煤电、神华神东、淮南矿业集团、冀中能源、神华宁煤、阳煤集团、潞安集团等大型煤炭企业应用,现场总尘除尘效率均大于95%,与喷雾相比,除尘效率提高了30%～40%,解决了煤矿井下掘进工作面粉尘污染问题,保障了工人的职业健康,填补了国内矿用干式过滤除尘技术空白。

2.3 皮带运输自发电感应雾化降尘系统

带式输送机因其运输能力大、运输效率高等优势被广泛应用于煤矿井下运输,但带式输送机运输原煤及转载过程中会产生大量粉尘,其中90%以上为呼吸性粉尘,导致胶运大巷作业人员暴露在高含量粉尘环境中,增加了罹患尘肺病的概率。

皮带喷雾可以有效解决皮带运输扬尘问题,但掘进巷道长距离铺设电缆费时费力,还存在安全隐患;采用蓄电池方式供电需要定期更换蓄电池,若更换不及时将导致除尘防系统瘫痪。为此,基于永磁滚轮自发电原理,开发了体积小、损耗低、效率高的皮带运输滚轮永磁自发电技术,利用导线切割磁力线感应出电势,将皮带运输动能转化为12 V的稳定电能,供给除尘设备使用。

基于皮带运输永磁滚轮自发电技术、自感应雾化除尘技术,研制了皮带运输自发电感应雾化除尘系统,确定了系统间隔安装距离,并在红柳林煤矿胶运大巷示范应用,胶运大巷粉尘质量浓度控制在1 mg/m3以下。

3 井下CO主动控制与处置技术

针对煤矿、舱室、隧道等受限空间的火灾与爆炸灾害,首创CO毒害气体主动消除方法,研制了一种过渡金属氧化物消除剂,降低化学反应的活化能,基于催化氧化机理,实现CO快速氧化,从而在短时间内将灾害环境中的CO含量从致命高危险区间降至低危险区间,利于涉险人员在黄金逃生时间内顺利脱险。

该技术可以采取粉棚或储压悬挂式消除装置,通过冲击波自动触发释放,形成消除剂粉尘云带主动捕捉爆炸产生的CO,或采用内置消除剂粉体的便携式气载CO消除装备,人工在防火防烟分区内喷洒消除剂,方便涉险人员自救及消防人员救援。

采用该技术及自主研发的便携式气载CO消除装置,在国家矿山应急救援开滦队的全尺寸巷道中进行了火灾CO产物的消除实验,可以瞬间将独头巷道内的CO体积分数从0.17%降至0.034 5%。基于本技术的炮掘CO原位处置技术在安徽淮北青东煤矿、临涣煤矿、贵州毕节高山煤矿等地投入应用,最高能够消除80%的爆破CO产物,对防范和遏制煤矿井下爆破后CO超标起到了显著的效果。

针对井下防爆柴油机尾气污染物超标的问题,基于CO物理化学吸附与催化氧化的原理,制备出适用于防爆柴油机正常工况下的CO催化剂,设计开发出体积小、非电驱动的CO净化装置,可以有效净化防爆柴油机尾气,将颗粒物和有害气体的含量降至较安全的水平。在榆林凉水井煤矿以 WC20R 防爆柴油无轨胶轮车为改造车型,在防爆水箱前合适位置加装尾气净化箱体。实施该技术后,猛加油门工况下,2.0×10-3以上超限现象未出现,0.5×10-3以上超限次数由改造前的29次分别降低至8次与5次,下降率分别为72.4%与 82.8%。平稳运行及暗副斜井大爬坡工况下的CO消除率均达到68%以上,CO超限现象明显降低。

4 煤层瓦斯含量快速精准测定技术

煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。现有瓦斯含量测定方法需要井上和井下分阶段测量,井下使用量筒排水人工读数计量,推算损失瓦斯量的模型为经验模型,导致测定周期较长、测定效率较低、测定误差较大。

为此,团队提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定新方法,研发了CWH12型煤层瓦斯含量测定仪。该技术完全符合现行GB/T 23250—2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的规定要求,基于取样过程中损失瓦斯量的全过程反演补偿模型准确推算损失瓦斯量,误差小于5%;创新设计了井下煤样保压密封破碎系统,可在井下现场破碎煤样,进而测定残余瓦斯量;研制了瓦斯解吸量自动化计量系统,测定精度达到0.1 mL/min;开发了数据智能化采集处理系统,首次实现了煤层取样、自然瓦斯解吸、粉碎解吸瓦斯、损失瓦斯量、残余瓦斯量等过程全部在井下完成,井下现场实时生成测定报表,测定时间由原来的数小时缩短至30 min以内,成功解决了传统技术测定周期长、结果误差大、操作工艺复杂等一系列问题,提高了瓦斯含量测定的效率和准确性。

该设备总重约9 kg,便于技术人员携带入井,随时测试煤层瓦斯含量、残余瓦斯量,直接指导矿山安全生产及瓦斯防治方案制定、技术实施、效果检验,大大降低了工人劳动强度,提高了矿井的安全生产阈值,有利于政府、行业管理部门对矿井瓦斯参数的安全监管。目前,已成功应用于山西、陕西、贵州、黑龙江、辽宁、河南等地六十余座矿井。

5 水环真空泵节能高效抽采技术

我国煤矿瓦斯抽采普遍使用水环真空泵,全年有数万台在连续运行,年耗电量超百亿度,但其运行效率通常低于40%,其高耗能、低效率已成为亟待突破的工程难题。基于流体力学湍流减阻原理,团队研发了基于高分子工质的水环真空泵节能高效抽采技术,即将常规所用的水介质改性为具有黏弹特性的高分子溶液,通过调控泵内液环流场以大幅降低流动过程中的摩擦损失和湍流损耗,节能效果显著。

依托国家级泵类检测检验中心试验系统,搭建了特大型水环真空泵节能试验装置,包括:水环真空泵(额定功率800 kW)、热交换系统、气液分离器、进排气管路以及数据监控系统等。试验结果表明:研发的高分子工质具有高效稳定的节能性能,并对不同水质具有优良的适应性。以进气压力60 kPa为例,水环真空泵的轴功率由631 kW降至513 kW,抽气量由591 m3/min升至598 m3/min,比功耗由1.070降至0.857,节能率在15%以上,证明了该方法对矿用水环真空泵节能增效的推广适用性较强。

根据煤矿地面和井下水环真空泵站运行环境及抽采工况,开发了地面半封闭式水环泵节能抽采系统、地面全封闭式水环泵节能抽采系统和井下直注式水环泵节能抽采系统3种工艺模式,形成了由高效型高分子工质、全自动节能工质配补一体化装置、节能工质最优黏度控制装置等部分构成的关键技术体系,有效降低了抽采系统的能耗水平,并在潞安矿业集团古城矿、淮南矿业集团张集煤矿、韩城矿业公司象山煤矿等成功应用,节能率在15%以上,应用效果显著。

(以上内容来自第四届山西省煤炭学会特邀报告摘编)