高瓦斯礦井以風定產及其技術途徑

高瓦斯礦井以風定產及其技術途徑
遼寧工程技術大學
2003年11月5日
一、以風定產技術路線
1、以風定產的含義與要解決的問題
（1）含義：
礦井的開采強度越大，亦即產量越大，則礦井的絕對瓦斯湧出量越大，回風流中瓦斯的濃度就越高，為了把瓦斯濃度稀釋到《煤礦安全規程》允許的範圍內，礦井的配風量也就越大。然而礦井的供風能力是有限度的，它取決於礦井的主扇能力以及網絡係統（包括網絡的拓撲關係、風路風阻、風路斷麵、及用風點的分布及用風量的大小，等等），這就表明礦井的開采強度是有限度的，它取決於礦井的配風能力，這就是以風定產。

（2）以風定產要解決的問題
A.現有的礦井及工作麵通風係統、方式、方法、網絡及調節係統不變，工作麵的產量是多少？
B.維持工作麵產量不變，從通風的角度找出通風係統瓦斯濃度全線達標的方案。
C.從通風的角度解決不了瓦斯問題時，確定瓦斯的非風排量（包括抽放量、抽放位置、尾排量等等）。
2 以風定產應考慮的幾個因素
（1）工作麵瓦斯超限一般發生在工作麵回風隅角，所以不能根據工作麵回風流瓦斯含量確定工作麵通風係統、通風方式、方法及其配風量。
（2）要確定回風隅角的瓦斯濃度，必須對以工作麵為邊界條件之一的采空區瓦斯濃度分布彌散方程進行解算。
采空區氣體流動微分方程及其定解條件

笛卡爾坐標係中瓦斯濃度分布方程
彌散係數

通過適當的拓撲變換，上述方程能夠模擬：回采工作麵推進速度、回采工作麵長度、采煤高度、采空區形狀、工作麵配風量、落煤瓦斯湧出量、采空區瓦斯湧出量、采空區煤壁瓦斯湧出量、瓦斯抽放方法、鑽孔位置、抽放量等一係列參數變化下的采空區瓦斯濃度分布。

（3）風機能力與網絡可調節性和配風能力是兩回事
A.高瓦斯礦井產量僅在一定範圍內與風機能力呈正相關。
B.風機能力受限於網絡通風能力，即受限於網絡最大流。
C.許多礦井存在著“有風，但是配不上去”的問題。
上述問題歸結為網絡優化調節問題，即調節位置和調節量的問題。
（4）要考慮工作麵風流穩定性與可靠性
3 高瓦斯礦井以風定產的技術路線
3.1 確定礦井需風量
（1）確定掘進工作麵的瓦斯湧出量及其所需風量。
（2）確定回采工作麵的瓦斯總湧出量。
（3）確定回采工作麵落煤瓦斯湧出量和采空區瓦斯湧出量的比例。
（4）以回采工作麵落煤瓦斯湧出量為基準，確定工作麵配風量Qlm。

（5）以Qlm為邊界條件，確定工作麵回風隅角瓦斯濃度，並以工作麵回風隅角瓦斯濃度不超過《煤礦安全規程》規定為標準，通過采空區滲流和彌散方程的解算，反求工作麵實際應配風量。
工作麵通風係統（即風巷布置係統，例如：一進二回，多進多回，Y型，W型，有無尾巷，有無抽放係統等等）不一樣，解算滲流和彌散方程的邊界條件就不一樣。所以說，利用該方法確定的工作麵配風量，同時包含著工作麵的通風方式的選擇，以及瓦斯抽放方式、方法和抽放量的選擇。
（6）確定其它用風點的風量。
（7）將上述個用風量累加獲得礦井總用風量.

3.2 確定礦井的總阻力
3.3 確定礦井最大通風能力
（1）通過測試扇風機的特性曲線，確定扇風機的最大通風能力。
（2）確定通風網絡的最大輸送風能力，也就是網絡的最大流問題。
（3）扇風機最大通風能力與網絡最大輸送風能力的最小值為礦井最大通風能力。

3.4 將主扇提供的風流分配到指定需風地點
由於生產礦井一般都采用增阻法進行調風，這裏不僅存在一個優化調節問題，而且當通風係統比較龐大時，人工很難找到合理的調節位置和調節量。《礦井通風仿真係統MVSS》能夠確定指定需風方案下的最有調節位置和調節量。

