煤矿通风瓦斯安全分区控制研究

张 松 宁

（晋能集团首阳煤业有限公司，山西 晋城048000）

0 引 言

矿井通风是服务于煤矿生产的重要系统之一，由于通风范围广、通道复杂多变、通风设备多等，导致矿井通风成为一个庞大的系统[1]。在井下生产过程中，煤层内赋存的瓦斯由于应力的减小而释放到作业空间，瓦斯的含量随生产过程产生动态变化，若通风不畅，产生瓦斯积聚，则可能引发瓦斯爆炸，在煤矿各类事故中，瓦斯事故占有相当大的比例[2-3]。可靠的通风技术是减少和避免瓦斯事故的有效手段，因此，研究煤矿通风瓦斯安全分区控制具有十分重要的意义[4-5]。

1 煤矿安全分区管理理论

1.1 安全分区管理的基本概念

煤矿生产涉及到不同的区域和不同的系统，各区域和系统又有其各自的特点。以往，研究人员提出的全局性的安全管理理论，忽略了不同生产区域的特点，将各区域以同一标准来审视，看似使安全管理系统得到统一，加强了安全管理控制。实际上，人为的分割了各区域和系统之间的关联，增加了煤矿安全风险。基于以上背景，研究人员提出了煤矿安全分区管理理论，安全分区是根据煤矿生产区域的特点，将其划分为安全管理的基本单元，例如回采工作面分区和掘进工作面分区。安全分区即考虑了不同分区的特点，又可建立不同分区之间安全因素的联系，以安全分区为基础，可构建长效的煤矿安全管理体系。

1.2 安全分区逻辑分析

煤矿安全分析逻辑简图如图1 所示。

图1 煤矿安全分区逻辑系统图

如图1 所示，煤矿安全分区逻辑系统由安全分区、安全关注点和关联通道三部分组成。安全分区即是根据生产特点划分的不同区域，如掘进工作面和回采工作面；安全关注点是安全分区中易发生事故的地点和因素，如回采工作面上隅角瓦斯积聚区，掘进工作面前方含水层等；关联通道即不同分区风险之间的关联性，如回采工作面若发生瓦斯事故，可能波及到掘进工作面，影响掘进工作面的正常生产。

2 通风瓦斯安全分区技术

通风分区是采用并联的通风方式，使井下各通风地点的风流形成独立回路。保证了不同生产区域之间的风流不相互影响和混杂。分区通风由于一条通风回路所需服务的范围较小，且服务区域的特点较为明确，因此，分区通风有利于降低分区内的瓦斯等有毒有害气体和粉尘浓度，保证了新鲜风流的供给，同时，有利于掌控可能出现的安全风险。实现信息化的通风瓦斯安全分区技术的首要条件是建立通风瓦斯安全分区数据系统，对通风瓦斯安全分区进行定量化管理。数据系统包含的主要数据有：风网结构、风阻、通风设备运行状态、风量配比等。下文将从通风系统的稳定性以及瓦斯涌出和积聚规律进一步说明通风瓦斯数据系统。

2.1 通风系统的稳定性

通风系统的稳定性分析包括通风系统的基础分析、通风网络图分析、风道的通风灵敏度分析、通风构筑物分析等。通风系统基础分析是根据通风期的实际情况对通风网络的基础数据进行解算，同时制定分区通风的基本方案。通风网络图分析是采用计算机软件绘制可视化的通风网络图，对通风网络的风阻、风压等数据进行解算分析，掌握通风网络图的数据信息，进一步对通风网络进行优化。风道的灵敏度是指主要是指当风道的风阻发生变化时，引起风道风量的变化情况，通过风道的灵敏度分析可掌握风阻与风量的关系（见图2），为风量的调节提供依据。通风构筑物是实现通风的基础设施，在运行过程中又不可避免的遭受外力的破坏和损伤，因此，应实时掌握通风构筑物的运行状态，避免通风构筑物引起的风流紊乱。

图2 风阻-风量关系示意图

2.2 瓦斯涌出与积聚规律分析

瓦斯涌出与积聚规律分析是掌握煤矿各区域以及整个矿井瓦斯涌出规律的基本条件，瓦斯涌出与积聚分析包括：日常瓦斯监测、工作面分区瓦斯测定和瓦斯流分布。

1）日常瓦斯监测。日常瓦斯监测对于掌握工作面瓦斯涌出状态和了解作业环境安全性十分重要。通过瓦斯日常监测还可掌握作业空间瓦斯历史涌出量和规律，对瓦斯历史涌出数据进行处理，形成作业空间的瓦斯涌出直方图（见图3a），将直方图累加得到作业空间历史瓦斯涌出量累计图（见图3b）。当日常瓦斯监测数据样本足够大时，便可确定瓦斯涌出的概率密度函数，定量确定瓦斯涌出规律。

图3 日常瓦斯监测数据示意图

2）工作面分区瓦斯测定。工作面分区瓦斯测定是为了更好的分析安全风险较高的分区的瓦斯涌出规律，工作面分区瓦斯测定是在工作面沿倾向布置数个测点，测量各区段的瓦斯浓度、风量等参数，对测量的数据进行分析，得到瓦斯涌出规律。

3）瓦斯流分布。瓦斯在巷道空间内的运移主要依靠于风流，风流中的瓦斯浓度可通过仪器检测，经简单的换算后便可得到瓦斯流量。瓦斯流量在通风系统中遵循平衡定律，但经常出现波动，可见，分析瓦斯流分布必须建立在大数据的基础上。通过长期的瓦斯监测，应用数据统计原理便可得到瓦斯流分布规律。

3 通风瓦斯安全分区风险控制系统

依据煤矿安全分区管理理论和通风瓦斯安全分区技术，结合网络技术、通信技术建立起煤矿通风瓦斯安全分区控制体系如图4 所示。

图4 煤矿通风瓦斯安全分区控制体系

由图4 可知，煤矿通风瓦斯安全分区控制系统实现了以下功能：

1）通风数据跟踪管理。通风数据跟踪管理可实现对矿井通风系统的风量、风压、风速等通风参数的实时采集和对比分析，依据分析结果，调整通风网络平衡状态，提高通风网络的可靠性和抗风险能力，为通风的中远期规划提供技术资料。

2）瓦斯数据跟踪管理。瓦斯随着煤炭的开采而不断产生，可见，瓦斯数据信息十分庞大，而依靠人力对数据进行处理和分析，显然既费时又费力，瓦斯数据跟踪管理系统可将得到的瓦斯数据进行实时处理，提高决策人员对瓦斯风险的识别和管控能力。

3）安全信息监控数据跟踪管理。安全信息监控可通过井下人员定位、瓦斯浓度阈值、通风参数阈值等，实现对井下作业空间安全情况的预警，为安全管理人员提供可靠的安全信息。

4）日常资料数据跟踪管理。煤矿通风瓦斯安全分区控制体系形成的各类资料可被自动记录形成日志文件，同时实现多种格式的文件输出，服务于矿井的生产和管理。

4 结 论

1）从安全分区管理的基本概念和安全分区逻辑分析，阐述了煤矿安全分区理论，安全分区即考虑了不同分区的特点，又可建立不同分区之间安全因素的联系，可构建长效的煤矿安全管理体系。

2）分析了通风瓦斯安全分区技术，指出通风瓦斯数据系统由通风系统的稳定性和瓦斯涌出、积聚规律构成，依据煤矿安全分区管理理论和通风瓦斯安全分区技术，结合网络技术、通信技术建立了煤矿通风瓦斯安全分区控制体系。