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1、矿井通风与瓦斯防治技术,中国矿业大学安全工程学院陈开岩 教授联系电话：13951355580Email:,内容提要,1、概述2、矿井通风系统优化改造技术3、采煤工作面通风与瓦斯防治技术4、掘进工作面通风与瓦斯防治技术5、矿井通风系统可视化实时动态模拟技术,一、概述,矿井通风：依靠通风动力，不间断地将地面新鲜空气沿矿井进风路线输送到井下各个作业地点，冲洗后的污浊空气沿矿井回风路线排出地面的过程。矿井通风的基本任务：采用安全、经济、有效的通风方法，向井下作业场所供给足够的新鲜空气，稀释和排除有毒有害气体和粉尘，改善气候条件，创造适宜的劳动环境，保证井下空气的质量和数量符合国家安全卫生标准。以防止矿
2、井各种灾害事故的发生和扩大，保护作业人员的安全、健康，提高劳动生产率。,通风方法防治各种灾害,矿井通风系统的定义,矿井通风系统,通风井巷网络,通风设施,通风动力装置,矿井通风系统是向矿井各用风点供给新鲜空气，排出污浊空气的通风方式（中央式，对角式，混合式），通风方法（抽出式，压入式，抽压混合式），通风网络和通风控制设施的总称。,矿井通风系统的意义,矿井通风系统是矿井安全生产的第一生命线从许多重特大事故原因分析来看，事故的发生和发展都与通风系统有关构建安全高效的通风系统是煤矿安全生产最重要的基础工程之一。,瓦斯爆炸事故区域通风系统图,山西某高产高效集约生产矿井（500万t/a），2009年2月2
3、2日发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成78人死亡。,局部通风机安装位置不合理。局部通风距离延长，联巷两端压差逐渐变小，导致联络巷风量减少，处于微风状态，造成瓦斯积聚；联巷没有及时调风消除隐患。,矿井通风方式为并列式，主、副斜井进风、回风斜井回风，主扇型号为FBCDZ-8-27(2450kW)。主斜井进风量为3564m3/min，供6个掘进工作面(12回风石门、12集中运输石门、主斜井井底车场、井底车场联络巷、13302底板瓦斯抽采巷、13302底板瓦斯抽采巷专用回风巷)的用风；副斜井进风量为2880m3/min，供4个掘进工作面（水仓通道、炸药库通道、13301底板瓦斯巷进风巷、13302回风顺槽
4、联络巷）的用风。矿井总进风量为6444m3/min，矿井总回风量为6552m3/min。安设了KJ90NA矿井监测系统，1台主机，设有6个分站，安有甲烷和风速传感器。,事故地点：13302底板瓦斯抽采巷，底板标高+1100m，埋深673m。该巷开口于副斜井井底车场距35b煤层底板约27m，52.6m平巷后起坡15掘进，至事故发生时该巷道共掘进67m。半圆拱形断面，U型棚锚喷联合支护，宽4m，高3.5m，12.28m2。采用炮掘工艺，耙斗机装岩。压入式局部通风，FBDNO7.1(245kW)，吸风量为439m3/min;800风筒铺设长度约390m,出口风量为386m3/min。无压风自救系统。
5、突出煤量2051t，突出堆积长度188m。瓦斯涌出量35.2104m3事故原因：K33煤层具有煤与瓦斯突出危险，事故地点附近地质构造十分复杂，巷道掘进过程中未进行层位探测，在已揭露煤层的情况下未采取防突措施，导致发生煤与瓦斯突出事故。事故扩大原因：掘进通风不独立，无专用回风，通风系统不完善。,矿井通风系统的特点,动态性通风网络拓扑结构随时间的变化通风巷道和通风构筑物的空气动力学性能老化通风机空气动力学性能老化非稳定性通风机设备维修倒台井巷运输提升设备活动风门的启闭风窗的调节,矿井通风理论与技术研究,通风模拟,通风预测,风量调节,通风管理,信息系统,通风断面优化,系统改造,矿井需风量计算,通风规
