煤矿掘进通风安全技术及装备系列化(5).doc
第五章 煤矿掘进通风安全技术及装备系列化 根据近年来统计,瓦斯煤尘爆炸事故发生在掘进过程中占总数的80以上。掘进工作面容易发生爆炸的原因,一方面是采用局部通风,风机的停电、停风、风筒的破损折断、工作面风量不足、巷道中风速偏低以及煤层刚揭露等原因造成瓦斯积聚,另一方面是放炮、掘进机械和电器设备的违章作业,则产生火源。据统计,掘进巷道发生瓦斯爆炸的事故,局部通风机突然停止运转占44,风筒破损通风不良占25,而从引火源统计,放炮占46,机电失爆占17,带电作业占18。这就说明预防和杜绝掘进过程中的瓦斯爆炸事故,应该从加强通风和改善安全装备着手,研究安全、可靠有效的通风技术,建立安全保障系统,杜绝瓦斯积聚和引爆源,对减少爆炸事故和保证矿井安全生产均有重大意义。 第一节 掘进通风安全技术 一、掘进通风方式 煤矿的掘进通风方式有三种,即抽出式、压入式和混合式。 压入式通风的局部通风机是设在新鲜风流中,污风不通过局部通风机,安全;有效射程远,工作面风速大,工作面迎头区排烟效果好;可使用柔性风筒,使用方便。但污风沿巷道排出,井巷内劳动条件差,当风量一定时,掘进巷道越长,污风在巷道内流动时间越久,要缩短通风时间,就必须增大风量。 抽出式通风,新鲜风流沿巷道进入工作面,整个井巷空气清新。劳动环境好。但污风通过风机,若风机防爆性能差,则抽出爆炸性气体时不安全;有效吸程小,工作面排烟排尘效果不好,不能使用柔性风筒。 混合式通风兼有压入式通风及抽出式通风的优点,所以被人们认为是掘进通风中较好的一种通风方式。 由于压入式通风安全可靠性较好,故在煤矿中得到广泛应用。 鉴于混合式通风除尘技术对减轻炮烟污染,根治粉尘危害,改善井下掘进作业条件,保证工人身体健康具有明显效果,所以近几年来徐州、双鸭山、淮南、平顶山、大同等矿务局陆续采用SCF系列除尘风机及JTC-1型掘进除尘器、MAD-II型风流净化器等,除尘效率高达85~96,特别是瓦斯煤尘比较大的综掘工作面,采用抽压混合式通风除尘技术,粉尘浓度由700~2000mg/m3大幅度地降至20~30mg/m3,成为一种很有发展前途的掘进通风方式。 二.压抽混合式通风除尘系统 压抽混合式通风除尘技术是在压抽混合式通风的基础上,配套使用除尘风机、除尘器及集尘器等而发展起来的。采用压抽混合式通风除尘技术,能有效地抑制粉尘浓度,减少煤尘爆炸几率和减轻工人患尘肺病的程度。 (一)压抽混合式通风除尘系统的布置 1. 长压长抽式 压入和抽出风机分别安设在掘进巷道的入风侧和回风侧,沿巷道的全长布置两趟风筒。抽出风筒采用带骨架的伸缩风筒,风筒末端距工作面距离,压入式小于风流有效射程,抽出式小于负压吸程。 2. 长抽短压式 抽出风筒从位于回风道内的除尘风机开始并接至工作面,工作面风量由除尘风机来满足,小功率压入风机只作为辅助通风设备安装于掘进巷道内距工作面吸出风筒口30~50m的位置,压入风筒口超过吸出风筒口。压入风流只起吹散稀释顶板瓦斯、工作面瓦斯,提高工作面风速,加速粉尘炮烟排出的作用。根据试验,当抽出风筒口距工作面15~20m,压入式风筒口距工作面6~10m,抽压风量比为31~51时,可以得到较理想的除尘效果,除尘率达70~95,该种方法适用于低瓦斯矿井,工作面瓦斯较小,粉尘危害比较严重的作业地点。