高生亮，劉沛瑤

(1.陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727307；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

我國煤炭行業(yè)的安全形勢(shì)依舊不容樂觀，煤礦傷亡事故危害嚴(yán)重，這已成為嚴(yán)重影響煤炭企業(yè)進(jìn)步的大問題。2018年4—5月份仍發(fā)生4起煤礦較大事故。瓦斯爆炸、火災(zāi)事故、煤塵爆炸是造成煤礦井下人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要事故種類[1]，而這些事故都與礦井通風(fēng)息息相關(guān)。在煤礦災(zāi)害中，煤炭自燃是嚴(yán)重影響煤礦安全作業(yè)的重大難題，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流不間斷地為煤自燃輸送足夠濃度的氧氣，這是煤自燃能夠發(fā)生的首要條件。在高瓦斯以及煤與瓦斯突出礦井，漏風(fēng)風(fēng)流對(duì)瓦斯也有極大影響，它從漏風(fēng)源開始將瓦斯運(yùn)送到漏風(fēng)匯聚的地點(diǎn)，出現(xiàn)瓦斯積聚，引起采空區(qū)或上隅角瓦斯?jié)舛鹊纳?，再加上瓦斯升浮效?yīng)的作用，極易使瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸濃度范圍，只要出現(xiàn)火源便非常有可能發(fā)生爆炸，造成損失巨大的井下人員傷亡和設(shè)備損壞[2]。不僅如此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的效率也會(huì)受到漏風(fēng)的極大干擾，增大了煤礦企業(yè)不必要的通風(fēng)投入，同時(shí)還會(huì)給煤礦通風(fēng)管理帶來很多麻煩[3-5]。

從上述分析煤自燃和瓦斯積聚及爆炸發(fā)生的原因和危害可知，不良通風(fēng)嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)和井下工作人員的生命安全。此外，不良通風(fēng)還是造成瓦斯等有毒氣體窒息中毒、煤塵爆炸等災(zāi)害的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

1 通風(fēng)不良導(dǎo)致的災(zāi)害特性

對(duì)煤自燃的所需條件進(jìn)行分析，自燃傾向性是其本質(zhì)屬性，而氧濃度、氧化時(shí)間和蓄熱環(huán)境則與漏風(fēng)息息相關(guān)[6-7]。漏風(fēng)是導(dǎo)致煤自燃的首要因素，漏風(fēng)發(fā)生的地點(diǎn)一般在工作面和采空區(qū)附近，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流不間斷地為煤自燃輸送足夠濃度的氧氣，使其持續(xù)氧化升溫，積聚熱量，其溫度一旦達(dá)到自燃臨界點(diǎn)，采空區(qū)浮煤溫度便迅速增高，逐步發(fā)展變成自燃火源。

漏風(fēng)不僅會(huì)加劇采空區(qū)內(nèi)部浮煤發(fā)生自燃，還會(huì)引起瓦斯分布狀況發(fā)生改變。對(duì)于上行通風(fēng)而言，漏風(fēng)一般從下隅角和工作面下端流向采空區(qū)內(nèi)，瓦斯會(huì)隨著漏風(fēng)風(fēng)流從上隅角與工作面上端流向工作面。在工作面附近由于漏風(fēng)量較大，故而在該區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低；因?yàn)槁╋L(fēng)強(qiáng)度隨著采空區(qū)距工作面距離增大而減小的關(guān)系，瓦斯?jié)舛葧?huì)慢慢變大。而在下行通風(fēng)條件下，當(dāng)工作面通風(fēng)壓力比采空區(qū)的自然風(fēng)壓大時(shí)，在采空區(qū)離工作面距離較近的區(qū)域內(nèi)，漏風(fēng)由上隅角和上部裂隙通道流向采空區(qū)內(nèi)部，再由下隅角和下部裂隙通道流向工作面；而在采空區(qū)離工作面較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，起主要作用的是由與瓦斯?jié)舛炔顚?dǎo)致的擴(kuò)散效應(yīng)，瓦斯逐漸往工作面的方向運(yùn)移，再跟著漏風(fēng)風(fēng)流一起由下隅角和下部裂隙通道流向工作面。

這種由不良通風(fēng)或風(fēng)量異常變化引起的瓦斯積聚乃至爆炸、煤自燃等一系列的災(zāi)害，稱其為通風(fēng)不良性災(zāi)害。其特征表現(xiàn)為：在風(fēng)量需求層面，井下每一用風(fēng)地點(diǎn)都有與之對(duì)應(yīng)的合理用風(fēng)量，在這個(gè)范圍內(nèi)，CO濃度、瓦斯?jié)舛鹊葹?zāi)害指標(biāo)均處于安全的范圍內(nèi)；當(dāng)用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量超過或減少某一閾值時(shí)，就會(huì)引起CO濃度、瓦斯?jié)舛鹊葹?zāi)害指標(biāo)的增加，并達(dá)到發(fā)生事故的基本條件，甚至發(fā)生災(zāi)害。

