張福國

摘 要：我國煤炭資源儲量豐富，煤礦資源又是我國工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的主要燃料能源，因此，煤礦開采行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。在煤炭開采作業(yè)中，由于開采作業(yè)環(huán)境本身極具危險(xiǎn)性，因此要想提高煤炭開采質(zhì)量和效率，最為首要的問題就是如何有效降低開采作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性，保障開采人員的人身安全。在開采作業(yè)環(huán)節(jié)，煤層結(jié)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)常由于氧氣濃度過高而引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象，這與煤層本身的深度和礦井通風(fēng)不良有直接的關(guān)系。每年，由煤層自然發(fā)火現(xiàn)象引起的人員傷亡事故不在少數(shù)，同時(shí)也給煤礦開采企業(yè)帶來了不小的經(jīng)濟(jì)損失，社會影響極為惡劣。為此，企業(yè)應(yīng)該在煤礦開采過程中注意對礦井通風(fēng)系統(tǒng)對維護(hù)和優(yōu)化，從根源上防止煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的發(fā)生。文章就對引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的原因以及通風(fēng)系統(tǒng)中常見的問題進(jìn)行了深入分析，并重點(diǎn)提出了改良通風(fēng)系統(tǒng)對幾點(diǎn)措施，旨在降低煤炭開采安全事故發(fā)生的幾率。

關(guān)鍵詞：自然發(fā)火；作用機(jī)理；巷道破裂；風(fēng)壓風(fēng)速

礦井開采作業(yè)深處地下，其環(huán)境的惡劣性被人們所熟知，井下作業(yè)環(huán)境極具復(fù)雜性，空氣污濁潮濕，粉塵濃度較大，甚至伴隨有有害物質(zhì)的產(chǎn)生，而且還極易導(dǎo)致由于空氣流通不暢所引發(fā)的煤層自然發(fā)火現(xiàn)象，嚴(yán)重危及到井下開采人員生命安全。在礦井中設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效緩解上述問題，礦井通風(fēng)系統(tǒng)通常被視作礦井開采作業(yè)的核心安全系統(tǒng)，在礦井開采作業(yè)中擔(dān)負(fù)著重要任務(wù)。首先，它能夠有效的利用通風(fēng)設(shè)備將井下的污濁氣體與外界的空氣進(jìn)行有效的替換，有助于礦井內(nèi)部的空氣流通，滿足人員的氧氣供應(yīng)需要；其次，還可以有效的將井下有毒有害的物質(zhì)排放到井外，為作業(yè)人員提供了較為安全的作業(yè)環(huán)境；最為重要的是，科學(xué)的進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)還能夠有效避免井下氧氣濃度過于集中而引發(fā)的煤層自然發(fā)火事故，開采人員的安全，降低了煤礦開采事故的發(fā)生率。目前在煤礦開采行業(yè)，所面臨的主要問題不是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置數(shù)量不足，而是由于系統(tǒng)建設(shè)缺乏科學(xué)性而使得其功能無法有效發(fā)揮，因此，企業(yè)要進(jìn)一步加大礦井通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)力度，并采取各種方法不斷優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其真正為保障開采作業(yè)的安全做出貢獻(xiàn)。

1 引發(fā)煤層自然發(fā)火的構(gòu)成要件

開采作業(yè)環(huán)節(jié)中，容易引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為如下幾種：其一，與煤層開采的深度有關(guān)。煤層自然發(fā)火現(xiàn)象多發(fā)生于深度井下開采環(huán)節(jié)，這是由于在淺層開采時(shí)，煤層開采對于風(fēng)量和風(fēng)壓的要求較低，其內(nèi)部溫度也不高，所以基本不會引發(fā)爆燃事故。但隨著開采深度的加深，煤層自身的溫度不斷提高，且深層礦井的風(fēng)量和風(fēng)壓都相對較高，會產(chǎn)生大量瓦斯物質(zhì)，而與此同時(shí)礦井深層的空氣流通不好，氧氣含量過于集中，一旦瓦斯物質(zhì)聚積到一定程度，就會發(fā)生嚴(yán)重的爆燃事故。其二，煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的發(fā)生還與煤層本身的內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。煤層開采作業(yè)會對地下煤層結(jié)構(gòu)造成極為嚴(yán)重的破壞，打破了其原有的堅(jiān)固性，使煤層間結(jié)構(gòu)變得松散，煤層本身的氧化狀況加重，積累到一定程度就會引發(fā)自燃。另外，由于煤層開采深度不斷加深，使得井下與地面的通風(fēng)路徑相對延長，進(jìn)入礦井深層的風(fēng)量就被大大削弱，相對而言，井底壓力則大幅增加，為煤層自然發(fā)火間接的創(chuàng)造了條件。