采用该种方法,必须安装瓦斯风电闭锁装置,严格控制并避免压入风机发生循环风。 3. 长压短抽式 压入风机设于新鲜风流中,压入风筒沿巷道全长布置,抽出风筒与除尘风机定期随工作面延伸,抽出风筒一般长50~60m,压入风筒末端距工作面10~15m。抽出风筒口超前压入风筒口,距工作面3~5m。压抽风量比为2.51~51.5,该种布置方式,工作面风量由压入风机提供,抽出风机和吸出风流起着排除粉尘的作用。适用于高瓦斯矿井,瓦斯涌出量较大的掘进工作面。 以上三种布置方式,以断面8~12m2,掘进长度为600~1200m为例计算。当采用长压长抽式时,需资金5.3~10.5万元。采用长抽短压式时,需资金4.6~9.15万元。采用长压短抽式时,需资金2.3~3.1万元。 从以上分析中可以看出长压短抽式在经济上、安全上及适用条件上都比较优越,是煤矿煤巷及半煤岩巷掘进中推广普及的发展方向。 (二)压抽混合式通风除尘系统技术参数确定 1. 工作面及除尘器风量的确定 工作面风量是指主压风机或主抽风机使风流达到工作面的有效风量。由于矿井瓦斯等级不同,配风时考虑的重点也不同。高瓦斯矿井以稀释瓦斯为主;低瓦斯矿井以良好的气象条件和有利于排除炮烟粉尘为主,故可根据不同的要求计算。 除尘器风量的确定是以保证系统内不发生循环风和满足除尘需要为前提。对长压长抽式,如果为了清除炮烟和粉尘的危害,使放炮操作位于新风流中的某种需要,除尘风机或除尘器的主抽风量必须大于工作面需要风量的30,如果为了加速工作面的瓦斯排除,同时又要较好的抽出工作面的粉尘,可使抽出风量小于工作面需风量的60~30,此时压入风量必须保证工作面用风需要。对长抽短压式,如抽出风量略小于或等于压入风量时,工作面将发生乏风循环,这是非常危险的,在瓦斯矿井也是绝对禁止的。如抽出风量虽超过压入分量,但超过的风量在两风筒皆在的巷道区段所产生的巷道风速低于0.25m/s时,也可能形成瓦斯积聚,也应予以防止。对于长压短抽式,除尘风机或除尘器的吸风量必须小于压入风量,抽出风量以能够满足迅速地排除炮烟和粉尘的需要为主。 2. 巷道内的风速 混合式与单独压入式和抽出式不同,在工作面附近出现一个抽压混合作用区域。 该区域风流状态比较复杂,无论哪种方式,在工作面附近区域,空气分子总要受到吸入风流的正压作用,现场实测,该区域风速比单一压入或抽出时的风速均大。这说明对于两风筒口呈前压后抽式的,两风筒口之间距离必须大于吸入风流对工作面的作用长度,这样才更有利于压入风流对工作面的射流,也有益于吹散排除工作面炮烟和粉尘。一般情况下两风筒口间距要大于5m,小于0m左右。对于压入风筒在后,抽出风筒在前,两风筒口的距离保持8 ~10m为宜,同时使抽出风筒口紧接工作面,这样抽出风筒口位于压入风流射流作用的范围之内,使吸入风流受到两个力的作用,有利于提高工作面风速,又有益于扩大吸入风量的作用范围,大大缩小工作面污染空间,充分发挥出混合式通风的技术优势。 第二节 掘进通风安全装备 一.旋流风筒 在煤巷掘进过程中,由于局部瓦斯积聚而引起的瓦斯爆炸事故,在煤矿瓦斯爆炸中占有一定的比例。造成这些局部地区瓦斯积聚的原因是局部地区由于特殊地质构造形成的集中瓦斯赋存带,巷道在贯穿这些地区后,形成一个集中瓦斯涌出带,向巷道中涌出瓦斯,并有大量的补给源;局部巷道高冒区及巷道两侧片邦后,未能及时加以充填,这些地方形成微风或无风区,所以容易积聚瓦斯。