基于风网平衡技术的气体积聚危险性分析

高生亮，刘沛瑶

(1.陕西省红石岩煤矿，陕西 延安 727307；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

我国煤炭行业的安全形势依旧不容乐观，煤矿伤亡事故危害严重，这已成为严重影响煤炭企业进步的大问题。2018年4—5月份仍发生4起煤矿较大事故。瓦斯爆炸、火灾事故、煤尘爆炸是造成煤矿井下人员伤亡和财产损失的主要事故种类[1]，而这些事故都与矿井通风息息相关。在煤矿灾害中，煤炭自燃是严重影响煤矿安全作业的重大难题，采空区漏风风流不间断地为煤自燃输送足够浓度的氧气，这是煤自燃能够发生的首要条件。在高瓦斯以及煤与瓦斯突出矿井，漏风风流对瓦斯也有极大影响，它从漏风源开始将瓦斯运送到漏风汇聚的地点，出现瓦斯积聚，引起采空区或上隅角瓦斯浓度的升高，再加上瓦斯升浮效应的作用，极易使瓦斯浓度达到爆炸浓度范围，只要出现火源便非常有可能发生爆炸，造成损失巨大的井下人员伤亡和设备损坏[2]。不仅如此，矿井通风系统的效率也会受到漏风的极大干扰，增大了煤矿企业不必要的通风投入，同时还会给煤矿通风管理带来很多麻烦[3-5]。

从上述分析煤自燃和瓦斯积聚及爆炸发生的原因和危害可知，不良通风严重影响煤矿的安全生产和井下工作人员的生命安全。此外，不良通风还是造成瓦斯等有毒气体窒息中毒、煤尘爆炸等灾害的罪魁祸首。

1 通风不良导致的灾害特性

对煤自燃的所需条件进行分析，自燃倾向性是其本质属性，而氧浓度、氧化时间和蓄热环境则与漏风息息相关[6-7]。漏风是导致煤自燃的首要因素，漏风发生的地点一般在工作面和采空区附近，采空区漏风风流不间断地为煤自燃输送足够浓度的氧气，使其持续氧化升温，积聚热量，其温度一旦达到自燃临界点，采空区浮煤温度便迅速增高，逐步发展变成自燃火源。

漏风不仅会加剧采空区内部浮煤发生自燃，还会引起瓦斯分布状况发生改变。对于上行通风而言，漏风一般从下隅角和工作面下端流向采空区内，瓦斯会随着漏风风流从上隅角与工作面上端流向工作面。在工作面附近由于漏风量较大，故而在该区域瓦斯浓度较低；因为漏风强度随着采空区距工作面距离增大而减小的关系，瓦斯浓度会慢慢变大。而在下行通风条件下，当工作面通风压力比采空区的自然风压大时，在采空区离工作面距离较近的区域内，漏风由上隅角和上部裂隙通道流向采空区内部，再由下隅角和下部裂隙通道流向工作面；而在采空区离工作面较远的区域内，起主要作用的是由与瓦斯浓度差导致的扩散效应，瓦斯逐渐往工作面的方向运移，再跟着漏风风流一起由下隅角和下部裂隙通道流向工作面。

这种由不良通风或风量异常变化引起的瓦斯积聚乃至爆炸、煤自燃等一系列的灾害，称其为通风不良性灾害。其特征表现为：在风量需求层面，井下每一用风地点都有与之对应的合理用风量，在这个范围内，CO浓度、瓦斯浓度等灾害指标均处于安全的范围内；当用风地点的风量超过或减少某一阈值时，就会引起CO浓度、瓦斯浓度等灾害指标的增加，并达到发生事故的基本条件，甚至发生灾害。

2 通风不良性等级评定

2.1 通风不良指标的确定

通风不良所采用的指标必须充分反映矿井发生灾害的危险性，根据通风不良性的定义可知，反应其危险程度的指标是风量、CO浓度和瓦斯浓度。各指标在评判中所占权重，是根据各指标的改变引发通风灾害的可能性和各指标对灾害发生后造成危害性的严重程度来确定的。

风量:《煤矿安全规程》规定，煤矿井下各用风点的供风量应不小于其实际需风量，且不大于实际需风量的10%。

瓦斯浓度:通风巷道中瓦斯的危险性是用该巷道瓦斯浓度的大小来表示的，其定义如下式所示[7]

