第四章 局部积聚瓦斯防治技术.doc

第四章 局部积聚瓦斯防治技术 防治局部瓦斯积聚是矿井日常通风瓦斯管理的重要工作，也是预防瓦斯爆炸事故，保证安全生产的关键。 井下易于局部积聚瓦斯的地点包括停风盲巷、采煤工作面上隅角、采煤机附近、低风速巷道顶板附近、顶板冒落孔洞以及发生瓦斯喷出的地点等。处理局部积聚瓦斯的方法，归纳起来，主要有提高风速、密闭隔离和抽排瓦斯三类。 在“八五”、“九五”期间，针对停风盲巷和采煤工作面的局部瓦斯积聚问题，进行了研究，研制了盲巷排瓦斯用的排瓦斯筒。为了处理采煤工作面上隅角瓦斯的局部积存，研制了适合抽放采空区瓦斯埋管用的轻质菱镁抽放管和抽放瓦斯自动监控装置、小型液压风机和脉动风机等配套设备。并大力推广了井下移动泵站抽放局部积聚瓦斯的技术和装备。 第一节 回采工作面上隅角积聚瓦斯处理技术 上隅角作为整个工作面采空区的漏风汇合处，极易形成瓦斯积聚，目前已成为威胁矿井安全生产的痼疾。特别是近几年，由于工作面上隅角瓦斯超限所引起的瓦斯爆炸恶性事故，有所增加。因此，采取安全、经济、有效的措施把上隅角瓦斯浓度稳定地降到煤矿安全规程规定值以下，是目前亟待解决的问题。“九五”期间研制成功了多种处理回采工作面上隅角瓦斯积聚的装置。 一、脉动通风技术治理上隅角瓦斯积聚 脉动通风技术就是利用风流的紊流扩散系数与风流脉动特性相关的理论，研制的一套技术可靠、经济合理且实用的脉动风机。在正常通风风流中叠加脉动风流，从而增加风流的紊流扩散系数，提高风流驱散局部积聚瓦斯的能力，从根本上解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题。 脉动通风机的基本组成针对脉动通风机运行环境的特殊安全要求，在其动力方面考虑采用气压或液压为动力源。由于综采工作面都有配套的乳化液泵站，因此对于综采工作面确定采用高压乳化液作为动力源，这样也可简化装置的动力系统。在叶轮材质方面，选用具有“双抗” （抗静电和阻燃）性能的高强度工程塑料。 脉动风流的发生方式为风机体旋转，在风机体周围获得脉动风流。 脉动通风机主要由以下部分组成1.液压动力源；2.执行元件（液压马达）；3.控制元件（包括各种压力、流量、方向控制阀及其它各种控制元件）；4.辅助装置（滤油器及冷却器、压力表及管道、管接头等）。 图2-4-2-1所示为矿用液压双旋转通风机的系统组成框图.整个系统包括将流体压力能转换为机械能并完成作功动作的液压马达,控制乳化液的压力、流量及运动方向的各种阀组，以及压力表、液压管等其它辅助装置。 图2-4-2-1 矿用液压双旋转脉动局部通风机系统框图 其工作原理为由乳化液泵来的乳化液经过手动阀后，分成二路，分别经过减压阀供给叶片旋转马达和机体旋转马达。液压叶片旋转马达带动通风机叶片旋转，产生定常射流；同时风机体旋转，在其周围转化成环绕脉动风流。脉动风流的风量和脉动频率可通过液压控制阀组实现无级调节。 该通风机主要特性⑴ 乳化液动力源和双抗（抗静电和阻燃）工程塑料叶轮，具有可靠的无火花防爆性能，可在有矿井瓦斯或可燃气体爆炸危险的通风工程中使用；⑵ 液压马达驱动叶轮和机体，产生双旋转脉动射流，不仅有效射程长，冲淡瓦斯的扩散系数高，而且还有对瓦斯仓储区的柔性排放效应等特性，特别适合于采煤工作面上隅角瓦斯积聚的有效治理或类似的目的；⑶ 网式开放与螺式封闭巧妙结合的防护笼体，不仅提高了脉动通风的效果，而且对作业人员的安全和健康具有保护作用。 