煤与瓦斯突出防逆风装置的研制及应用

煤与瓦斯突出防逆风装置的研制及应用摘要：为了控制突出能量，防止逆风和控制突出瓦斯的扩散范围，根据突出的特征，应用热力学和材料力学理论，设计了应用于煤巷掘进的防逆风装置。在现场的应用表明，防逆风装置结合防突栅栏等安全防护设施，可降低突出的煤量，控制突出瓦斯缓慢释放，防止逆风现象的发生。关键词：煤与瓦斯突出；逆风；控制；灾变1.前言煤矿作为一个整体的系统，瓦斯灾害是影响其稳定性的主要原因，其中尤以煤与瓦斯突出灾害最为严重。煤与瓦斯突出是在地应力、包含在煤中的瓦斯及煤结构力学性质综合作用下产生的动力现象，煤与瓦斯突出会带来很大的灾害，造成重大安全事故，严重影响矿井正常安全生产。由于煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，迄今为止对各种地质、开采条件下突出的规律还未完全掌握，尚难完全避免煤与瓦斯突出的发生。在众多的煤与瓦斯突出事故中，尤以发生在掘进巷道的次数最多，加强掘进巷道安全防护是煤矿安全生产工作的关键。煤与瓦斯突出灾害的发生，不仅仅在于突出瞬间释放的巨大能量，而且还有突出后煤与瓦斯的运动所带来的进一步的影响。根据统计，2000~2007年，全国煤矿重大瓦斯爆炸事故有66.7%发生在低瓦斯区域，而发生特别重大瓦斯爆炸事故的比例则高达92.3%，瓦斯的异常涌出使得本来的低瓦斯区域转变为高瓦斯区域，这一动态转化导致瓦斯灾变的发生。因煤与瓦斯突出造成的矿井灾害实例，更能充分地显示其中的危害面之广。辽宁“8.14”红菱瓦斯突出矿难，突出瓦斯6万立方，煤量1000余吨，死亡5人。2004年10月20日，河南郑州大平矿难死148人。2005年6月8日湖南省冷水江市资江矿业有限公司矿难，死亡22人。这几起事故，教训是深刻的，损失是巨大的，都是由于灾害事故扩大、通风系统紊乱造成的，其中逆风是灾害范围进一步扩大的直接原因。据资料，2004年河南“10.20”瓦斯爆炸事故的发生，是该矿在21岩石下山掘进工作面于22时09分发生延期性特大型煤与瓦斯突出后。瓦斯逆流进入西大巷进风流中，造成西大巷与11轨道石门交汇处的瓦斯浓度达到爆炸界限。22时40分，由于井下架线电机车取电弓与架线产生的电火花引起特大瓦斯爆炸事故。造成148名矿工死亡，35人受伤。2005年6月8日湖南省冷水江市发生的突出事故，是该矿-200水平四石门放炮诱导的煤与瓦斯突出，其后大量煤与瓦斯逆流进入矿井总进风巷，导致井下大范围内的作业人员处于高浓度瓦斯之中窒息死亡或者受伤……因煤与瓦斯突出造成的矿井灾害实例，更能充分地显示其中的危害面之广，矿难事故教训是深刻的，损失是巨大的，都是由于灾害事故扩大、通风系统紊乱造成的，其中逆风是灾害范围进一步扩大的直接原因。2.煤与瓦斯突出危险源辨识系统安全认为，系统中存在的危险源是事故发生的原因，不同的危险源可能有不同的危险性，危险源意外释放的能量是事故发生的根本原因，而对能量控制的失效是事故发生的直接原因。大量对煤与瓦斯突出机理的研究认为，突出是地应力、瓦斯和煤体力学结构综合作用下的复杂的动力现象。在突出的发动阶段，一旦外力作用打破煤体内部的平衡，岩石和煤的弹性潜能迅速释放，当这一能量足够大时，即可破坏煤体发生突出；在突出的发展过程中，释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使煤体破碎，并由瓦斯流把碎煤抛出，高压瓦斯携带破碎的煤体向采掘空间运移，催毁井巷工程、扰乱通风系统，甚至发生瓦斯积聚引起人员窒息、瓦斯爆炸的深度灾害；只有突出能量消耗殆尽或不足以继续搬运煤岩时，突出才会进入结束和停止。通过对煤与瓦斯突出的全过程和特征的分析可以看出，突出灾害的发生，不仅仅在于突出瞬间释放的巨大能量，而且还有突出后煤与瓦斯的运动所带来的进一步的影响。在诸如瓦斯爆炸、逆风窒息等瓦斯灾害事故中，往往在远离事故地点的区域内也有发生，其根本原因正是由于突出能量携带高浓度的瓦斯运移所致。