3.5 分析通風係統的穩定性和可靠性
分析工作麵是否處於角聯風路上，如果是要分析工作麵角聯結構的穩定性及其影響穩定性的構築物和風路。
4 技術手段
由遼寧工程技術大學研製完成的《礦井通風仿真係統MVSS》以及《采空區自然發火仿真係統》（包括模擬采空區的漏風分布、風速分布、瓦斯濃度分布、氧氣濃度分布、穩定分布）能夠完成上述內容。
《礦井通風仿真係統》的主要功能
(1) 模擬新井巷開掘貫通和舊井巷報廢後的通風狀況；
(2) 模擬構築物的位置及調節量；
(3) 模擬井巷斷麵大小、形狀、支護方式、局部堵塞等變化；
(4) 模擬地麵主扇及其工況、模擬井下機站的位置及其工況；
(5) 確定礦井通風網絡的最優化調節；
(6) 風網特征圖自動繪製、角聯風路自動識別與分析、通風網路的極值流、網絡自動簡化等等；

(7) 通風係統穩定性、可靠性、安全性綜合評價等一係列功能。
如果礦井具有監測係統，並有數據通信協議，《礦井通風仿真係統》可以與礦井監測係統聯網。
推廣《礦井通風仿真係統》及以風定產所需的物質、技術條件
（1）對現場工程師隻需要熟悉通風係統，不需要具有專門的通風網絡知識。對仿真係統的操作就是日常對通風係統的管理。
（2）需要的礦井提供的數據：
A.快速簡單分析
礦井風機風量、風壓；主要巷道的風量、阻力；簡單的通風網絡
B.中等複雜分析
扇風機風量、風壓；重點分析網絡的風量和部分阻力。

對於簡單分析和中等複雜分析，主要利用仿真係統的自我調節和自適應功能（湊數功能），自動確定仿真所需的通風參數。
C.詳細精確分析
通風係統普查；采掘工程平麵圖（通風係統圖）；測試扇風機性能曲線；測試全部巷道的風量值；最大阻力路線阻力測試；主要巷道的阻力測試；主要構築物的壓差測試。
大規模軟件運行時間：1.0版小於5分鍾；2.0版（20小時左右）；3.0版小於5分鍾（2004年3月推出3.0版）

仿真係統主要操作特點
1、將巷道畫在屏幕上就可以，不需要進行相關的網絡解算處理。

雙擊巷道、節點、構築物、風機
雙擊風機
鼠標右鍵
優化調節
無參數仿真
平衡圖

《采空區自然發火仿真係統》功能簡介
（1）模擬采空區內部壓力分布；
（2）模擬采空區內部風速分布；
（3）模擬采空區內部氧氣濃度分布；
（4）模擬采空區內部瓦斯濃度分布；
（5）模擬采空區內部CO、CO2等自然發火標誌氣體濃度分布；
（6）模擬采空區內部煤炭氧化放熱形成的溫度分布場；
（7）模擬采空區注N2位置及注N2量的防滅火效果；

（8）模擬采空區瓦斯抽風量及抽放位置；
（9）模擬采空區注漿位置及注漿量；
（10）模擬降低煤的活化能的防滅火效果；
（11）模擬采空區采用均壓方法及調整通風參數的防滅火效果；
（12）模擬密閉的漏風量及其防滅火效果；
（13）模擬工作麵推進速度、配風量及回采巷道布置方式的防滅火效果；
（l4）模擬火災時期自然發火位置和滅火手段的滅火效果。
神東大柳塔08采麵
神東大柳塔08采麵注氮
神東大柳塔08采麵防滅火模擬結論
（1）08工作麵采空區層麵漏風是影響采空區風流變化和氧氣濃度分布變化的主要因素。采空區層麵漏風導致采空區漏風嚴重，氧氣濃度分布範圍很大，采空區自然發火危險增大。
（2）在供風量2172m3/min的情況下，自燃氧化帶寬度在300m，最低的推進度要求在12m/d以上。在工作麵保證推進度500m/月的情況下，則任意一次推進300m範圍內，累計允許的生產停頓時間不應超過7天，否則，將有可能產生采空區自然發火。

（3）采空區內部漏風改變了采空區風流運動，自燃氧化帶形狀隨之發生很大改變，今後實際生產應嚴格控製聯絡巷密閉的漏風。
（4）下分層開采時，為預防采空區自然發火，應建立地麵注氮係統，對采空區實施不間斷注氮氣。每隔240m在進風側邊界處打注氮鑽孔，注氮位置在距離工作麵120m開始進行，注氮流量采用變流量控製，隨著遠離工作麵，由30m3/min逐漸降到0m3/min。