煤矿井下瓦斯再利用的技术创新

张志刚

【摘要】 由于地质因素和技术限制,煤矿井下煤仓瓦斯积聚问题一直是煤炭企业生产的重大隐患和危险源,成为长期困扰煤矿安全生产的重大难题。加强煤矿井下瓦斯再利用的技术创新与探索,成为煤炭生产企业亟需解决的重要使命。

【关键词】 煤矿;井下;瓦斯;再利用

瓦斯是井下有毒有害气体的总称,煤矿内瓦斯以甲烷为主,所以狭义的瓦斯往往泛指甲烷。一系列重大煤炭生产安全事故的发生,证明解决煤矿井下煤仓瓦斯积聚问题,是煤炭企业安全生产的关键性问题。

一、瓦斯的危害原理与治理的必要性

瓦斯事故是煤矿的主要安全事故。一般来说,如果瓦斯在空气中含量大会降低空气中的氧含量,人员呼吸后会因缺氧而发生窒息。空气中瓦斯含量5～16%之间,氧含量超过12%,遇到高温热源则会发生瓦斯爆炸。长期以来煤矿井下煤仓的瓦斯积聚问题一直没有得到很好解决,成为企业生产的重大隐患和重大危险源,也成为了长期困扰煤矿安全生产的重大难题。矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应(也叫链锁反应),当爆炸混合物吸收一定能量(通常是引火源给予的热能)后,反应分子的链即行断裂,离解成两个或两个以上的游离基(也叫自由基)。这类游离基具有很大的化学活性成为反应连续进行的活化中心,在适合条件下,每一个游离基又可以进一步分解产生两个或两上以上的游离基,游离基越来越多,化学反应速度也越来越快,最后发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。

瓦斯爆炸就其本质来说,是一定浓度甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。爆炸后生成大量的有害气体,造成人员中毒死亡。瓦斯爆炸产生的高温高压,促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击,造成人员伤亡,破坏巷道和器材设施,扬起大量煤尘并使之参与爆炸,产生更大的破坏力。煤矿井下都设有煤仓,煤矿井下煤仓又称溜煤井或叫反井,煤仓作用主要是储存、转载、缓冲煤量,是煤矿井下储运煤炭重要环节,对实现煤炭产量的高产起到积极作用。其瓦斯浓度根据煤量、煤质的不同可达到3～20﹪,瓦斯浓度大大超过《煤矿安全规程》规定。煤矿井下煤仓存在严重的安全隐患,也是重大危险源,严重地威胁着从业人员的生命安全和煤矿井下的安全生产。防止瓦斯窒息事故首先是加强通风,保证足够供风量,杜绝无风、微风作业;其次是减少和杜绝采空区瓦斯外泻,保证有效风量的风质。

瓦斯突出机理仍处于假说阶段,预防措施复杂。为了解决此类问题,传统的解决办法是在井下煤仓的上方巷道中安设轴流式通风机,轴流式通风机稀释煤仓中的瓦斯给运煤巷中造成极大危害,危险危害因素依然存在,且没有从根本上解决瓦斯积聚造成的隐患,仍然存在发生瓦斯爆炸事故隐患。

二、煤矿井下煤仓瓦斯治理装置的研究与设计

煤矿井下煤仓瓦斯治理装置的目的是解决现有煤矿井下煤仓存在的瓦斯超标易造成瓦斯爆炸和治理费用昂贵的技术难点,并提供一种能治理瓦斯积聚治理装置。煤矿井下煤仓瓦斯治理装置为解决上述问题而采用的技术方案是:它由一个或两个瓦斯分离器、瓦斯导风管,三叉排风器和檒风通风器组成的整体综合装置。

(1)仓檒风通风器由檒风曲线体、变线体、集风道等构成,主要功能是形成强大的焚风效应,形成檒风风流进入瓦斯分离器,将瓦斯分离器中的瓦斯带入瓦斯导风管,按所要求的方向再利用瓦斯导风管将瓦斯排到煤矿井下煤仓以外的采区回风道或主要回风道,檒风通风器设在煤矿井下煤仓下部。