这些积聚的瓦斯人们往往注意不到,也就容易被人们忽视,所以一旦遇有火源或高温点容易发生瓦斯爆炸。当采用旋流风筒处理局部瓦斯积聚,能有效地防止瓦斯爆炸事故。 旋流风筒是利用康达效应(或称附壁效应)而研制的一种刚性风筒,其作用原理是在普通刚性风筒的一侧沿纵向开一沟槽,筒子外面罩一个与风筒同心的外套,套子与风筒之间留有一个切向排出口。风筒的轴向有一控制阀,当轴向阀关闭风筒时,风从风筒的沟槽流出进入风筒与外套的间隙中,沿间隙流动经排出口后沿切线射出。 从旋流风筒排出的高速旋流,在巷道中沿巷道周边形成最大切向速度,从巷道的一邦,经巷道的顶板,流向另一邦。这种高速旋流具有彻底的冲刷作用。沿巷道周边的高速附壁射流,能产生较强的冲刷作用,它可以将巷道被板后面的孔穴空间里的瓦斯带出来与巷道中的主风流混合,从而达到消除局部瓦斯积聚的目的。 旋流风筒稀释积聚瓦斯的现场试验表明,旋流风筒对改变其所在巷道断面风流的分布起到了良好的作用。它所形成的旋流可冲击破坏靠近顶板附近原来的瓦斯层状赋存状态,同时高速旋流对巷道背板后面有着较强的冲刷作用,它可将原来含1以上浓度瓦斯的有害气体稀释到0.1左右。巷道顶板附近及侧邦处瓦斯浓度明显低于巷道中间,表明旋流风筒所形成的高速旋流冲刷顶板及侧邦后,能够携带瓦斯回到巷道中间部分并与主风流相混合,进而排出巷外。 二.瓦斯排放稀释筒 为了安全地排放瓦斯,做到人为控制排放瓦斯,使之在和全压风流混合处得瓦斯浓度不超限,在实施过程中可采用瓦斯排放稀释筒。 瓦斯排放稀释筒有以下几种形式 (一)方形瓦斯排放稀释筒 方形瓦斯排放稀释筒,其中间段的上部开一个长方形的开口,通过方形阀门的上下使其关闭或打开。过渡段是为减少局部阻力而设计的,平直段用来联接两侧的胶皮风筒。正常通风时,阀门将开口关闭,需要排放瓦斯时,阀门下落,堵住通往风筒的通路,使风流从长方形开口处短路进入巷道,根据需要逐渐将阀门上提到不同位置,即可调整进入掘进头的风量,以达到调风控制瓦斯浓度的目的。 (二) 三通式瓦斯排放稀释筒 三通式瓦斯排放稀释筒,它是利用一个刚性三通风筒加上一套阀及控制手把组成。正常通风时,利用卸流阀关闭放空筒,轴向阀置于开启位置(阀所在平面与主风筒轴线平行),使局部风机风量通过主风筒进入掘进头。排放瓦斯时,打开卸流阀,通过轴向阀及卸流阀控制进入掘进头的风量。 (三) 圆筒形瓦斯排放稀释筒 圆筒形瓦斯排放稀释筒的一端通过法兰盘直接与局部通风机联接,另一端接风筒。正常通风时,内置门置于水平,滑动插板严;需要排放瓦斯时,完全打开滑动插板,内置门置于垂直位置,同时调节内阀门及滑动插板,即可调节进入风筒的风量,达到调风控制瓦斯的目的。 在上述的三种瓦斯排放稀释筒中,方形瓦斯排放稀释筒加工容易,尤其是方形阀门,关闭时为正常通风阻力,打开时完全切断通向风筒的通路,而且调风容易;因它是由几段组成,相对来说体积较大。 三通式和圆筒形瓦斯排放稀释筒体积小,阀门漏风小,但加工较方形瓦斯排放稀释筒要困难,成本也较高。从目前控制手段来说,三通式瓦斯排放稀释筒的控制较容易,而且定位好;在调风方面,它可以轴向阀、卸流阀单独动作,也可以联合动作,从而适合不同情况下调风要求。尤其这种瓦斯排放稀释筒的密封效果好,漏风小,易于被现场采纳。 