脉动通风机的主要技术参数为⑴ 风量40-90m3/min（无级调节）；⑵ 脉动风机旋转频率0.5-2Hz（无级调节）；⑶ 叶轮外径505mm;⑷ 液压压力20Mpa；⑸ 有效作用距离20m；⑹ 整机重量65kg。脉动通风机由中国矿业大学研制生产。 二、抽出式无火花风机治理上隅角瓦斯积聚 ㈠ 技术原理和主要结构 1. 主要结构 “GDS-1型瓦斯自动排放系统”排放上隅角积聚瓦斯时，其主要由下列部分构成2个瓦斯传感器、控制装置、调节风门、吸风器、无火花风机和若干风筒。 2. 技术原理 工作原理是当用该风机排放上隅角积聚瓦斯时，对风筒内瓦斯浓度进行实时监测，自动控制调节“掺新”风量，在保证安全的前提下，实现最大的排放功率。 “GDS-1型瓦斯自动引排系统”的工作原理和主要结构组成如下图2-4-2-2所示。 图2-4-2-2 GDS-1型瓦斯自动引排系统排放上隅角积聚瓦斯示意图 抽出式风机为排放上隅角瓦斯提供动力。上隅角的高浓度瓦斯经吸风器X进入硬质风筒Y，双级传感器T1、T2检测经过调节风门k调节“掺新风”后风筒内的瓦斯浓度值。控制装置D接收到传感器的浓度信号后，控制装置D内的单片微机根据瓦斯浓度的变化值和最大值来确定调节风门K开或关以及开关角度的大小，并给出控制指令到控制装置D中驱动器，驱动器驱动电机转动，实现对调控风门K的开关和开关角度的大小，从而改变“掺新风”的风量，使排放瓦斯风筒内瓦斯浓度不超过安全控制限，并保证最大排放效率。 整套系统检测、调节、控制全部实现智能化，具有安装使用方便，结构简单紧凑等优点。 ㈡ 主要技术指标 该系统可以达到对回采工作面上隅角积聚瓦斯的安全、可靠、高效自动快速排放，完全满足煤矿安全规程和有关规定，其主要技术指标如下 控制风筒内瓦斯浓度 2.5-2.8 电机输入电源电压 380VAC 控制箱传感器最大挂接数 四路 瓦斯监测浓度范围 0-4 防爆形式 dibI（150℃） 该产品由煤炭科学研究总院重庆分院研制生产。 三、小型液压风扇治理上隅角瓦斯积聚 ㈠ 结构 小型液压风扇驱动力来源于液压泵站，运转状况受控于中心监控装置。 小型液压风扇由WCF-1型中心控制处理器（含KGJ7型甲烷传感器）、液压泵站和小风扇三部分组成（见图2-4-2-3）。 图2-4-2-3 液压风扇处理上隅角瓦斯积聚装备 1-中心控制处理器 2-液压泵站 3-小风扇 小风扇为轴流式，由进口集流器和风筒体两部分组成。为使进气速度场均匀，提高风扇效率，进口集流器加工成圆弧形，其内设有半圆球形的整流罩和导叶片；风筒体由叶轮和芯筒两部分组成，油压马达安设在芯筒内，并通过联轴节同风扇叶轮相连，芯筒与风筒体内壁之间设有7片导叶片。在材料选择上，风扇的风筒体含导叶片、进口集流器及叶轮等全部采用阻燃抗静电玻璃钢制作，以减轻风扇的重量，同时避免摩擦火花的产生；在驱动力上，风扇采用CMK-04型齿轮马达驱动，额定转数为2800r/min；在结构型式上，风扇采用轴流式结构，叶片为孤立扭曲机翼型。 液压泵站是向风扇的油马达提供压力油以驱动风扇旋转的液压传动系统。主要由齿轮泵、网式滤油器、节流阀、溢流阀、两位四通电磁阀、马达、油箱和电动机等组成。采用两位四通电磁阀控制液压油流向，在其未通电时，液压系统空载，油液经两位四通电磁阀直接回油箱，保证有效降低温升，减少能耗；当电磁阀通电而导通后，液压油经电磁阀驱动马达，带动风扇转动；采用溢流阀来调压回路，确保过载泄流，起到安全保护作用；速度调节采用旁路节流来控制油马达转数和系统工作压力，从而形成了在一定工作压力和流量下的开式循环系统。 