2 影響井下風(fēng)壓發(fā)生變化的原因分析

風(fēng)壓的發(fā)生原理主要是由于進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口通道之間的空氣氣流差異所產(chǎn)生的風(fēng)壓差，導(dǎo)致風(fēng)壓差出現(xiàn)變化的因素主要包括開采作業(yè)深度的變化，環(huán)境溫度的變化以及通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

3 風(fēng)壓變化引發(fā)煤層自然發(fā)火現(xiàn)象的作用機(jī)理

引起風(fēng)壓發(fā)生變化的因素有很多種，其中，季節(jié)性因素變化對于風(fēng)壓變化所帶來的影響十分明顯。在季節(jié)交替過程中，風(fēng)壓會受到外部對流環(huán)境的影響而改變風(fēng)向和風(fēng)速，使得風(fēng)壓發(fā)生明顯變化。

3.1 風(fēng)壓與環(huán)境溫度和開采深度之間的關(guān)系。風(fēng)壓會隨著開采作業(yè)的環(huán)境溫度變化而有所改變，在煤礦開采作業(yè)初期，是淺層煤礦挖掘作業(yè)，此時(shí)煤層的內(nèi)部溫度還處于較低狀態(tài)，但隨著開采作業(yè)的繼續(xù)，煤層開采深度逐漸增加，越到深層其內(nèi)部溫度變化就越為明顯，溫度上升幅度也隨著煤層挖掘深度而逐層遞加，同時(shí)，礦井深層的通風(fēng)量呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，使得礦井底部的流通性降低，溫度因素和流通性因素相結(jié)合就使得風(fēng)壓發(fā)生較為顯著的變化。

風(fēng)壓變化導(dǎo)致的自然發(fā)火現(xiàn)象還與煤層挖掘過程中的氧化程度有關(guān)，煤層挖掘深度的增加使得開采作業(yè)對于煤層結(jié)構(gòu)的破壞力也大大增加，不僅破壞的其原有的內(nèi)部構(gòu)造，而且還加大了煤層結(jié)構(gòu)的空隙，增加了煤層結(jié)構(gòu)的受氧化面積，為自然發(fā)火現(xiàn)象創(chuàng)造了氧化條件。要想降低風(fēng)壓變化對煤層開采作業(yè)安全性的影響，就必須全方位了解風(fēng)壓的變化趨勢，將開采作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性控制在源頭。

3.2 由巷道破裂引發(fā)的自然發(fā)火事故在煤炭開采事故中占據(jù)相當(dāng)大的比例。巷道自然發(fā)火較其他原因引起的自然發(fā)火現(xiàn)象而言，更具事故發(fā)生原因的隱蔽性，同時(shí)在日常開采過程中也較難察覺，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，就會對人員和開采設(shè)備造成極大的危害。對于引發(fā)巷道火災(zāi)的原因主要包括以下幾方面。首先，巷道發(fā)生火災(zāi)的地方多具有易燃物質(zhì)的殘留，例如煤炭或者巷道本身的構(gòu)建材料；其次，巷道破裂處往往會破壞原有的礦井結(jié)構(gòu)平衡，使得局部壓力突然增大，進(jìn)而加劇了巷道破損和開裂的面積，而一旦出現(xiàn)大面積巷道破損，就會直接導(dǎo)致煤層暴露面積增加，使其氧化程度加重，也就更容易發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象；再次，巷道破損會直接加重煤層漏風(fēng)狀況，空氣流通量增加滿足了自然發(fā)火的氧化條件，極易引發(fā)自然發(fā)火事故。要想解決由巷道破損原因所引起的自然發(fā)火事故，就必須加強(qiáng)巷道建設(shè)管理，對巷道經(jīng)常進(jìn)行安全性減產(chǎn)，并注意對巷道結(jié)構(gòu)的維護(hù)，避免因巷道環(huán)境變化造成的風(fēng)壓差變化。