试验结果表明,瓦斯排放稀释筒在排放瓦斯过程中,是完全可以起到控制风量进而控制回风流中瓦斯浓度的作用的,它可以使排放瓦斯工作得以顺利进行,安全可靠,一旦掘进工作面因故停风,即可以将瓦斯排放稀释筒的卸流阀打开,轴向阀关闭,从而防止因误开风机使得高浓度瓦斯流入回风道而造成的危险,使安全有了保障。比较以往其它排放方法,应用瓦斯排放稀释筒排出的瓦斯浓度比较平衡。还可以起到定量控制的作用。 三.除尘风机 我国由恩加特风机公司引进技术,镇江煤矿专用设备厂生产的SCF6型湿式除尘风机,除尘效率可达90以上,经部分矿井的实际应用,证明其具有较好的除尘效果。根据国内外资料介绍,除尘风机是配合掘进机组掘进巷道工艺中较好的除尘设备和方法。但目前由于除尘风机本身体积较大、笨重、移动不方便,同时受到巷道断面及通风方式的限制,加之伸缩成本高、投资大等因素的影响,使其在我国煤矿使用率很低。据初步统计,我国煤矿现有除尘风机373台,使用过33台,使用率仅达8.8。 除尘风机采用调节板控制风量,过滤材料为网目规格1010mm的铁筛网,含尘风流由风筒流入,经调节板后由喷嘴喷雾湿润,经过筛网、叶片,然后分流绕过电机,由过滤器进行滤尘,再经脱水器脱水后排出风机。 除尘风机与系统布置采用长压短抽、前抽后压布置方式,抽出式风筒吸风口距工作面迎头2~3m,因此,吸入口粉尘浓度较高,达到150mg/m3;而压入式风筒出风口在机组司机附近,这样司机附近获得新鲜风流,从而对稀释该处粉尘起到了良好作用。若调整压入式风筒出口的位置,效果会更好些。由于除尘风机到抽出式风筒吸入口这段巷道有循环风,将这段巷道的粉尘吸到工作面迎头附近,起到了风障的作用,使机组操作人员工作地点附近粉尘浓度大大降低,所以这种布置方式对工作面迎头附近的粉尘起到了良好的控制作用。 除尘风机目前在我国煤矿难以推广的重要因素就是体积大、笨重。因此,对现有除尘风机进行适当改造,将会大大提高其使用率。可将除尘风机的供水系统和府托架卸掉,供水系统用井下静压水代替,同时另作滑撬将除尘风机架在掘进机组后面的可伸缩皮带架上随皮带机向前移动,不仅减少了风机的体积和重量,而且也大大减少了风机移动的繁重体力劳动。 在除尘风机使用过程中,为了保证其除尘效果,对过滤器应定期进行清洗,一般每周清洗两次为宜。 掘进通风安全装备除上面介绍外还有以下几种装置① 掘进机水力喷雾引射器;② 放炮联动水幕装置;③ 电力压气联动风机;④ 快速断电开关;⑤ 煤巷瓦斯抽放小型化钻机。 第三节 掘进通风技术的安全措施 一、掘进通风安全技术措施 近年来随着采掘机械化的发展,掘进速度加快,煤壁暴露面及瓦斯泄放速度也迅速增长,致使掘进面的瓦斯涌出量高达3~15m3/min。掘进面稀释瓦斯的主要措施就是依靠局部通风机通风,长期以来局部通风机通风由于种种原因经常停风,造成瓦斯积聚,这就是掘进面瓦斯事故多的根本原因之一。 我国“七五”期间,煤炭部拨专款对全国统配煤矿的2000个煤巷掘进工作面实施了“掘进安全技术系列化装备”,配齐了“三专两闭锁”、水炮泥、喷雾洒水和机电设备失爆检验等综合治理措施,获得了显著的效果。 一、“双局扇、双电源”措施 双局扇、双电源供风供电系统,是指在每个高瓦斯掘进工作面安设两台局部通风机,一台工作,一台备用,两台可互为备用。