(1)

式中：cs—巷道瓦斯浓度；qs—巷道瓦斯流量；qf—巷道风量。

从上式可以看出，瓦斯积聚是由瓦斯涌出量和巷道风量两个因素综合作用的结果，而瓦斯浓度便是综合作用的具体体现。不考虑瓦斯涌出量的变化，瓦斯浓度会随着巷道风量的减小而增大；同样也会随着风量的增大而减小。

CO浓度:CO浓度作为衡量采空区煤自燃的指标，其变化受浮煤厚度、漏风量、空隙率等因素的共同作用。CO浓度和漏风量之间的关系很难直接推导出来，可以用拟合的方式通过实测数据来建立函数关系，从而达到预测不同漏风量时CO浓度的目的，便于通风不良危险性的判定。

2.2 通风不良性评价体系的建立

统计2007—2018年10年来我国煤矿企业发生的所有重特大安全事故，事故资料的来源主要从中国安全网和国家煤矿安全生产管理总局两个官方网站查询。在查阅现有参考文献的基础上，还查阅了《煤矿安全规程》等相关资料。在典型案例分析、文献研究的基础上，通过对煤矿的一线专家和工人进行咨询，在广泛征求专家意见的基础上，定义了一套评价体系。

将通风不良的危险程度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等级，危险性随等级的增加而增大，Ⅰ级最低，Ⅴ级最高。各个指标在通风不良性5个等级中的取值见表1。

表1 各指标在通风不良性分级中的取值表

对通风不良导致的危险程度等级划分时，很难确定明显的划分界限，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ这5个等级之间具有模糊性，确定某一指标在各个等级的取值也带有模糊性，因此采用模糊综合评判法进行分级。

设U={u1，u2}为因素集，V={v1，v2，v3，v4，v5}为决策集，U中各因素的权重分配为

A={a1，a2}

确定各指标在危险等级中的隶属度，由此构造出模糊判断矩阵

将权重集A输入模糊关系矩阵R，可以得到评判向量

C=A·R=(c1，c2，c3，c4，c5)

c1，c2，c3，c4，c5即为因素集U属于Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级5个划分等级的隶属度。按照最大隶属度原则，根据c1，c2，c3，c4，c5中的最大值来确定矿井通风不良危险性属于哪一危险等级。

此外，在通风不良危险性的评价指标选取中，确定了风量、瓦斯浓度和CO浓度3个指标。而运用模糊综合评价法评价时只运用了瓦斯浓度和CO浓度2个指标，这是因为风量对于其评价结果具有“一票否决权”。设煤矿井下各用风点的需风量为Q0，实际供风量为Q。

Q0≤Q≤1.1Q0

(2)

当满足(2)式时，该矿的通风不良危险等级遵循模糊综合评价法的评价结果。若实际供风量与其需风量的关系为

Q>1.1Q0或Q

(3)

当满足(3)式时，不论根据模糊综合评价法评价出的结果是几级危险等级，直接将该矿的通风不良危险等级化为最高危险等级，Ⅴ级。

3 风网平衡图分析方法

风网平衡图又名特征图、压能图等，其本质是将通风网络图的逻辑关系和各分支的风量与风阻用矩形块的形式表现出来，网络图中每条分支均用一个矩形块来代替，各矩形块按照网络图的逻辑关系来排列。该矩形块的宽即为该分支的风量，该矩形块的高即为该分支的风阻，面积便是该分支的功耗，整个平衡图满足节点风压平衡定律和回路风量平衡定律[8]。如图1所示，图1(a)是通风网络图，图1(b)是与其对应风网平衡图，分支风量和阻力见表2。

a-通风网络图;b-风网平衡图图1 通风网络图和风网平衡图

表2 通风网络参数

3.1 漏风与煤自燃

采空区漏风持续不断地为浮煤自燃输送了一定浓度的氧气，对煤自燃的影响主要体现在两个方面：①漏风风流携带有足够浓度的氧气，加剧了浮煤的氧化蓄热过程，引起周围煤岩体的问题不断升高，进而出现煤自燃现象；②漏风风流的流动，会带走一部分煤氧化放热量，其风流的大小与带走的热量成正比关系。