3.3 自然風(fēng)壓極易受到礦井通風(fēng)地點(diǎn)的影響，因此，在通風(fēng)地點(diǎn)和系統(tǒng)建設(shè)環(huán)節(jié)要注意與礦井風(fēng)壓特點(diǎn)的配合。首先，要尤其注意開采區(qū)域的季節(jié)變化特點(diǎn)，根據(jù)其季節(jié)變化趨勢對風(fēng)壓狀況做出科學(xué)的判斷和預(yù)測。對可能造成風(fēng)壓變化的開采設(shè)備的使用和管理要嚴(yán)格按照操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，避免因設(shè)備操作不當(dāng)引發(fā)的風(fēng)壓變化情況的發(fā)生。對于巷道損壞區(qū)域要及時(shí)予以維修，以降低漏風(fēng)情況發(fā)生的概率。其次，在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)環(huán)節(jié)，要充分考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓環(huán)境的變化特點(diǎn)，盡量使系統(tǒng)排風(fēng)方向與風(fēng)壓方向相一致，同時(shí)還要合理布置進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的位置。要根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓變化特點(diǎn)，對開采設(shè)備進(jìn)行合理的功能調(diào)整，當(dāng)風(fēng)壓突然增強(qiáng)時(shí)，要采取有效方法進(jìn)行風(fēng)壓的控制，使其回歸到正常范圍之內(nèi)。在自然發(fā)火高發(fā)區(qū)域，要重點(diǎn)加強(qiáng)風(fēng)壓管理，時(shí)刻監(jiān)測自然風(fēng)壓的動向。

4 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的具體實(shí)施方案

4.1 優(yōu)化礦井通風(fēng)結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

在礦井通風(fēng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以綜合多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的合理選擇。例如，可以采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方式可以最大程度的縮短通風(fēng)系統(tǒng)的路徑，降低風(fēng)壓和風(fēng)速，進(jìn)風(fēng)阻力也可以控制在合適的范圍內(nèi)，同時(shí)也降低了漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生的幾率，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。礦井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要盡量簡潔并降低系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。對于通風(fēng)系統(tǒng)的管理可以采取分區(qū)原則，使各個(gè)開采區(qū)域相獨(dú)立，有利于風(fēng)險(xiǎn)的分散，一旦發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象，更加有利于火災(zāi)撲救，同時(shí)火災(zāi)也不會波及其他開采區(qū)域，確保了開采作業(yè)的安全性。在進(jìn)行深層煤炭開采作業(yè)時(shí)，要對容易發(fā)生自然發(fā)火的重點(diǎn)區(qū)域采取有效的風(fēng)壓風(fēng)阻控制措施，在保證空氣流通性的同時(shí)將風(fēng)壓控制在合理范圍內(nèi)，杜絕一切可以引發(fā)自然的氧化條件。

