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文|三魚錦鯉
編輯|三魚錦鯉
?——【·前言·】——?
本文討論了長壁采空區殘煤自燃是一種長期的危害，氣流泄漏采空區是造成危險的主要驅動因素，當長壁在多個接層和淺層工作時 ， 這一問題會惡化，因為由于長壁面和表面之間的壓力差 ， 采礦引起的裂縫很可能吸引新的氣流進入采空區，為了更批判性地研究這個問題，我們使用一個通風模擬包“Ventsim”在布連塔煤礦進行了一個案例研究 。
研究發現，主動長壁板的隔離和加壓可以緩解這一問題 ， 并可以通過改變輔助風機的性能和通風調節器的阻力來調節壓差，增壓通風系統也可以通過調整風扇工作職責來減輕這個問題，通風模擬是研究地下煤礦自燃控制的有力工具 。

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?——【·項目描述·】——?
根據鉆井巖心的數據解釋、地層露頭情況和已證實的煤田地質資料，對煤礦的地層學進行了估算，主開采煤層12煤層位于上部，另外兩個主煤層22和31煤層分布在中部，3個煤層的平均厚度分別為4.1 m、6.8 m和3.2 m，12縫與22縫之間的間距約為32m，22縫與31縫之間的間距約為28 m，礦區為鄂爾多斯早侏羅統含煤盆地的一部分，盆地未發現大斷層，該盆地基于繼承型盆地，地層朝向N20～30W，趨勢為S60-70W，地層坡度由0～3略有變化 。

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煤層地面略有波動，東部升力平緩，該煤礦的煤層分布緊密，并在非常淺的覆蓋層下作業，目前該煤礦正在開采兩層煤層，即12煤層和22煤層，31煤層隨時待命，整個礦井分為五個部分，每個部分都有幾個長板，1、2段共開采了12煤層、22煤層，目前第四段和第五段開采12煤層，第三段開采22煤層，因為已經開采了12煤層，認為上覆采空區通過開采誘發的裂縫相互連接 。
受污染的空氣通過兩個主排風機排出氣坑，一個安裝在北排氣軸上 ， 另一個安裝在南排氣斜面上 ， 新鮮空氣主要來自進氣坡度和進風井 ， 進氣口軸用于第五段，主進氣口坡度用于第三段，第四部分的進氣軸和進氣斜面均提供新鮮空氣 。

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自第三段開始開采面板以來，已經發生了幾次嚴重的煤氧化和自熱事件，并最終導致LW22306工作面板發生一次明火事故，發現火災來自12煤層的覆蓋，因為最初從鉆到12煤層覆蓋的幾個鉆孔中檢測到高濃度的CO，大火導致面板關閉了6個多月，并花費了數億美元，通過數百個井下入泥漿來撲滅面板 。
經過調查和事故審查后，發現了火災事故發生的可能原因，煤炭開采的一個主要后果是地面沉降，并對上覆或下伏地層產生裂縫和裂縫 ， 在這種情況下，在開采了12的煤層后，由于煤層的淺覆蓋，誘發的裂紋可能已經發展到表面 ， 隨著22煤層的進一步開采 ， 該煤層開采高度越高 ， 可能產生更發育、更寬的裂紋，這些通道很有可能相互連接并傳播到表面 。

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如果存在任何壓力差 ， 這些通道可以作為從表面到主動工作面的漏氣路徑 ， 由于該礦井目前采用排氣通風方法 ， 工作面內氣流的壓力可能遠低于地表大氣壓，因此，壓力差很有可能通過這些通道從表面吸引一定數量的新鮮空氣到活躍的長壁面，所以保留了約0.5 m的頂部煤，以方便碼頭支撐碼頭，隨著LW的推進，煤將留在采空區 。

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隨著新鮮空氣的持續供應，煤的陰燃隨著煤氧化產生的熱量變成明火，同時也促進了采空區氣體進入工作面，缺氧和高濃度CO氣體的進入對長壁工作人員的安全構成了巨大的威脅，人們已經采取了許多做法來控制這個問題，一種直接的解決方案是用灌漿或漿液注入來密封這些裂縫 。
然而由于兩個原因，這個解決方案仍然無法實現，一個是成本將是巨大的，因為有大量的裂縫需要處理，另一個困難是許多隱蔽的裂縫很難被發現，因此，通過提高通風性能來最小化表面和通風回路之間的壓差將是一個很有前途的解決方案，這也是本項目的一個重要舉措 。