6、划设计,采掘接替规划,通风系统评价,通风能力核定,基本应用层6个方面,基本理论层6个方面,可视化技术,矿井通风阻力测定,通风机性能测定,过渡层3个方面,矿井通风理论的分类,稳定通风理论,非稳定通风理论,矿井稳定通风理论与应用,稳定通风模拟,通风网络风量优化调节,通风网络稳定性与敏感性分析,多风机联合运转稳定性分析,通风网络瓦斯流动模拟,井巷气候条件模拟,井巷大气污染（粉尘）扩散模拟,可靠性与有效性模拟,矿井非稳定通风理论与应用,瓦斯集聚排除过程模拟,灾变时期通风模拟,风机开停过程模拟,矿井反风过程模拟,非稳定通风模拟,矿井通风系统实时监测、分析与控制,通风系统实时模拟与分析,通风系统可视化,通
7、风监测数据,调节系统工况消除故障,系统是否存在故障,二、矿井通风系统优化技术,矿井通风系统是由矿井通风网络、主要通风机装置和通风设施组成。矿井通风网络风流结构、主要通风机工作方法、通风设施布置与风流控制的合理性对通风系统的安全可靠性和经济性具有重大的影响。矿井通风网络结构很大程度上取决于矿井开拓开采巷道布置，而矿井通风能力又影响着矿井生产能力。由于矿井通风系统随矿井开采布局和开采条件的变化而变化，因此优化矿井通风系统不仅要做到设计优化而且还要做到运行优化。,二、矿井通风系统优化技术,1）矿井通风系统的构建原则 矿井通风系统构建总原则是系统简单，安全可靠、技术经济合理。具体准则：（1）每个矿井必
8、须有完整的独立通风系统。（2）矿井进风井口必须布置在不受污染的地方，与污染源有足够的安全距离。（3）进，回风井之间和主要进，回风道之间的每个联络巷中，必须砌筑永久性挡风墙。（4）每个生产水平和每个采区都必须布置单独的回风道，实行分区通风，将其回风风流直接引入到总回风道或主要回风道中。（5）矿井主要通风机的工作方式一般应采用抽出式通风。在地面有小窑塌陷区或山区回风井分散时，可采用压入式通风。（6）根据矿井开拓系统选择合理的通风系统。,二、矿井通风系统优化技术,2）通风系统的技术要求（1）通风方式合理。矿井、采区和采掘工作面的通风系统必须完善，矿井通风网络结构简单，角联风路少；采用分区独立通风，避
9、免串联通风，抗灾能力强。（2）通风网络风量分配与调节合理，风流稳定，无风流不稳定的角联风路。,角联结构如何识别？判别该角联是否存在安全隐患？采取应对措施消除隐患！,二、矿井通风系统优化技术,（3）矿井有效风量率高，内部和外部漏风小。（4）通风阻力分布合理，阻力小，满足煤矿井工开采通风技术条件AQ1028-2006行业标准，如表1所示。,表1 矿井通风系统阻力限值,二、矿井通风系统优化技术,（5）通风设施布置合理，数量少。（6）矿井主要通风机运行稳定、可靠、高效经济。对于单风机通风系统，风机风压特性应与通风网络风阻特性相匹配，即风机的工况点处于高效稳定的工作区内；对于多风机对角并联运转通风系统，
10、除了满足单风机的要求外，还要保证公用风路风阻尽量小、并且各风机风压尽可能接近，相互干扰小。,二、矿井通风系统优化技术,3）矿井通风系统常见的问题 矿井从设计、建设、试生产、稳产、衰老、直至开采完结要经历一个漫长的演化过程。在各时期阶段，由于受各种外因和内因的作用，矿井通风系统的结构、特性与工况将发生变化。有时出现矿井通风能力与生产能力不相适应，通风可靠性与有效性降低、通风能耗增加、抗灾能力减弱等情况。,矿井通风系统常见问题,（1）矿井瓦斯、地温、自然发火等开采技术条件资料掌握不准确，造成矿井通风系统设计不合理。主要表现为矿井瓦斯涌出、气温升高、自然发火严重，通风能力与生产能力严重失配。（2）矿
