高瓦斯矿井以风定产及其技术途径

高瓦斯矿井以风定产及其技术途径辽宁工程技术大学2003年11月5日一、以风定产技术路线•1、以风定产的含义与要解决的问题•（1）含义：•矿井的开采强度越大，亦即产量越大，则矿井的绝对瓦斯涌出量越大，回风流中瓦斯的浓度就越高，为了把瓦斯浓度稀释到《煤矿安全规程》允许的范围内，矿井的配风量也就越大。然而矿井的供风能力是有限度的，它取决于矿井的主扇能力以及网络系统（包括网络的拓扑关系、风路风阻、风路断面、及用风点的分布及用风量的大小，等等），这就表明矿井的开采强度是有限度的，它取决于矿井的配风能力，这就是以风定产。（2）以风定产要解决的问题A.现有的矿井及工作面通风系统、方式、方法、网络及调节系统不变，工作面的产量是多少？B.维持工作面产量不变，从通风的角度找出通风系统瓦斯浓度全线达标的方案。C.从通风的角度解决不了瓦斯问题时，确定瓦斯的非风排量（包括抽放量、抽放位置、尾排量等等）。2以风定产应考虑的几个因素•（1）工作面瓦斯超限一般发生在工作面回风隅角，所以不能根据工作面回风流瓦斯含量确定工作面通风系统、通风方式、方法及其配风量。•（2）要确定回风隅角的瓦斯浓度，必须对以工作面为边界条件之一的采空区瓦斯浓度分布弥散方程进行解算。采空区气体流动微分方程及其定解条件2010),,(),,(),,(),,(),,(),,(0)()()(zyxzyxqnzHKnyHKnxHKzyxzyxHzyxHzyxzHKzyHKyxHKxzzzyyyxxxzzyyxx笛卡尔坐标系中瓦斯浓度分布方程IzCVyCVxCVzCDyCDxCDzzCDyCDxCDyzCDyCDxCDxCzyxzzzyzxyzyyyxxzxyxx)()()(弥散系数VVVVDVVVDDVVVVDVVVDDVVVDDVVVVDzLyxTzzzyTLzyyzyLzxTyyzxTLzxxzyxTLyxxyxLzyTxx/])([/)(/])([/)(/)(/])([222222222•通过适当的拓扑变换，上述方程能够模拟：回采工作面推进速度、回采工作面长度、采煤高度、采空区形状、工作面配风量、落煤瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量、采空区煤壁瓦斯涌出量、瓦斯抽放方法、钻孔位置、抽放量等一系列参数变化下的采空区瓦斯浓度分布。（3）风机能力与网络可调节性和配风能力是两回事A.高瓦斯矿井产量仅在一定范围内与风机能力呈正相关。B.风机能力受限于网络通风能力，即受限于网络最大流。C.许多矿井存在着“有风，但是配不上去”的问题。上述问题归结为网络优化调节问题，即调节位置和调节量的问题。（4）要考虑工作面风流稳定性与可靠性3高瓦斯矿井以风定产的技术路线3.1确定矿井需风量•（1）确定掘进工作面的瓦斯涌出量及其所需风量。•（2）确定回采工作面的瓦斯总涌出量。•（3）确定回采工作面落煤瓦斯涌出量和采空区瓦斯涌出量的比例。•（4）以回采工作面落煤瓦斯涌出量为基准，确定工作面配风量Qlm。•（5）以Qlm为边界条件，确定工作面回风隅角瓦斯浓度，并以工作面回风隅角瓦斯浓度不超过《煤矿安全规程》规定为标准，通过采空区渗流和弥散方程的解算，反求工作面实际应配风量。•工作面通风系统（即风巷布置系统，例如：一进二回，多进多回，Y型，W型，有无尾巷，有无抽放系统等等）不一样，解算渗流和弥散方程的边界条件就不一样。所以说，利用该方法确定的工作面配风量，同时包含着工作面的通风方式的选择，以及瓦斯抽放方式、方法和抽放量的选择。•（6）确定其它用风点的风量。•（7）将上述个用风量累加获得矿井总用风量.•3.2确定矿井的总阻力•3.3确定矿井最大通风能力•（1）通过测试扇风机的特性曲线，确定扇风机的最大通风能力。•（2）确定通风网络的最大输送风能力，也就是网络的最大流问题。•（3）扇风机最大通风能力与网络最大输送风能力的最小值为矿井最大通风能力。