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?——【·“Ventsim”模型的開發和驗證·】——?
解決采礦引起的空氣泄漏的合理方法是減少表面和通風回路之間的壓力差，為了量化壓差并更關鍵地調查這個問題，我們使用了一個通風模擬程序“Ventsim”來進行案例研究，“‘Ventsim”是地下礦井通風模擬中最復雜的軟件包之一，廣泛應用于澳大利亞的許多地下采礦作業中 ， ‘’Ventsim“可用于協助一系列與礦井通風相關的操作 ， 包括礦井通風的設計、礦井網絡的分析和優化、再循環通風的預測和礦井通風的經濟分析 。

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通過導入Autocad DXF文件來建立幾何模型 ， 該文件包含了整個礦山的真實平面圖，在一個復雜的DXF繪圖被導入到‘’Ventsim”后，它很可能是斷開或重疊的氣道被合并到原始模型數據中，在編輯任何氣道之前，有必要進行幾何修復或簡化，在建立模型后，下一步是為每個氣道分配各種參數，包括氣道輪廓、幾何尺寸和摩擦系數 。

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此外，還應將適當的阻力系數分配給通風控制裝置 ， 如氣閘、皮帶密封件和通風空氣門，氣道的編輯可以通過訪問編輯框來完成，然后在主排氣斜面和北排氣軸處分別安裝兩個排氣風機，在本應用中，根據現場測量的風機曲線數據 ， 基本模型通過兩個步驟進行驗證，一個是通過大多數重要位置的氣流量，另一個是檢查沿著關鍵通風路徑的壓力損失，將臨界位置現場測量的空氣流量與計算數據進行比較 。

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沿LW22305、LW12409、LW125193條氣流路徑進行了調查，三個路徑代表三個面板部分（分別為第三節、第四節和第五節），并通過三個路徑驗證壓力損失，因為第三節中的低壓區是煤自燃和采空區氣體進入方面最危險的區域 ， 后續研究也將集中于LW22307路徑 。

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接縫進氣主管中的部分新鮮氣流通過第三段進氣主管進入第三段長壁，然后LW22307中的新鮮空氣通過LW22307混合物和LW22308尾門供應，污染空氣經LW22307尾門吸入三段排氣干，后送至1055級排氣干 ， 污染空氣通過南排氣斜面風機排出 ， 從沿LW22307路徑的壓力損失驗證可以看出，其總體趨勢與測量的LW22305路徑相似，與LW22305路徑相比，由于其流程較長，壓力損失略有增加，且壓力損失主要發生在排氣氣道 。
工作面的壓力損失超過200 Pa，工作面與表面的壓差大于200 Pa ， 會吸引大量的新鮮空氣，由于存在200 Pa的壓差，一旦采礦誘導的通道傳播到表面 ， 就進入LW工作面，這種壓力差也會導致采因區氣體遷移到工作面，并對地下礦工造成直接危險 。

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?——【·解決方案和討論】——?
研究表明，低壓面板內不同的通風方式可能會導致低壓面板間不同的壓力差 ， 從而影響采空區的漏氣 ， 為了降低沿LW22307面的壓差，第一個可能的措施是修改面板內的通風網絡，在本研究中，我們總共提出并分析了7個場景 ， 從面板內各種通風方式的壓力損失路徑，可以看出，壓差是無法消除的，除兩種無泡通風模式外 ， 面壓差差別不大 。

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為滿足低水面舒適的工作條件，該煤礦不需要不少于30 m3 /s的新鮮空氣，可以看出，由于“通過LW22307”的氣流量較少 ， 顯然不合適，但“無眼瞼同形U”可以輕微降低壓差，“排氣回風”和“雙回”通風模式能夠為工作面提供足夠的空氣，但壓差大于現場通風模式 。
“無泡風的現場U”可以顯著降低壓差，但氣流量略低于要求，此外，無泡風通風網絡會增加整體阻力，因此不適合長期使用 ， 無論如何修改網絡的模式，都不能消除壓差，這是耗盡通風網絡的一個內在缺陷 ， 一旦采礦引起的裂紋發展到表面 ， 新鮮空氣總是被吸引到工作面，而強制通風系統反之亦然 。

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為了降低壓差，同時向低壓工作面輸送充足的新鮮空氣，提出了一種稱為低壓面板加壓的解決方案，解決方案的本質是在面板進氣口開始時提供一個正壓力，以抵消過去氣道中的壓力損失 ， 為了達到正壓，需要一個輔助風扇和多個通風控制裝置 。
在面板進氣口開始時，在一個LW22308回收巷道上安裝一個輔助風扇 ， 在LW22306合并口和LW22307尾門之間的一個通道上安裝一個通風調節器，以調節壓力和氣流，通風調節器本質上是一個具有可調節開口的通風門 ， 加壓LW22307工作面將顯著降低壓差，此外，理想情況下 ， 可以通過調整電阻系數或風扇負荷來獲得真正的平衡 。