2 通風(fēng)不良性等級(jí)評(píng)定

2.1 通風(fēng)不良指標(biāo)的確定

通風(fēng)不良所采用的指標(biāo)必須充分反映礦井發(fā)生災(zāi)害的危險(xiǎn)性，根據(jù)通風(fēng)不良性的定義可知，反應(yīng)其危險(xiǎn)程度的指標(biāo)是風(fēng)量、CO濃度和瓦斯?jié)舛?。各指?biāo)在評(píng)判中所占權(quán)重，是根據(jù)各指標(biāo)的改變引發(fā)通風(fēng)災(zāi)害的可能性和各指標(biāo)對(duì)災(zāi)害發(fā)生后造成危害性的嚴(yán)重程度來確定的。

風(fēng)量:《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦井下各用風(fēng)點(diǎn)的供風(fēng)量應(yīng)不小于其實(shí)際需風(fēng)量，且不大于實(shí)際需風(fēng)量的10%。

瓦斯?jié)舛?通風(fēng)巷道中瓦斯的危險(xiǎn)性是用該巷道瓦斯?jié)舛鹊拇笮肀硎镜?，其定義如下式所示[7]

(1)

式中：cs—巷道瓦斯?jié)舛?；qs—巷道瓦斯流量；qf—巷道風(fēng)量。

從上式可以看出，瓦斯積聚是由瓦斯涌出量和巷道風(fēng)量兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，而瓦斯?jié)舛缺闶蔷C合作用的具體體現(xiàn)。不考慮瓦斯涌出量的變化，瓦斯?jié)舛葧?huì)隨著巷道風(fēng)量的減小而增大；同樣也會(huì)隨著風(fēng)量的增大而減小。

CO濃度:CO濃度作為衡量采空區(qū)煤自燃的指標(biāo)，其變化受浮煤厚度、漏風(fēng)量、空隙率等因素的共同作用。CO濃度和漏風(fēng)量之間的關(guān)系很難直接推導(dǎo)出來，可以用擬合的方式通過實(shí)測數(shù)據(jù)來建立函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到預(yù)測不同漏風(fēng)量時(shí)CO濃度的目的，便于通風(fēng)不良危險(xiǎn)性的判定。

2.2 通風(fēng)不良性評(píng)價(jià)體系的建立

統(tǒng)計(jì)2007—2018年10年來我國煤礦企業(yè)發(fā)生的所有重特大安全事故，事故資料的來源主要從中國安全網(wǎng)和國家煤礦安全生產(chǎn)管理總局兩個(gè)官方網(wǎng)站查詢。在查閱現(xiàn)有參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，還查閱了《煤礦安全規(guī)程》等相關(guān)資料。在典型案例分析、文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)煤礦的一線專家和工人進(jìn)行咨詢，在廣泛征求專家意見的基礎(chǔ)上，定義了一套評(píng)價(jià)體系。

將通風(fēng)不良的危險(xiǎn)程度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級(jí)，危險(xiǎn)性隨等級(jí)的增加而增大，Ⅰ級(jí)最低，Ⅴ級(jí)最高。各個(gè)指標(biāo)在通風(fēng)不良性5個(gè)等級(jí)中的取值見表1。

表1 各指標(biāo)在通風(fēng)不良性分級(jí)中的取值表

對(duì)通風(fēng)不良導(dǎo)致的危險(xiǎn)程度等級(jí)劃分時(shí)，很難確定明顯的劃分界限，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ這5個(gè)等級(jí)之間具有模糊性，確定某一指標(biāo)在各個(gè)等級(jí)的取值也帶有模糊性，因此采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行分級(jí)。

設(shè)U={u1，u2}為因素集，V={v1，v2，v3，v4，v5}為決策集，U中各因素的權(quán)重分配為

A={a1，a2}

確定各指標(biāo)在危險(xiǎn)等級(jí)中的隸屬度，由此構(gòu)造出模糊判斷矩陣

將權(quán)重集A輸入模糊關(guān)系矩陣R，可以得到評(píng)判向量

C=A·R=(c1，c2，c3，c4，c5)

c1，c2，c3，c4，c5即為因素集U屬于Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)5個(gè)劃分等級(jí)的隸屬度。按照最大隸屬度原則，根據(jù)c1，c2，c3，c4，c5中的最大值來確定礦井通風(fēng)不良危險(xiǎn)性屬于哪一危險(xiǎn)等級(jí)。