4.2 科學(xué)的對通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行選擇和安裝

風(fēng)路中安設(shè)風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗和密閉后，其上風(fēng)側(cè)壓力升高，下風(fēng)側(cè)壓力降低，客觀存在著局部風(fēng)壓差，且設(shè)施的隔風(fēng)程度越好則產(chǎn)生的局部風(fēng)壓差越大，即h密閉>h風(fēng)門> h調(diào)節(jié)風(fēng)門。選擇通風(fēng)設(shè)施類型時(shí)，應(yīng)根據(jù)要求的隔風(fēng)程度和所處巷道供風(fēng)量的變化范圍合理選定，以在一定程度上進(jìn)行卸壓，最大限度地降低通風(fēng)設(shè)施上下側(cè)的局部壓力差，減少其周邊的漏風(fēng)強(qiáng)度和深度。若選擇密閉時(shí)，則應(yīng)盡可能地保證其密封性，使該處的風(fēng)阻無限大，讓兩側(cè)間的漏風(fēng)量趨近于0。通風(fēng)設(shè)施若建于煤巷時(shí)，受礦壓不斷發(fā)生動態(tài)變化的影響，周圍煤體不僅會產(chǎn)生裂隙，而且裂隙隨著時(shí)間的推移會不斷向煤體深部發(fā)育加深。當(dāng)風(fēng)門兩側(cè)的局部風(fēng)壓差達(dá)到一定程度，向其周邊煤體裂隙的漏風(fēng)供氧強(qiáng)度適中，碎煤體因氧化而產(chǎn)生的熱量大于放散的熱量時(shí)，就開始蓄積熱量，煤溫升高，氧化速度加快，達(dá)到燃點(diǎn)后便開始燃燒。并且，當(dāng)風(fēng)門建于進(jìn)風(fēng)煤巷時(shí)，在礦井通風(fēng)負(fù)壓的作用下，其下風(fēng)側(cè)任意兩點(diǎn)間的壓差值將可能增大，容易誘發(fā)其他巷道周圍破碎煤體氧化積熱而發(fā)火。因此，能設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)門的應(yīng)盡可能設(shè)置，且風(fēng)門或調(diào)節(jié)風(fēng)門應(yīng)盡可能設(shè)置在回風(fēng)側(cè)的巖巷中，以降低風(fēng)門兩側(cè)或風(fēng)門下風(fēng)側(cè)煤巷任意兩點(diǎn)間的風(fēng)壓差和漏風(fēng)范圍，防止向其周圍破碎煤體呈一定強(qiáng)度的連續(xù)漏風(fēng)而快速氧化積熱發(fā)火。

2000年以前，某煤礦對通風(fēng)設(shè)施的類型和建造位置認(rèn)識不夠，風(fēng)門兩側(cè)及其下風(fēng)側(cè)煤巷周圍破碎煤體的自燃現(xiàn)象十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該類火災(zāi)占巷道發(fā)火次數(shù)的35.75%以上。2000年以來，該礦充分意識到該問題后，對風(fēng)門類型和建造位置認(rèn)真選擇、建造后，該類火災(zāi)大幅降低。由近10年來的統(tǒng)計(jì)資料可知，該類火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)僅占巷道自燃火災(zāi)的18.96%。

4.3 采取有效措施降低風(fēng)速，并合理改變風(fēng)向

由于風(fēng)流在礦井巷道中始終處于被壓縮狀態(tài)，受流體和氣體分子自身固有特性的影響，客觀存在著“反壓縮膨脹”作用，加之巷道壁面凸凹、粗糙不平以及巷中生產(chǎn)設(shè)備占用巷道空間等所產(chǎn)生的局部風(fēng)壓的共同作用，風(fēng)流勢必膨脹后向其周邊破碎煤體裂隙連續(xù)漏風(fēng)供氧。

當(dāng)漏風(fēng)速率適中，破碎煤體的氧化活性得到充分激活，受漏風(fēng)流流態(tài)攜散熱性能不好的制約，生成的熱量遠(yuǎn)大于散失的熱量時(shí)，發(fā)生自燃的幾率增大。尤其是風(fēng)速達(dá)到或超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的風(fēng)速上限時(shí)，向巷道周邊破碎煤體的擴(kuò)散滲流漏風(fēng)強(qiáng)度和深度隨“反壓縮膨脹”作用增強(qiáng)而加大，達(dá)到一定程度后，不僅高冒區(qū)周圍或地質(zhì)構(gòu)造帶附近的碎煤體出現(xiàn)自燃，而且，可誘發(fā)高冒區(qū)破裂煤體發(fā)生高位自燃。因此，適中的風(fēng)流速度，對防止巷道周邊煤體的發(fā)火有很好的促進(jìn)作用。某煤礦在巷道支護(hù)改革以前，由于受礦壓顯現(xiàn)劇烈、純剛性支護(hù)耐壓性較差的影響，巷道通風(fēng)斷面收縮變形嚴(yán)重，風(fēng)速達(dá)到或超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的上限，巷道周圍碎煤體的自燃現(xiàn)象嚴(yán)重。特別是巷頂碎煤體的發(fā)火比較普遍，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，其發(fā)火次數(shù)占巷道火災(zāi)的63.42%。支護(hù)工藝和方式改革后，耐壓程度大幅提高，巷道受壓流變、收縮程度減弱，風(fēng)速穩(wěn)定在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定上限的60%～80%以內(nèi)，發(fā)火現(xiàn)象下降了72.18%。這說明：適宜的風(fēng)速對向巷道周邊碎煤體的擴(kuò)散漏風(fēng)而誘發(fā)自燃有較強(qiáng)的預(yù)防作用。