中心控制处理器采用89c51单片机作为中心处理单元，通过外围电路的扩展构成完整的监控应用系统。其包括4路模拟输入和5路开关输出；配有5 路本安电源，可分别向传感器和报警系统供电；5路信号自动转换电路和5 位数码显示及报警电路；配有5 个继电器接点，输出的信号可控制磁力开关，配备低浓度瓦斯传感器。 ㈡ 工作原理 自控液压风扇分为中心监控装置和执行装置两部分，中心监控装置包括中心控制处理器和瓦斯传感器，执行装置包括小型液压风扇和液压动力系统前已述及。中心监控装置的工作原理是放置在工作面上隅角的瓦斯浓度传感器实时检测瓦斯浓度，并将检测到的浓度信号转变为模拟电信号传到中心控制处理器，经中心处理单元对检测到的模拟信号进行处理判断，发出指令，控制继电器开启与闭合，实时控制液压风扇。当瓦斯浓度超限时，风扇启动，吹散上隅角的积聚瓦斯；待瓦斯浓度降低至安全界限时，风扇即自动停止。 ㈢ 主要技术指标 防爆类型 隔爆兼本安型[EXdibI.150℃] 工作电源 380V／660V 测量范围 0～4％CH4 容 量 4路模拟输入量／5路开关输出量 模拟量输入 200～1000Hz或1～5mA 风扇风量 60m3/min 风扇风压 500Pa 工作环境 温度 0～40℃ 湿度 ≤98％ 气压 85～110Kpa 四、移动式瓦斯抽放泵处理上隅角瓦斯 ㈠ 移动泵抽放系统布置 移动式抽放瓦斯泵抽放上隅角瓦斯的布置如图2-4-2-5所示。移动泵设在工作面回风巷与采区回风巷的交叉处（处于新鲜风流中），抽放管（直径226mm）沿工作面回风巷布置，抽出的瓦斯排至采区回风巷。 图2-4-2-5 工作面移动泵抽放系统布置图 ㈡ 移动式瓦斯抽放泵系列 产品符合矿用防爆设备制造的有关规程要求，具有结构合理、体积小、安装、操作方便、运行可靠等特点，同时还具有抽放参数、环境瓦斯浓度及供水自动监测及显示，能实现供水异常断电及环境瓦斯浓度超限报警、断电等功能。 该产品不仅用于抽排上隅角瓦斯，还可用于矿井局部或临时的治理瓦斯（超限及突出）装备，以弥补矿井地面抽瓦斯系统抽放范围和能力的不足，同时，还可作为中小型矿井瓦斯抽放的主要设备。 表2-4-2-1及表2-4-2-2列出了两种移动抽瓦斯泵站系列产品的主要技术参数. 上表产品主要由水环型真空泵、矿用防爆电机、矿用防爆磁力启动器、瓦斯超限断电仪、瓦斯监测报警仪、供水监测传感器、矿用防爆照明灯具、气水分离器、软化水离子交换柱或磁化水处理装置及平板车等组成。 表2-4-2-1 抚顺分院YD型系列移动式瓦斯抽放泵站技术参数 型号 最大抽气量 m3/min 极限真空度 kPa 耗水量 l/min 电机功率 kW 供电电压 V 外形尺寸 m YD-Ⅰ 4.5 81 30 11 380/660 2.01.051.30 YD-Ⅱ 7.5 81 35 15 380/660 2.01.051.30 YD-Ⅲ 15.6 81 80 30 380/660 2.71.321.46 YD-Ⅳ 20.2 81 80 37 380/660 2.71.321.46 YD-Ⅴ 30 81 100 55 380/660 2.71.321.46 YD-Ⅵ 38 81 100 75 380/660 2.71.321.46 表2-4-2-2 重庆分院YWB系列移动式瓦斯抽放泵技术指标 型号 最大抽放量 m3/min 极限真空度 kPa 耗水量 l/min 电机功率 kW 电压 V