电源来自两个动力变压器,一路来自井下中央变电所,一路来自其它采区变电所。两路电源设有总开关,但不设电源联络开关。另一种为两台局部通风机,一台为常用风机,另一台为备用风机,电源和采掘工作面动力变压器一起供给,并增设了分段联络开关,专用电源线不得向采掘工作面其它动力设备供电。当常用局部风机因故停机,备用局部通风机自动向掘进工作面供风,待常用局部风机故障排除后再转换由常用局部风机供风。 配套设施有① 软质风筒自动导风三通。② 电控自动切换装置等。 二、局部通风机风电闭锁装置 局部通风机风电闭锁装置能够做到掘进工作面先送风后送电,停风后立即断电,在停风后瓦斯聚集时杜绝电火花,通过吹散瓦斯使其达到规程允许浓度之后才能送电,是避免瓦斯爆炸事故的一种重要工具。 二、掘进通风安全技术措施保护装置的完善 1、关于三专两闭锁的功能 煤矿安全规程要求在高、突矿井的掘进工作面实施“三专两闭锁”,“三专”专用变压器、专用开关、专用线路。“两闭锁”即风电、瓦斯电闭锁。目前在“两闭锁”上存在的问题较多,有的高、突矿井掘进工作面只实现一闭锁,闭锁功能不全,为事故发生埋下了隐患。 一闭锁即风电闭锁,目前相当数量的矿井,实现局部通风机控制开关与供风巷道电气设备供电开关之间的开关联动闭锁。开关联动闭锁,只能说是构成了风电闭锁全部内容的必不可少的一个组成部分,而只有这一部分尚不能真正达到全部风电闭锁的目的,因为局部通风机必须借助风筒才能把风送到工作面,又因为井下环境和条件总是千变万化的,随时都可能因为风筒通过的巷道中任何一点由于片帮、冒顶、矿车冲撞、行人和运料而使风筒严重破损甚至断开,在这种情况下,尽管局部通风机正常运转,但风筒断开点以内的巷道已经停风,而停风区电气设备因开关联动闭锁装置不动作而不可能立即断电,也就是说目前的风电闭锁装置,只有在风机停止运转时,工作面才能断电,风机不停时即使工作面无风也不能断电。这就说明了目前的风电闭锁装置的功能是不完善的。为了完善风电闭锁的功能,应研制一种风速传感元件与原风电联动开关闭锁装置联系起来,当风机正常运转而工作面风量低(或无风),工作面也能断电,这就完全达到了规程关于风电闭锁的要求。 另一方面对掘进工作面有风而瓦斯增大的情况下,只实施一闭锁即风电闭锁,则掘进工作面的电源仍然照常有电,不能达到瓦斯增大不停风自动切断掘进工作面电源的目的,而且掘进工作面的瓦斯增大受到地质的变化、断面的大小、巷道长度、供风质量等各方面因素的影响,每一环节的变化都能影响掘进工作面的瓦斯变化,而变化的瓦斯量是风电闭锁无法监测的。因此只实施风电闭锁是不能保证掘进工作面的安全。必须实施两闭锁即风电、瓦斯电闭锁。 2、关于断电仪的功能问题 1)主机的延时装置问题 目前矿井的两闭锁系统是将瓦斯断电仪和具有断电功能的瓦斯遥测仪与风电闭锁联动装置联系在一起,内部连线稍加改动,就可实现局部通风机的两闭锁。但断电仪的主机本身不具有延时机构,结果也会引起事故。 国产断电仪探头的载体催化件需30秒左右的反应时间,因此在诸如因采区变电所开关跳闸、切断局部风机、断电仪电源后重新送电时,在探头内元件尚未反应的一段时间内闭锁系统不起闭锁作用。即使迎头瓦斯浓度超限,局部通风机可以照样起动,掘进巷道中电气设备亦随之可以送电,所以局部通风机临时停转重新送电时,在探头的元件反应之前存在一段闭锁系统不能闭锁的空白时间,事故也多发生在此一段时间内。