此外，在通風(fēng)不良危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取中，確定了風(fēng)量、瓦斯?jié)舛群虲O濃度3個(gè)指標(biāo)。而運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)時(shí)只運(yùn)用了瓦斯?jié)舛群虲O濃度2個(gè)指標(biāo)，這是因?yàn)轱L(fēng)量對(duì)于其評(píng)價(jià)結(jié)果具有“一票否決權(quán)”。設(shè)煤礦井下各用風(fēng)點(diǎn)的需風(fēng)量為Q0，實(shí)際供風(fēng)量為Q。

Q0≤Q≤1.1Q0

(2)

當(dāng)滿足(2)式時(shí)，該礦的通風(fēng)不良危險(xiǎn)等級(jí)遵循模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。若實(shí)際供風(fēng)量與其需風(fēng)量的關(guān)系為

Q>1.1Q0或Q

(3)

當(dāng)滿足(3)式時(shí)，不論根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)出的結(jié)果是幾級(jí)危險(xiǎn)等級(jí)，直接將該礦的通風(fēng)不良危險(xiǎn)等級(jí)化為最高危險(xiǎn)等級(jí)，Ⅴ級(jí)。

3 風(fēng)網(wǎng)平衡圖分析方法

風(fēng)網(wǎng)平衡圖又名特征圖、壓能圖等，其本質(zhì)是將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的邏輯關(guān)系和各分支的風(fēng)量與風(fēng)阻用矩形塊的形式表現(xiàn)出來，網(wǎng)絡(luò)圖中每條分支均用一個(gè)矩形塊來代替，各矩形塊按照網(wǎng)絡(luò)圖的邏輯關(guān)系來排列。該矩形塊的寬即為該分支的風(fēng)量，該矩形塊的高即為該分支的風(fēng)阻，面積便是該分支的功耗，整個(gè)平衡圖滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓平衡定律和回路風(fēng)量平衡定律[8]。如圖1所示，圖1(a)是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，圖1(b)是與其對(duì)應(yīng)風(fēng)網(wǎng)平衡圖，分支風(fēng)量和阻力見表2。

a-通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖;b-風(fēng)網(wǎng)平衡圖圖1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖和風(fēng)網(wǎng)平衡圖

表2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

3.1 漏風(fēng)與煤自燃

采空區(qū)漏風(fēng)持續(xù)不斷地為浮煤自燃輸送了一定濃度的氧氣，對(duì)煤自燃的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①漏風(fēng)風(fēng)流攜帶有足夠濃度的氧氣，加劇了浮煤的氧化蓄熱過程，引起周圍煤巖體的問題不斷升高，進(jìn)而出現(xiàn)煤自燃現(xiàn)象；②漏風(fēng)風(fēng)流的流動(dòng)，會(huì)帶走一部分煤氧化放熱量，其風(fēng)流的大小與帶走的熱量成正比關(guān)系。

通過風(fēng)網(wǎng)平衡圖分析漏風(fēng)與煤自燃有以下兩種方式。①對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定其漏風(fēng)來源(是內(nèi)部漏風(fēng)還是外部漏風(fēng))。對(duì)于內(nèi)部漏風(fēng)而言，在漏風(fēng)起止巷道間增加一個(gè)矩形塊，表示內(nèi)部漏風(fēng)通道；而針對(duì)外部漏風(fēng)，從平衡圖的最下方到漏風(fēng)匯點(diǎn)處增加一個(gè)矩形塊，表示外部漏風(fēng)通道，矩形塊的寬度為漏風(fēng)量，高度為漏風(fēng)風(fēng)阻；②水平線繪制工作面采場的漏風(fēng)源、匯點(diǎn)圖，該圖由采空區(qū)邊界線和漏風(fēng)源、匯點(diǎn)的位置確定，再用水平線把漏風(fēng)源、匯點(diǎn)和平衡圖中矩形塊所處位置連接起來，這就構(gòu)成采空區(qū)漏風(fēng)源、匯點(diǎn)的能量分布圖。水平線的高低表示的是漏風(fēng)源或匯能量的大小，水平線便被稱作能量線。同時(shí)，每兩條能量線均有與之對(duì)應(yīng)的漏風(fēng)量和采空區(qū)CO濃度，將漏風(fēng)量和CO濃度標(biāo)注在能量線之間，更能直觀的表示漏風(fēng)對(duì)煤自燃的影響。

以圖1和表2的數(shù)據(jù)為例，e8為進(jìn)風(fēng)巷，e9為回風(fēng)巷。該工作面為外部漏風(fēng)，漏風(fēng)量為10 m3·min-1，采空區(qū)CO濃度為7×10-7，則對(duì)應(yīng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)注漏風(fēng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖

在圖2中，分支e11即為該通風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)通道。在現(xiàn)場實(shí)際中，完全杜絕漏風(fēng)是不太可能的，但是可以通過控制漏風(fēng)量來降低自燃危險(xiǎn)性，不同漏風(fēng)量對(duì)應(yīng)的CO濃度可以通過擬合出的曲線得出。通過繪制不同漏風(fēng)量對(duì)應(yīng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖，最終得出自然危險(xiǎn)性最小的漏風(fēng)量。

3.2 風(fēng)量與瓦斯積聚

瓦斯積聚是由巷道中瓦斯涌出量和其風(fēng)量兩個(gè)因素相互作用決定的，而瓦斯?jié)舛燃礊檫@種作用的具體體現(xiàn)。若瓦斯涌出量的變化較小，瓦斯?jié)舛葧?huì)隨著巷道風(fēng)量的增大而降低，同樣也會(huì)隨著其風(fēng)量的減小而升高。風(fēng)網(wǎng)平衡圖中矩形塊的寬度表示該巷道的風(fēng)量，該矩形塊寬度的變化一定會(huì)引起瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)平衡圖表示瓦斯積聚，先根據(jù)礦井瓦斯?jié)舛确秶L制標(biāo)色板，不同顏色代表不同濃度范圍，然后將每條巷道的顏色在風(fēng)網(wǎng)平衡圖中表示出來，巷道不同風(fēng)量對(duì)應(yīng)不同瓦斯?jié)舛?，在風(fēng)網(wǎng)平衡圖中表現(xiàn)為矩形塊寬度變化引起矩形塊顏色變色，如圖3所示，從風(fēng)網(wǎng)平衡圖上可以看到全礦井的瓦斯?jié)舛确植紶顩r。

a-風(fēng)網(wǎng)平衡圖(表3)；b-風(fēng)網(wǎng)平衡圖(表4)圖3 風(fēng)網(wǎng)平衡圖瓦斯?jié)舛仁疽鈭D

以圖1和表2的數(shù)據(jù)為例，各巷道瓦斯?jié)舛纫姳?。

表3 瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)表

當(dāng)?shù)V井總風(fēng)量變化時(shí)，各個(gè)分支風(fēng)量要重新分配，分配結(jié)果會(huì)與原風(fēng)量出現(xiàn)差異，這個(gè)變化會(huì)引起瓦斯?jié)舛鹊母淖?。?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)量變化后的瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)表

圖3(a)為表3對(duì)應(yīng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖，圖3(b)為表4對(duì)應(yīng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖。由圖可知，由于礦井巷道風(fēng)量的變化，平衡圖中各矩形塊的寬度也隨之變化。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)，矩形塊e8、e9、e10的顏色發(fā)生了改變，這是因?yàn)橄锏里L(fēng)量的降低引起了瓦斯?jié)舛鹊脑黾?。運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)平衡圖表示瓦斯?jié)舛?，可以直觀的從圖上看到瓦斯?jié)舛仁茱L(fēng)量變化的影響。

運(yùn)用上述方法對(duì)通風(fēng)不良危險(xiǎn)性分析后，再運(yùn)用建立的通風(fēng)不良危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系的方法對(duì)其進(jìn)行通風(fēng)不良危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)定，根據(jù)不同漏風(fēng)量條件下其通風(fēng)不良危險(xiǎn)性等級(jí)來驗(yàn)證運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)平衡圖分析通風(fēng)災(zāi)害的合理性。

4 結(jié)論

(1)定義了通風(fēng)不良性特征。以風(fēng)量、瓦斯?jié)舛扰cCO濃度作為通風(fēng)災(zāi)害的指標(biāo)，將通風(fēng)不良時(shí)風(fēng)量與瓦斯、自燃火災(zāi)聯(lián)系起來。

(2)對(duì)通風(fēng)不良性導(dǎo)致災(zāi)害的指標(biāo)按危害程度大小劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)5個(gè)等級(jí)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了通風(fēng)不良性評(píng)價(jià)體系，根據(jù)最大隸屬度原則，將災(zāi)害危險(xiǎn)性按不同危險(xiǎn)程度劃分，危險(xiǎn)程度隨著等級(jí)的增高而增加。

(3)運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)平衡圖為工具，對(duì)煤自燃通風(fēng)不良效果進(jìn)行分析。通過繪制不同漏風(fēng)量所對(duì)應(yīng)的風(fēng)網(wǎng)平衡圖，得出自然危險(xiǎn)性最小的漏風(fēng)量；對(duì)于瓦斯災(zāi)害，若瓦斯涌出量的變化較小，瓦斯?jié)舛葧?huì)隨著巷道風(fēng)量的增大而降低，同樣也會(huì)隨著其風(fēng)量的減小而升高。風(fēng)網(wǎng)平衡圖中矩形塊的寬度表示該巷道的風(fēng)量，該矩形塊寬度的變化一定會(huì)引起瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>