11、井生产能力盲目扩大，生产布局不合理，同时生产的采区和工作面数量增加，造成通风巷道增多、通风网络复杂，角联风路和通风设施增多，风量调节复杂，风流稳定性变差，矿井抗灾能力降低。（3）矿井开采强度的加大，瓦斯涌出量增大，需风量提高，矿井通风断面相对偏小，通风阻力快速升高，主要通风机很快达到满负荷运转，造成通风机服务年限缩短，通风能耗增加，供风量紧张，通风可靠性降低。,二、矿井通风系统优化技术,（4）矿井通风阻力分布不合理。矿井回风巷道断面偏小，回风区阻力偏高，约占总阻力的50%以上，尤其是利用老巷道的改扩建生产矿井甚至达到70%以上。（5）多风井复杂通风系统中各风井系统的通风压力和风量不均衡，公用段
12、通风断面不足、风速大、阻力偏高，超过了其中最小风井系统阻力的30%，造成多风机并联运转相互影响加剧，通风系统的稳定性和可靠性降低。（6）通风设施布置不合理，质量差。使得矿井内部漏风增加，进入用风地点的有效风量减少。由于漏风通道往往途径采空区，故从中携带出的有毒有害气体增大，向采空区供氧增强。（7）矿井主要通风机附属装置设计与施工不合理，风硐和扩散器的空气动力学特性差、局部阻力系数偏高，外部漏风偏大，通风机装置效率偏低。,二、矿井通风系统优化技术,随着矿井生产的不断发展，有些老矿井面临生产系统和通风系统的改造工作。矿井通风系统改造的原因多种多样，可归类如下：主要通风机通风方法的变化，第一水平为压
13、入式通风，开采延深至下水平改为抽出式；矿井生产能力增加，通风系统不能与之相适应；由于矿井的扩区、延深引起通风系统的变化；由于瓦斯、地温出现异常变化，超出原设计值，使得原有通风系统无法满足要求；由于各种原因造成矿井主要通风机能力与矿井通风要求不相匹配等。,二、矿井通风系统优化技术,新矿井通风系统优选步骤,老矿井通风系统改造步骤,二、矿井通风系统优化技术,优化目标:通风系统优化前，必须根据矿井生产布局及其对通风系统的要求（风量大小、服务范围和时间区间等），确定通风系统优化的目标，使优化后的通风系统与生产能力相适应，技术上先进、合理、可靠，形成一个风量充足风流稳定的通风系统，并具有较强的抗灾能力。同
14、时要根据条件尽可能采用先进技术装备，达到好的技术经济效果，即投资少，工程量小、运行维护费用少、节能效果好。多目标优化：同时实现增风扩能、降阻节电、提高系统的可靠性、稳定性和抗灾能力等多项目标。,通风系统方案优化评价指标体系,1）评价指标体系 从系统安全可靠性、稳定性、技术性、经济性等方面建立生产矿井的指标体系。技术性：矿井通风等积孔，风量供需比，有效风量率等；稳定性：各主要角联风路风流强度指标（功率）及其风速波动极差和方差、风向变化频率、主扇风压波动极差等；可靠性：风流参数平均值落在所规定的参数区间内。如风机工况点落在合理工作范围内的概率，用风地点供风量落在允许范围内的概率等。经济性：风机工作
15、效率、吨煤通风电费等。2）建立了评价指标的分级界定范围3）选择合理的评价方法。如模糊综合评价法等。,生产矿井通风系统评价,矿井通风系统持续优化改造实例一,多区多面，多风井复杂通风系统，角联风路多，上部老窑火区威胁大。,优化前通风网络图,改进采煤方法，提高单产，减少同采面数目，简化生产和通风系统。,两翼对角式通风网络图,两翼对角式通风系统优化,改换进回风井，减少浅部露头风井地面漏风，防治煤自燃，缩短通风流程,最终形成”一矿一面”，中央并列式通风方式。,最终优化后通风网络图,矿井通风系统优化改造实例二,1、76采区瓦斯涌出量成倍增加，供风量严重不足2、通风路线长、通风断面小、阻力大3、局部存在漏风