瓦斯灾变事故的发生和扩大，往往是由于安全防护体系不健全，矿井通风系统紊乱产生的后果，其根本原因还是在于无法防止煤与瓦斯突出的发生。在煤与瓦斯突出的过程中，威胁矿井生产系统和人员安全的根源无疑就是强大的突出瓦斯流和破碎煤体的能量，控制突出后灾害事故的进一步扩大，其根本应在于对其进行有效的控制。目前，大多数突出矿井对于突出的防护设施薄弱，即使初步构建的防突风门等设施在突出过程中仍然具有多方面的不可靠性。在系统安全研究中，不可靠被认为是不安全的原因[1]，瓦斯突出灾害因素多样，以煤与瓦斯突出机理研究为基础，研究综合性的煤与瓦斯突出防护技术，形成瓦斯灾害的逐级控制，对保障安全生产有着重要的意义。3.煤与瓦斯突出安全防护装置的研制煤与瓦斯突出安全防护即以煤与瓦斯突出机理及瓦斯灾变运移规律为基础，研究综合性的掘进巷道综合防护体系，有效控制和降低煤与瓦斯突出发生后，灾害能量对矿井生产设施的破坏，保障安全生产。针对灾变后瓦斯的流动与运移，以降低突出能量为目的，研制防突栅栏、防逆风装置及其相关技术，与防突风门、进风侧灾变控制技术等形成综合的安全防护体系。3.1防突栅栏防突栅栏是一种安设在掘进巷道内的密闭装置，作为巷道内控制突出强度的第一道屏障，主要用于控制突出后煤与瓦斯抛出物，降低煤与瓦斯突出事故，杜绝突出发生后瓦斯逆流造成灾害扩大，确保突出危险掘进工作面安全生产。合理的防突栅栏技术参数，应在对突出动力灾害机理和突出冲击波规律、突出能量和突出破坏准则研究的基础上进行受力分析、结构设计。瓦斯突出发生后，冲击波作用在防突栅栏上，如果防突栅栏有效动作，粉煤与瓦斯混合物的速度迅速降低，从而使防突栅栏在很短的时间内承担较大的冲击载荷，栅栏自身发生一定的变形，承担相应的变形能。对于有突出威胁、危险掘进工作面，正常掘进时安设两道钢结构防突栅栏。随着掘进工作面不断前移，两道防突栅栏交替前移。防突栅栏在井下的实际安装如图1所示。图1.掘进巷道防突栅栏3.2防逆风装置3.2.1防逆风装置的技术原理通过对煤与瓦斯突出机理及突出过程、特征的研究认为：突出后之所以会发生逆风，是高速的瓦斯流瞬间冲出，破坏了巷道内的风流稳定，并冲毁风门等设施，具有巨大能量的瓦斯流在巷道内产生大于进风流的压差造成的。在一定的程度上，完全消除和避免煤与瓦斯突出动力现象还存在着困难，煤与瓦斯突出的发生，伴随着各种动力效应，而有效地控制煤与瓦斯突出及伴生事故，除应进一步研究针对性的煤与瓦斯突出防治技术措施以外，还应针对突出的过程，确定合理的灾变控制技术和装置，将突出的能量消耗在有限的空间。突出后大量涌出的瓦斯，是致使矿井瓦斯灾变扩大的重大危险源。防逆风装置是在掘进突出煤层过程中，在距掘进工作面一定距离设置的一道防突风门，目的在于防止突出后涌出的瓦斯逆流到进风区域。防逆风装置综合运用气体动力学、热力学及材料力学原理，根据煤与瓦斯突出的条件及特征综合确定。该装置作用的原理是在防逆风装置上端布设防逆流通风设施，当煤与瓦斯发生突出时，通过防逆流通风设施使瓦斯沿着回风路线涌出，避免瓦斯逆流；防逆风装置不仅是瓦斯逆流的挡板，而且在煤与瓦斯突出瞬间，承担瓦斯突出产生的冲击波。防逆风装置如图2所示。图2.防逆风装置示意图3.2.2防逆风装置的动作防逆风装置主要包括两种结构模式，一种是钢板模式，即门墙采用钢板，门扇采用木料辅加角钢作为骨架；另一种为料石模式，门墙采用砌体结构，由料石和水泥砂浆砌筑而成，门扇采用木料。防逆风装置采用冲击波传感器和瓦斯传感器自动控制技术，在煤与瓦斯突出发生之后，设置在采掘工作面前方的感应器捕捉冲击波和瓦斯信号，及时传输至防逆风装置控制箱。控制箱做出相应判断后，瞬时启动装置，风门落下，将突出瓦斯流封闭在防逆风装置前方的巷道内。突出后，瓦斯流通过防逆风装置上部的风窗缓慢排出，直至瓦斯浓度降至安全界限以下，启动风门，进入巷道里面清理突出煤。防逆风装置在现场的实际动作如图3所示。3.3防突风门突出后一旦逆风，必然导致通风系统紊乱，从这一点上来说，整个突出地点就是一个大的危险源。