(2)瓦斯导风管为抗静电玻璃钢圆管。煤仓瓦斯导风管与瓦斯分离器和三叉排风器相连接,设在煤矿井下煤仓上部的回风道中的上方旁侧。

(3)瓦斯分离器由筒体、瓦斯释放帽、瓦斯释放孔和把捎构成,瓦斯释放帽设在筒体的体部,瓦斯释放孔和把捎均匀设在筒体上。瓦斯分离器与焚风通风器和瓦斯导风管相连接,设在煤矿井下煤仓仓中的侧壁上。

(4)三叉排风器为扇状四通抗静电玻璃钢筒体。综合装置,能够降低煤矿井下煤仓的全部瓦斯,彻底治理煤矿井下煤仓瓦斯积聚的问题,具有治理瓦斯彻底、节能环保、治理费用低和经济效益好等优点。特别指出该装置是无噪音、无动力、无污染的通风构造设施,纯属于环保节能型产品。

三、煤矿井下煤仓瓦斯治理与实施的安全效果分析

煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置由煤矿井下煤仓檒风通风器、瓦斯分离器、瓦斯导风管、三叉排风器安装在煤仓筒壁上。形成了整体综合装置,共同完成煤矿井下煤仓瓦斯稀释任务。煤矿井下煤仓的煤体、筒壁、底煤、装煤器、溜煤口、煤仓上部回风巷、煤仓下部运输大巷是煤矿井下煤仓重要组成部分。它们直接影响着瓦斯治理效果,这些煤仓构造直接影响着瓦斯治理效果,都对煤仓内瓦斯浓度和瓦斯积聚的治理起到直接或间接作用。

瓦斯分离器一端与瓦斯导风器或三叉排风器直接相连接,另一端与檒风通风器相连接。瓦斯分离器的作用是把煤矿井下煤仓中的煤炭与煤仓中积聚的瓦斯分离开来,分离后的瓦斯进入瓦斯分离器通向瓦斯导风管排到煤仓以外的回风道,达到稀释中的瓦斯的目的。三叉排风器设在采区回风道或主要回风道,三叉排风器的作用是保证瓦斯永远按要求的风流方向运动,防止风流方向逆转。综合装置,能够降低煤矿井下煤仓的全部瓦斯,彻底治理采煤矿井下煤仓瓦斯积聚的问题,从而达到煤矿井下安全生产的目的。

煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置的防砸问题分析如下:煤仓高度假如在20～90m之间,本实用新型煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置不太适应,容易造成大的弯曲和折损,但在采煤区由于地压的影响井下煤仓(反井)很少设计这个高度。煤仓(反井)高度假如在10～20m之间,采煤区绝大部分井下煤仓在这个高度,本实用新型煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置比较适应,溜煤中含矸石量的多少或矸石的大小对该装置有直接影响,矸石的重力加速度对该装置冲击力是G=mg=(1～20)×9.8=(9.8～196)N,矸石的max冲击力为196N,装置材质采用受力为389～468N。因此,装置能够承受矸石冲击力不会损害折断,如连续撞击会造成疲劳损伤而影响装置使用寿命,井下煤仓使用寿命最长一年左右,装置材质使用寿命包括腐蚀可以保证一年。

四、装置特点与实用价值

煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置有以下特点:煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置结构简单,管理方便,不需经常维修,简便易行,无需专人操作,易于推广使用。煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置是安全、经济、永固构造设施,一次安装、永久使用、经济实用,同时装置永固、无动力的构造设施,确保了该系统的安全性。

实用新型煤矿井下煤仓瓦斯治理装置是无噪音、无动力、无污染的通风构造设施,属于环保节能型产品。煤矿井下煤仓瓦斯积聚治理装置的技术发明属于国内首创,填补了我国煤矿井下煤仓瓦斯治理的空白,开创了我国无动力治理瓦斯新经验和先例,实现了煤矿井下煤仓永久性的瓦斯治理。由于该系列装置结构简单,管理方便,不需经常维修,无需专人操作,具有简便易行、经济实用、安全可靠等优点,在全国煤炭行业推广使用,具有深远的现实意义。

参考文献

[1]陈红.中国煤矿重大事故中的不安全行为研究[M].北京:科学出版社,2006

[2]中国统计年鉴(2000～2007年)[M].北京:中国统计局出版社,2008

[3]美国能源信息管理机构.www.eia.doe.gov. Coal Production,(1949～2008)

[4]张盼福.煤矿井下瓦斯治理技术的应用.煤矿井下煤仓瓦斯治理装置.2008(9)

[5]陈昌祺.安全生产学[M].重庆:重庆出版社,2007