4.4 分析風(fēng)壓變化規(guī)律并有效加以利用

氣候?qū)ΦV井通風(fēng)壓力的影響，主要是自然風(fēng)壓方面。自然風(fēng)壓作為礦井通風(fēng)的次要動力，隨著季節(jié)的不同對礦井機(jī)械風(fēng)壓的影響趨勢存在差異。礦井進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)兩側(cè)空氣柱的高度和平均密度是影響礦井自然風(fēng)壓的2種因素，而空氣柱的平均密度主要決定于空氣的密度。由于進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣柱的平均密度隨地面四季氣溫而變化，出風(fēng)側(cè)空氣柱的平均密度常年基本不變，致使礦井的自然風(fēng)壓會發(fā)生幅度較大的季節(jié)性變化。春冬季節(jié)，自然風(fēng)壓和機(jī)械風(fēng)壓的作用方向相同。而夏季和秋季，則與機(jī)械風(fēng)壓的作用方向相反。尤其是進(jìn)、出風(fēng)口高差大的礦井，自然風(fēng)壓隨季節(jié)的變化對機(jī)械風(fēng)壓的影響比較明顯，甚至在春夏或秋冬換季期間發(fā)生晝夜變化。對于正常生產(chǎn)的礦井而言，在風(fēng)阻基本不變的前提下，自然風(fēng)壓隨季節(jié)的變化將造成礦井風(fēng)量發(fā)生相應(yīng)的增減。這種變化進(jìn)入穩(wěn)定期后，對煤層自然發(fā)火影響不大。

但處于氣溫變化頻繁且幅度較大的春夏或秋冬交季期間，礦井通風(fēng)壓力和風(fēng)量隨之發(fā)生相應(yīng)的波動，向通風(fēng)巷道頂、幫破碎煤體的漏風(fēng)也發(fā)生頻繁變化，致使煤體的氧化范圍和蓄熱環(huán)境不穩(wěn)定，既忽大忽小又頻繁變化，極易誘發(fā)自然發(fā)火。季節(jié)的變化，將造成空氣中水蒸氣的含量不同。冬春季，地面溫度低于井下，風(fēng)流流經(jīng)巷道后，溫度升高，容納水分的能力增大，會吸納巷道周邊的水分而使風(fēng)流的含水量增大或達(dá)到飽和狀態(tài)，漏向巷道頂幫破碎煤體風(fēng)量的水分將隨之增大。碎煤體氧化放熱后，由于水分被蒸發(fā)需吸收熱量，直至水分散失完畢才可進(jìn)入干餾階段。因此，可延長煤的自然發(fā)火期，減少自然發(fā)火的可能性，從而有利于煤層自燃的防治。反之，則有利于煤層自然發(fā)火。某煤礦進(jìn)、回風(fēng)井間的高差在25m，自然風(fēng)壓平均160～220Pa，對礦井機(jī)械風(fēng)壓的影響較大。風(fēng)流中的含水量年變化幅度超過60%，其對煤層自然發(fā)火的影響比較明顯。據(jù)1997年以來的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：地面溫度變化頻繁且幅度較大的季節(jié)交合期間，巷道自然發(fā)火的比例平均為67.2%～74.6%。但適時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)后，巷道自然發(fā)火的比例降低到23.1%～31.7%。

5 結(jié)束語

煤炭開采行業(yè)為人們正常的生產(chǎn)生活提供了強(qiáng)大的能源支持，是我國能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，與此同時(shí)，人們對于煤炭開采過程中出現(xiàn)的安全責(zé)任事故也倍加關(guān)注，近些年來，由于煤礦通風(fēng)系統(tǒng)老舊失修，通風(fēng)不暢引發(fā)的煤層自燃事故屢屢發(fā)生，為煤炭開采的安全性埋下了隱患，為了有效降低煤炭開采的事故發(fā)生率，對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是企業(yè)的首選方案，事實(shí)證明，對于通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可以有效遏制由于煤層自然發(fā)火所導(dǎo)致的安全事故，提高了煤礦開采作業(yè)的安全性。

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