防突风门是突出地区采掘过程中控制通风系统、抵抗突出冲击波的重要设施和屏障，根据煤与瓦斯突出机理及能量计算准则，依据气体动力学和材料力学原理，防突风门在突出后抵抗的冲击波强度同样可以依据防逆风装置的计算。一般情况下，突出地区的采掘巷道设置两道正反向防突风门，其强度应能抵抗矿井最大突出后能量的冲击。防突风门的设置，阻碍突出后的瓦斯流进入进风侧，对于突出矿井的通风系统稳定有着重要的作用。因而，在常规的两道防突风门以里，另外安设一道反向风门，进一步增强其抗灾能力。3.4进风侧灾变主动控制技术逆风后，原本处于“安全区域”内的设备和个体转化为“非安全状态”，这一区域内机电设备等等一旦失爆，成为新的危险源。煤与瓦斯突出发生后，由于通风系统紊乱造成的灾害事故及范围的进一步扩大，逆风是最为直接的原因。突出后大量的瓦斯随风流进入进风一侧，逆风的区域内极易造成人员窒息，并在一定的时间内达到甚至超过瓦斯的爆炸界限，在遇到一定的点火源后，更可能发生瓦斯爆炸等灾害事故。从这层意义上讲，防止瓦斯突出灾害事故的扩大，杜绝灾害范围内电气设备的失爆尤为重要，研究逆风范围内电气设备的自动断电控制体系，从根本上防止煤与瓦斯突出后灾害范围内的瓦斯爆炸事故。进风侧灾变主动控制技术，即通过优化完善的瓦斯监控系统，实现进风侧范围内的机电设备逐级控制，即：突出点——灾变区域——采区——矿井一翼——矿井。而主动控制技术的实现，则是完善的逐级联动人为控制技术与监控系统的可靠动作。3.5深化无人值守防突措施作业环境的危险，直接威胁着煤矿职工的人身安全，消除作业过程中的危险因素，是系统安全的重要组成部分。防突措施是控制和消除煤与瓦斯突出的基础，安全可靠的防突措施，应能减少措施的施工工序和工作量，提高措施的有效性。安全型防突技术措施是矿井瓦斯防治的需要，在长期的防突实践中，国内外防突工作者先后试验应用了松动爆破、超前排放钻孔、深孔控制卸压爆破、水力化等多项防突措施，有效降低了瓦斯突出的强度和突出次数，取得了明显的防突效果。然而这些措施的局限性在深入应用中逐步暴露，措施工序复杂、防突效果欠佳，甚至于在采取防突措施的过程中发生瓦斯动力现象。由于钻孔措施需要人员在现场施工，施工过程中发生的突出给工人生命带来严重的威胁，因此如何控制措施期间突出酿成的灾害成为亟待解决的重大难题。基于煤与瓦斯突出的作用机理，研究针对性强、本质安全型的防突措施工艺必然具有更为深远的意义。基于此目的，焦煤集团对中高压注水和水力掏槽措施工艺进行了进一步的深化研究，形成了具有适应性强、可远距离操作特点的防突措施体系，在现场应用中，煤巷掘进速度平均提高一倍以上，有效缓解了矿井的采掘接替矛盾。4.安全防护设施的应用效果为进一步提高防逆风装置的可靠性，一般在掘进巷道正前安设两道可靠的防突栅栏，以防逆风装置配合使用。一旦发生突出，防突栅栏首先起到抵挡突出煤体的作用。瓦斯突出发生后，冲击波作用在防突栅栏上，防突栅栏有效动作，粉煤与瓦斯混合物的速度迅速降低，使防突栅栏在很短的时间内承担较大的冲击载荷，栅栏自身发生一定的变形，承担相应的变形能。焦煤公司九里山矿为严重突出矿井，14121运输巷位于14采区西翼,煤厚4.2～9.2m，平均厚度6.5m，上部软分层厚度0.7～2.5m，煤层倾角12.5°，直接顶为2.9m厚的粉砂岩，老顶为9.85m厚的砂岩，直接底为1.15m厚的碳质泥岩，巷道顶板标高-208.4m。根据上部14091区段巷揭煤点实测煤层瓦斯含量15.15m3/t，推算该地点煤层瓦斯含量在17.4m3/t左右，瓦斯压力1.17MPa。2006年3月6日，九里山矿14121运输巷在掘至通尺273m处，放炮诱导煤与瓦斯突出，突出后煤体堆积巷道长度193m，突出煤量1072t，瓦斯量13.4万m3。突出后，14回风上山内最大瓦斯浓度达93.1%，14进风探头最大9.84%，上部的14091工作面回风巷出现短距离逆风。“3.6”突出后，九里山矿对各突出地区的煤巷掘进工作面进行了整改，按照防逆风装置及其配套设施的要求，分别安设了砖砌式防逆风装置和防突栅栏。2006年8月23日，1412