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很明顯，在LW22307上，風扇的阻力會增加，隨著更強大的風扇和通風調節器的阻力 ， 壓差從負演變為正，因此，理想情況下可以外推一個沒有壓差的中性點，然而，保持低壓板壓力稍正有利于在采空區內容納有毒氣體，從而改善低壓板工作面的工作條件 。
調整到通風路徑中間的任何一點 ， 這樣可以顯著減小低波面和表面之間的壓差，因此，在不同的風機負荷下模擬了增壓通風系統的性能 ， 在進氣斜面安裝一個類似容量的強制風扇 ， 并通過增加阻力系數的大小來調節其他幾個開口，通過兩個風扇的各種職責，演示了解決方案 。

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可以看出，氣流最初由強迫風扇給予一個正壓 ， 以抵消沿路徑的壓力損失，如果正確調整風扇粉塵，壓差就會顯著降低，中性點可以通過操縱風扇的工作來移動到任何點，很明顯 ， 隨著風機占空比的下降，氣流量略有減少，但壓差對風機占空比非常敏感，風扇負荷的10%變化可能極大地改變了低波面的壓差 。

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?——【·現場演示·】——?
布利安塔煤礦的LW22307于2014年7月開始運營，隨著檢測到幾種可能的自加熱發展和缺氧氣體進入工作面的日益嚴重，該礦決定在2014年底對LW面板進行加壓，以減少空氣泄漏，在回顧了故障模式并進行了風險評估后 ， 我們還使用了一個輔助風扇來提供正壓和相關的通風調節器，構造用于調節穿過工作面的壓力和氣流，在切除該控制措施后 ， 持續監測低壓面的漏氣量和氣體成分 。

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可以看出，在平衡壓差后，通過工作面的氣流量略有增加，采空區的氣流泄漏明顯減少 ， 工作面與LW22307尾門結合處的一個采樣點的氣體監測數據，氧濃度顯著增加，且與氮濃度呈反比趨勢 ， 在實施控制后，采空區氣體入口受限，工作條件大大改善，因此，局部加壓低壓板是帶排氣通風系統的低壓板控制壓差和自燃危險的有效措施 。

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由于該礦正在持續運行，在開采LW22307面板時，不太可能改變大型通風系統，因此，在布利安塔煤礦的論證是不可能完成的 ， 然而，這種方法已成功地應用于澳大利亞獵人谷的LW操作，該煤礦也在多煤層和淺覆蓋層中作業，類似于布連塔煤礦的LW作業 。因此，如果低壓機組在相同的條件下運行（淺覆蓋或多個煤層 ， 分布緊密），加強通風系統可能是一個更好的解決方案，因為它不那么復雜，并更靈活地調整中性點 。

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?——【·結論·】——?
本文采用通風模擬包“Ventsim”為案例研究，探討多層和淺層下低壓機組的漏氣問題，在基礎模型的開發和校準之后，提出了三種解決方案來緩解壓差問題，我們可得出以下結論：如果礦井使用純排氣通風系統，低W面和表面之間的壓差是一個內在缺陷，無論如何修改通風回路，都無法消除壓差 。

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隔離加壓，可提供工作面足夠的新鮮氣流 ， 同時降低壓差，這是通過部署一個輔助風扇和幾個通風調節器來實現的 ， 理想情況下，如果正確調整通風控制裝置的電阻系數和輔助風扇的負荷 ， 就可以消除壓差，這個解決方案已在布利安塔煤礦確定 。

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在局部給低壓面板加壓之前，必須采取額外的預防措施和足夠的風險評估，因為大量采扇區有毒氣體會立即擊中工作面，對工作人員造成巨大的危險，此解決方案更適合于正在進行的LW操作，增壓通風系統（鼓風機-排氣）也可以通過調節兩個主風機的作用來降低壓差，理論上 ， 通過操縱兩個風扇的性能，中性點可以沿壓力損失路徑分布在任意位置 。
?——【·參考文獻·】——?
史密斯 ， 《無泡通風系統作為美國煤礦的自燃控制措施》，匹茲堡市礦業局，1994年 。
吉利斯，《澳大利亞長壁墻板通風實踐》 ， 2013年 。
張耀 ?！度嗯菽诿旱V火災中的應用》 。Int J煤炭地質公司，2006年 。
【通風模擬在地下煤礦自燃控制中的應用】斯特拉克爾，《世界各地的煤火燃燒失控：造成環境災難的熱力學配方》，2004年 。

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