YWB-5 5.0 -94.66 30 11 380/660 YWB-7 7.6 -94.66 35 15 380/660 YWB-15 15.6 -92.00 75 30 380/660 YWB-20 20.2 -92.00 80 35 380/660 YWB-25 25.3 -86.66 80 55 380/660 YWB-30 23.2 -94.66 90 55 380/660 五、环缝式空气引射器处理上隅角瓦斯 引射器作为一种机械，在国外已得到广泛应用。它使用的动力有压缩空气、水和气水混合三种。从结构上有喷嘴式和环缝式两种。由于环缝式的效率高、结构合理，所以使用范围更为广泛。在西欧和南非地区被普遍应用于采矿工业，用以局部通风、除尘和改善矿井气候环境条件等。 ㈠ 环缝式空气引射器原理 环缝式空气引射器的基本原理是“孔达效应”。它以压缩空气作为能源，压缩空气进入一个径向的环形空间，而这个特殊设计的环形空间能使压缩空气得到膨胀，同时使流速提高。在此作用下可产生低压和负压而进入设备的空腔。这样，可使压缩空气和诱导吸进的气体混合后在增压管内扩散，然后以高速喷射出去。诱导进入的气体可以达到1820倍的压缩空气体积.由负压而产生的高速气流轨迹是以紊流状态流动。它的功能参数取决于环形空间的尺寸和起诱导作用的压缩空气的压力。见图2-4-2-6. 图2-4-2-6 环缝式空气引射器原理图 1-压气进口；2-引射气流方向；3-增压室；4-扩散端 压缩空气的进口与径向环形空间沟通、压缩空气进入这个特殊的环形空间，并在表面的出口上得到膨胀，从而获得高速。 ㈡ 环缝式空气引射器在煤矿安全中的应用 环缝式空气引射器在国外矿井中主要用于对有害气体的稀释和通风（特别是对采空区和工作面上隅角瓦斯的处理）、除尘，调节密闭压力，改善矿井环境气候条件以及对井下柴油机排除尾气的处理。它比井下移动抽瓦斯泵站更安全可靠、经济。和实用，被世界各国所公认。 第二节 盲巷积聚瓦斯安全排放技术 高瓦斯矿井掘进煤巷时，瓦斯涌出量较大，如因故临时停风，巷道内将积聚大量的高浓度瓦斯，当恢复通风时，需先排除巷道内的积聚瓦斯。目前排放巷道内的积聚瓦斯，普遍采用断开导风筒或在进、回风交汇处设三通（分岔风筒）调风等人工排放法，其安全可靠性差，又费时费力，稍有不慎，形成“一风吹”，极易酿成瓦斯爆炸事故,严重影响矿井的安全生产。为此，煤炭科学研究总院抚顺分院和重庆分院分别研制开发了WCF-1型和GDS-1型巷道积聚瓦斯自控排放装置。 一、WCF-1型自控排放瓦斯装置 ㈠ 自控排瓦斯装置的结构 自控排瓦斯装置主要由控制主机、瓦斯稀释筒和液压泵站三部分组成（见图2-4-3-1）。 图2-4-3-1 WCF-1自控排瓦斯装置 1-液压泵站 2-控制主机 3-稀释筒 1. 控制主机采用89C51系列单板机作为中心控制处理器，配有3个高、低浓度甲烷传感器，3路本安电源向甲烷传感器供电，4路继电器接点输出信号可控制磁力开关，具有5位数码显示及声光报警功能。 2. 瓦斯稀释筒实际上是具有调节风门的一段铁风筒，它由铁风筒、调节风门、油缸组成，在主机的控制下，可实现自动调节风门的开闭程度。 3. 液压泵站是向瓦斯稀释筒调节风门提供液压动力的装置，其由防爆电机、齿轮泵、三位四通电磁阀等组成。 ㈡ 工作原理 该装置用高低浓度组合式甲烷传感器采集瓦斯浓度信息，其中T1安装在局部通风机处，防止在排放过程中引起循环风而造成瓦斯超限，T2安装在掘进工作面回风流内，检测排出的瓦斯浓度，T3安装在巷道主回风流的下风侧，用来控制排到主风流的瓦斯浓度不超限（见图2-4-3-2）。 