16、,矿井通风系统优化改造实例二,新开进、回风井缩短南风扩区通风流程,1、采取堵漏措施2、增加采区专用并联巷道3、扩大巷道通风断面4、改变工作面通风方式5、改变矿井通风方式,三、采煤工作面通风与瓦斯防治技术,采煤工作面U形通风流场结构,工作面几何尺寸：187m4m3m；进风量为1000 m3/min时距底板1.5m平面的风流迹线分布状况,“U”形通风采空区漏风特征,在综放面长为187m、配风量为1000 m3/min时，工作面沿程漏风分布特点：采空区漏风主要集中在工作面上、下端头3050m范围内，且漏入比漏出更集中；图中，采空区漏风量为负值表示采空区漏入工作面，为正值表示工作面漏入采空区。总漏风量
17、为102m3/min，漏风率约10%左右，取决于工作面的长度、压差和采空区的渗透率等。,设风障的U形通风流场结构,堆放沙袋,综放工作面瓦斯浓度分布与涌出构成测定分析,工作面瓦斯分布规律,在风障前，工作面的压力高于采空区，工作面瓦斯与空气随风混合扩散和迁移，一小部分瓦斯沿途随着工作面漏风流入采空区，另一大部分沿工作面倾斜风流方向流动，使沿途瓦斯浓度逐渐增大，但浓度变化幅度较小，在0.12%0.26%之间；而在风帘后，风流由采空区漏入工作面，在回风隅角附近集中涌出，使瓦斯浓度比风障前有较大幅度的升高，在5m范围内瓦斯浓度由0.3%升高到0.9%。,宽度方向,工作面瓦斯涌出构成分析,7802工作面单
18、元划分图,（1）采煤时总瓦斯涌出量：5.94 m3/min；（2）落煤瓦斯涌出量为：1.87 m3/min；（3）采空区瓦斯涌出总量为1.77 m3/min；（4）煤壁瓦斯涌出量为2.30 m3/min，合计7802工作面风排瓦斯总量为11.88 m3/min，其中采空区瓦斯占29.8%，煤壁占38.7%，采落煤占31.5%。,7802综放面瓦斯与班产量的关系,瓦斯涌出不均匀系数在1.21.9之间,U形通风采场瓦斯分布,设风障的U形通风采场瓦斯分布,在距工作面回风顺槽3m处间隔3m设置两道3.5m3m风障,U形通风上隅角抽排采场瓦斯分布,回风巷放大图,距离底板1.5m采场水平切面（z=1.5m
19、）,工作面靠近回风巷30m处瓦斯浓度为0.75%；回风巷瓦斯浓度为0.47%；上隅角瓦斯浓度为0.54%。,综采工作面U+L形通风方式,322121综采面为32212区域第一分层工作面。工作面走向长439m，倾斜长250.6m，开采厚度3.0m，煤层瓦斯含量12.53m3/t。该面采用“一进两回”通风方式。即：运顺进风，回顺、上风巷回风的通风方式，采空区尾部安装通道设抽放管抽排采空区较高浓度瓦斯。工作面割煤时，在其靠近上端口50-60m范围内及回风巷瓦斯经常超限。,U+L型通风方式采场瓦斯模拟,通风参数：进风巷进风量 3000m3/min 回风巷回风量 2074 m3/min上风巷回风量 34
20、2 m3/min后抽排流量 584 m3/min采场瓦斯涌出量按实际状况估计。,U+L形通风方式采场瓦斯分布,进风巷进风2360m3/min回风巷回风 600 m3/min上风巷回风1260m3/min抽排风500m3/min,调整风量后U+L型采场瓦斯分布,进风巷进风 3000m3/min回风巷回风 2350 m3/min上风巷回风 350 m3/min采空区尾部抽排风 300m3/min,E-1J2H-A 中进上下回,速度矢量场,速度等值线,瓦斯等值线,E-1J2H-B 下进中上回,速度矢量场,速度等值线,瓦斯等值线,E-2J1H-A型 上下进中回,速度矢量场,速度等值线,瓦斯等值线,z=