因此有必要改进现有的断电仪,增设延时装置。但是有一点必须注意,就是隔爆型的探头,不管增设与否,必须接在被控开关的负载侧。那是因为探头电缆被意外砸坏时,有引起瓦斯爆炸的可能,故电源应取自被控开关的负载侧。 2)探头的检测浓度问题 目前国产断电仪探头内元件的检测范围为0-4%,瓦斯浓度超限,切断掘进巷道中全部电源后,断电仪继续监测,若瓦斯浓度超过4%,元件长时间工作在高浓度瓦斯状态下,元件很难有较长的寿命,寿命终了之前,元件活性肯定大大下降,如不及时调整,会给间歇测量带来误差。元件烧毁之后,失去检测作用,闭锁系统闭锁功能亦随之丧失。而且瓦斯浓度超过4%,由于元件和仪器本身限制,检测出具体数值偏小,再继续检测,已没有什么意义反而会烧毁元件,所以应采用高、低浓度双元件。当浓度超过3%时由低浓度元件自动转换为高浓度元件检测。 现场实施掘进工作面局部通风机“三专两闭锁”以来,已显示出“三专两闭锁”措施在安全上的重要作用,受到了现场的好评,但是作为两闭锁装置的断电仪,其本身的功能还不完善,存在着安全隐患,因此应研究设计新型装置。新型装置应是一个整体,具有2-3个探头、风机开/停检测、风筒风量检测和多个输出,并具有如下闭锁功能 ① 瓦斯浓度超过1.5%,切断相应区域动力电,并闭锁。 ② 风筒中无风或风量低于预定值,切断供风区域的动力电并闭锁。 ③ 局部通风机断电,切断供风区域动力电,并闭锁,同时闭锁风机。 ④ 探头接通电源,未达到稳定输出的一分钟内,闭锁相应区域动力电和风机,即保持动力电和风机工作状态不变。 ⑤新型装置发生故障时,如探头损坏、断线、断电、主机损坏或断电等,均应切断相应区域动力电并闭锁,同时能保持风机工作状态不变。 新装置系统应具有通风正常情况下自动解锁与人工解锁的功能。可由人工解除对供电和风机的闭锁,要求使用专用工具才能进行解锁的操作。 本章小结 综上所述,得出如下几点认识 (1) 我国煤及半煤岩巷的掘进通风今后仍将是以压入式通风方式为主,混合式中的长压短轴式将会进一步得到发展。 (2) 提高通风能力的途径在于最大限度地减少风筒的漏风和降低风筒阻力。强化通风能力在于研制大功率风机。 (3) 三专两闭锁装置是机电方面防止瓦斯事故的有效措施,应用以来起到了一定的作用,但也存在一定的问题,应进一步改进与提高。 (4) 瓦斯排放稀释筒在排放瓦斯上比其它方法更安全,能有效控制风量与定量排放瓦斯,应向自动控制方向发展。 (5) 旋流风筒在处理局部瓦斯积聚上比其它措施更有效。 (6) 掘进通风的安全工作是多种技术工作与管理工作的综合,只要各方面有关技术通力合作,形成掘进通风的安全保障系统将会大大改善我国掘进通风的安全情况。 多年来,我国煤矿经过不断探索、实践和完善,在国有重点煤矿的高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井中的煤巷与半煤岩巷实现了掘进通风安全技术装备系列化。这项新技术把国内一批行之有效的单项科研成果配套成龙、形成系列标准,集中装备在一个掘进工作面使用,总体推进,综合治理,多环节设卡,处处把关,严密管理,从根本上杜绝了形成瓦斯煤尘爆炸的条件。它的实施为我国煤矿安全情况的根本好转作出了贡献,在防范事故发生方面已达到国际水平。 6