通过风网平衡图分析漏风与煤自燃有以下两种方式。①对通风系统进行分析，确定其漏风来源(是内部漏风还是外部漏风)。对于内部漏风而言，在漏风起止巷道间增加一个矩形块，表示内部漏风通道；而针对外部漏风，从平衡图的最下方到漏风汇点处增加一个矩形块，表示外部漏风通道，矩形块的宽度为漏风量，高度为漏风风阻；②水平线绘制工作面采场的漏风源、汇点图，该图由采空区边界线和漏风源、汇点的位置确定，再用水平线把漏风源、汇点和平衡图中矩形块所处位置连接起来，这就构成采空区漏风源、汇点的能量分布图。水平线的高低表示的是漏风源或汇能量的大小，水平线便被称作能量线。同时，每两条能量线均有与之对应的漏风量和采空区CO浓度，将漏风量和CO浓度标注在能量线之间，更能直观的表示漏风对煤自燃的影响。

以图1和表2的数据为例，e8为进风巷，e9为回风巷。该工作面为外部漏风，漏风量为10 m3·min-1，采空区CO浓度为7×10-7，则对应的风网平衡图如图2所示。

图2 标注漏风的风网平衡图

在图2中，分支e11即为该通风系统的漏风通道。在现场实际中，完全杜绝漏风是不太可能的，但是可以通过控制漏风量来降低自燃危险性，不同漏风量对应的CO浓度可以通过拟合出的曲线得出。通过绘制不同漏风量对应的风网平衡图，最终得出自然危险性最小的漏风量。

3.2 风量与瓦斯积聚

瓦斯积聚是由巷道中瓦斯涌出量和其风量两个因素相互作用决定的，而瓦斯浓度即为这种作用的具体体现。若瓦斯涌出量的变化较小，瓦斯浓度会随着巷道风量的增大而降低，同样也会随着其风量的减小而升高。风网平衡图中矩形块的宽度表示该巷道的风量，该矩形块宽度的变化一定会引起瓦斯浓度的变化。

运用风网平衡图表示瓦斯积聚，先根据矿井瓦斯浓度范围绘制标色板，不同颜色代表不同浓度范围，然后将每条巷道的颜色在风网平衡图中表示出来，巷道不同风量对应不同瓦斯浓度，在风网平衡图中表现为矩形块宽度变化引起矩形块颜色变色，如图3所示，从风网平衡图上可以看到全矿井的瓦斯浓度分布状况。

a-风网平衡图(表3)；b-风网平衡图(表4)图3 风网平衡图瓦斯浓度示意图

以图1和表2的数据为例，各巷道瓦斯浓度见表3。

表3 瓦斯浓度统计表

当矿井总风量变化时，各个分支风量要重新分配，分配结果会与原风量出现差异，这个变化会引起瓦斯浓度的改变。数据统计结果见表4。

表4 风量变化后的瓦斯浓度统计表

图3(a)为表3对应的风网平衡图，图3(b)为表4对应的风网平衡图。由图可知，由于矿井巷道风量的变化，平衡图中各矩形块的宽度也随之变化。对比图3(a)和图3(b)，矩形块e8、e9、e10的颜色发生了改变，这是因为巷道风量的降低引起了瓦斯浓度的增加。运用风网平衡图表示瓦斯浓度，可以直观的从图上看到瓦斯浓度受风量变化的影响。

运用上述方法对通风不良危险性分析后，再运用建立的通风不良危险性评价体系的方法对其进行通风不良危险性等级评定，根据不同漏风量条件下其通风不良危险性等级来验证运用风网平衡图分析通风灾害的合理性。

4 结论

(1)定义了通风不良性特征。以风量、瓦斯浓度与CO浓度作为通风灾害的指标，将通风不良时风量与瓦斯、自燃火灾联系起来。

(2)对通风不良性导致灾害的指标按危害程度大小划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级5个等级，运用模糊综合评价法建立了通风不良性评价体系，根据最大隶属度原则，将灾害危险性按不同危险程度划分，危险程度随着等级的增高而增加。

(3)运用风网平衡图为工具，对煤自燃通风不良效果进行分析。通过绘制不同漏风量所对应的风网平衡图，得出自然危险性最小的漏风量；对于瓦斯灾害，若瓦斯涌出量的变化较小，瓦斯浓度会随着巷道风量的增大而降低，同样也会随着其风量的减小而升高。风网平衡图中矩形块的宽度表示该巷道的风量，该矩形块宽度的变化一定会引起瓦斯浓度的变化。