21、1.5m,E-2J1H-B型 下中进上回,速度等值线,速度矢量场,瓦斯等值线,四、掘进工作面通风与瓦斯防治技术,四、掘进工作面通风与瓦斯防治技术,掘进巷道局部通风方式选择原则通风阻力小、有效风量大、工作面污染小、工作环境噪声小。,局部通风方式,局部通风机通风是矿井广泛采用的掘进通风方法，按其工作方式分为压入式、抽出式和混合式三种。,压入式通风风流场结构,气流贴着巷壁射出风筒后，由于卷吸作用，射流断面逐渐扩张，直至射流的断面达到最大值，此段称为扩张段，用Le表示；然后，射流断面逐渐减少，直到为零，此段称收缩段，用La表示，在收缩段，射流一部分经巷道排走，另一部分又被扩张段射流所卷吸。从风筒出口至
22、射流反向的最远距离(即扩张段和收缩段总长)称射流的有效射程Ls，在有效射程以外的工作面中会出现涡流区。,抽出式通风掘进面风流场结构,当风筒挂靠巷壁吸风时，风流沿巷道流入工作面，然后折返流入风筒口内，离吸入口越远，流速下降越快。在距风筒口0.5D处，其流速衰减为风筒入口流速的32%；距风筒口1.0D处，则不到9%，故吸风的有效作用范围很小。,混合式局部通风,是指压入与抽出两种通风方式的联合运用，兼有压入式和抽出式两者优点，其中压入式向工作面供新风，抽出式从工作面排出污风。其布置方式如下：,长抽短压（前压后抽）,长压短抽（前抽后压）,混合式通风风流场结构,长抽短压（前压后抽）,长压短抽（前抽后压）
23、,双风筒压入式通风的掘进巷道瓦斯混合均匀性分析,沿掘进巷道长度方向的横截面上瓦斯浓度分布变化趋势,（a）双风筒压入式,压入式风筒出口距迎头 5m抽出式风筒入口距迎头30m,距掘进工作面迎头越远，各个截面上的瓦斯浓度平均值随流程增加而逐渐趋于平缓，这是由于瓦斯随风紊流弥散和扩散的混合作用所致。在距掘进工作面迎头50米范围内长压短抽式通风巷道瓦斯浓度平均值的变化比压入式剧烈，并且在29米处由于抽出式除尘风机的作用显著降低了掘进巷道前方瓦斯的平均浓度，有效防止了瓦斯积聚。巷道沿纵向瓦斯浓度分布标准差都逐渐趋于零，长压短抽式要比压入式更快地趋于零，故该方式更有利于瓦斯的均匀混合。,四、局部通风的风流场
24、,长压短抽式通风方式在29m与52m附近截面处模拟数据为0.48%,0.64%与实测的数据0.54%,0.63%基本吻合。,(b)距掘进头52m,五、矿井通风系统动态可视化实时模拟,造成矿井通风系统的动态变化的因素网络结构及参数的变化：采煤工作面的推进引起的巷道风阻变化巷道的贯通与封闭引起的网络结构变化调节设施的调节参数变化主要通风机工作参数的变化主要漏风通道风阻的变化自然风压的变化,通风模拟可视化内容绘制或读入矿井通风系统图：平面、立体绘制或自动生成矿井通风网络图创建、编辑修改、删除网络节点和分支。矿井通风模拟原始数据显示矿井通风模拟结果数据显示矿井通风系统关键内容着色或加粗显示用风地点（固
25、定风量分支）通风设施，风流方向等。,矿井通风网络基本参数的可视化修正巷道长度变化巷道风阻变化巷道风量变化主要通风机工况变化、调节通风网络的经常性变化：老巷道报废封闭、新巷道贯通等。添加或删除分支、节点。其它方面等等,矿井通风系统（网络）可视化,矿井主要通风机设置及特性曲线,矿井通风可视化模拟软件简介,软件功能：矿井通风系统图和网络图的绘制及管理创建、更新和修改通风系统基础数据库的管理创建、更新和修改通风阻力测量数据处理压差计法、气压计法（基点法、同步法）通风阻力测量平差处理,矿井通风可视化模拟软件简介,矿井通风系统运行状态模拟矿井通风网络风量调节计算矿井通风机工况优化调节计算矿井通风机优化选型矿井通风网络风流敏感性分析计算矿井风温预测计算矿井通风网络中瓦斯扩散运移过程模拟矿井反风模拟等,THE END,谢谢大家,