图2-4-3-2 WCF-1自控排瓦斯装置安装示意图 排放瓦斯时，当控制主机接收到上述地点传感器所采集的信号后，进行判断，视其量值的大小发出相应的控制指令，使液压泵站电机旋转，三位四通电磁阀对应位导通，高压油通过油管进入油缸，油缸驱动稀释筒的调节风门使之开启，此时局部通风机的通风量，一部分通过风筒进入掘进工作面排出工作面内的高浓度瓦斯，另一部分则由稀释筒泄流到巷道内，来稀释排出的高浓度瓦斯，使之混合均匀且不超限，而后排出工作面。从而达到安全排放瓦斯的目的。 ㈢ 控制功能 1. 自控排瓦斯装置开机后，首先进入自检系统，对系统进行全面自检，发现故障时，则显示故障原因和报警； 2. 当T2检测的瓦斯浓度大于1时，系统进入排放瓦斯系统； 3. 当T3瓦斯浓度大于0.8、T1瓦斯浓度小于0.5时，稀释筒调节门开大，增大泄流量，减少工作面的供风量，来降低排出的瓦斯量； 4. 当T3瓦斯浓度在0.8-1之间、T1瓦斯浓度小于0.5时，稀释筒调节门的开度保持不变，亦即泄流量和工作面的供风量不变，为正常排瓦斯； 5. 当T3瓦斯浓度小于0.8、T1瓦斯浓度大于0.5时，稀释筒调节门开度小些，减少泄流量，增加工作面的供风量，可提高排出的瓦斯量； 6. 当T3瓦斯浓度小于0.5时，系统断电，停止排放； 7. 在T2检测的瓦斯浓度小于1、T3瓦斯浓度小于0.8、T1瓦斯浓度小于0.5时，即退出排放瓦斯控制程序，进入巡回检测系统； 8. 当T2检测的瓦斯浓度再次大于1时，系统又进入排放瓦斯控制程序。 ㈣ 主要技术指标 防爆类型 隔爆兼本安型[EXdibI150℃] 工作电源 380V/660V 测量范围 0～4％ ＣＨ4 容 量 3路模拟量输入，5路开关量输出 模拟量输入 200～1000HZ或1～5mA 输出信号 开关量输出（0或1） 调节门开度 全开～全闭 工作环境 温度 0～40℃ 湿度 ≤98％ 气压 85～110KPa 质 量 53Kg 二、GDS-1型自动排放瓦斯装置 ㈠ 技术原理和主要结构 1. 排放系统主要结构 “GDS-1型瓦斯自动排放系统”排放盲巷积聚瓦斯时，其主要由下列部分构成2个瓦斯传感器、控制装置、调节风门、局部通风机和若干风筒。 2. 技术原理 GDS-1型瓦斯自动引排系统排放盲巷积聚瓦斯时的工作原理和安装示意图如图2-4-3-3所示。 图2-4-3-3 GDS-1型瓦斯自动引排系统排放盲巷积聚瓦斯示意图 局部通风机为积聚瓦斯的排放提供动力。控制装置D接收到测点瓦斯传感器T1、T2处瓦斯浓度值，经控制装置D中单片微机运行计算，确定调节风门的开或关以及开关角度的大小，并给出控制指令到控制装置D中驱动器，驱动器驱动电机转动，实现对调控风门K的开关大小，从而调控调节风门的漏风量大小，确保独头巷道中排出的风流在同全风压风流混合处的瓦斯浓度在规定安全值以下。整套系统检测、调节、控制、安全排放全部实现智能化，并保证了最大排放效果。 该系统具有安装使用方便，运行稳定可靠等优点。 ㈡ 主要技术指标 “GDS-1型瓦斯自动引排系统”可以对盲巷积聚瓦斯实现安全、可靠、高效自动快速排放，完全满足煤矿安全规程和有关规定，其主要技术指标如下 控制混合处瓦斯浓度 1.45-1.2 电机输入电源电压 127VAC 控制箱传感器最大挂接数 四路 瓦斯监测浓度范围 0-4 防爆形式 dibI（150℃） 57