3.4将主扇提供的风流分配到指定需风地点由于生产矿井一般都采用增阻法进行调风，这里不仅存在一个优化调节问题，而且当通风系统比较庞大时，人工很难找到合理的调节位置和调节量。《矿井通风仿真系统MVSS》能够确定指定需风方案下的最有调节位置和调节量。•3.5分析通风系统的稳定性和可靠性•分析工作面是否处于角联风路上，如果是要分析工作面角联结构的稳定性及其影响稳定性的构筑物和风路。4技术手段•由辽宁工程技术大学研制完成的《矿井通风仿真系统MVSS》以及《采空区自然发火仿真系统》（包括模拟采空区的漏风分布、风速分布、瓦斯浓度分布、氧气浓度分布、稳定分布）能够完成上述内容。《矿井通风仿真系统》的主要功能(1)模拟新井巷开掘贯通和旧井巷报废后的通风状况；(2)模拟构筑物的位置及调节量；(3)模拟井巷断面大小、形状、支护方式、局部堵塞等变化；(4)模拟地面主扇及其工况、模拟井下机站的位置及其工况；(5)确定矿井通风网络的最优化调节；(6)风网特征图自动绘制、角联风路自动识别与分析、通风网路的极值流、网络自动简化等等；•(7)通风系统稳定性、可靠性、安全性综合评价等一系列功能。•如果矿井具有监测系统，并有数据通信协议，《矿井通风仿真系统》可以与矿井监测系统联网。推广《矿井通风仿真系统》及以风定产所需的物质、技术条件（1）对现场工程师只需要熟悉通风系统，不需要具有专门的通风网络知识。对仿真系统的操作就是日常对通风系统的管理。（2）需要的矿井提供的数据：A.快速简单分析矿井风机风量、风压；主要巷道的风量、阻力；简单的通风网络B.中等复杂分析扇风机风量、风压；重点分析网络的风量和部分阻力。对于简单分析和中等复杂分析，主要利用仿真系统的自我调节和自适应功能（凑数功能），自动确定仿真所需的通风参数。C.详细精确分析通风系统普查；采掘工程平面图（通风系统图）；测试扇风机性能曲线；测试全部巷道的风量值；最大阻力路线阻力测试；主要巷道的阻力测试；主要构筑物的压差测试。大规模软件运行时间：1.0版小于5分钟；2.0版（20小时左右）；3.0版小于5分钟（2004年3月推出3.0版）仿真系统主要操作特点•1、将巷道画在屏幕上就可以，不需要进行相关的网络解算处理。双击巷道、节点、构筑物、风机双击风机鼠标右键优化调节无参数仿真平衡图《采空区自然发火仿真系统》功能简介（1）模拟采空区内部压力分布；（2）模拟采空区内部风速分布；（3）模拟采空区内部氧气浓度分布；（4）模拟采空区内部瓦斯浓度分布；（5）模拟采空区内部CO、CO2等自然发火标志气体浓度分布；（6）模拟采空区内部煤炭氧化放热形成的温度分布场；（7）模拟采空区注N2位置及注N2量的防灭火效果；（8）模拟采空区瓦斯抽风量及抽放位置；（9）模拟采空区注浆位置及注浆量；（10）模拟降低煤的活化能的防灭火效果；（11）模拟采空区采用均压方法及调整通风参数的防灭火效果；（12）模拟密闭的漏风量及其防灭火效果；（13）模拟工作面推进速度、配风量及回采巷道布置方式的防灭火效果；（l4）模拟火灾时期自然发火位置和灭火手段的灭火效果。神东大柳塔08采面神东大柳塔08采面注氮神东大柳塔08采面防灭火模拟结论（1）08工作面采空区层面漏风是影响采空区风流变化和氧气浓度分布变化的主要因素。采空区层面漏风导致采空区漏风严重，氧气浓度分布范围很大，采空区自然发火危险增大。（2）在供风量2172m3/min的情况下，自燃氧化带宽度在300m，最低的推进度要求在12m/d以上。在工作面保证推进度500m/月的情况下，则任意一次推进300m范围内，累计允许的生产停顿时间不应超过7天，否则，将有可能产生采空区自然发火。•（3）采空区内部漏风改变了采空区风流运动，自燃氧化带形状随之发生很大改变，今后实际生产应严格控制联络巷密闭的漏风。•（4）下分层开采时，为预防采空区自然发火，应建立地面注氮系统，对采空区实施不间断注氮气。每隔240m在进风侧边界处打注氮钻孔，注氮位置在距离工作面120m开始进行，注氮流量采用变流量控制，随着远离工作面，由30m3/min逐渐降到0m3/min。