封闭式气膜煤棚瓦斯运移规律与通风控制研究

2021-03-13李晓强郭春生

山东煤炭科技 2021年2期

王帅李晓强郭春生

(阳泉煤业（集团）股份有限公司，山西阳泉 045000)

阳泉煤业积极响应国家对煤炭行业提出的新的环保要求，对下辖所属的平舒储煤场进行气膜结构全封闭环保改造成气膜煤棚。气膜煤棚具有内部正压且封闭式特点，其内部储煤过程的瓦斯与通风问题值得注意。

煤由于自身孔隙结构[1]，在运输、存储过程中会持续性释放瓦斯，煤仓等非露天存储地在一些通风不良的地方会造成瓦斯积聚[2]，可借助CFD 仿真研究煤仓瓦斯的运移规律[3]，并采用实时瓦斯监测系统监测易积聚区域[4-5]。对新型气膜结构的气膜煤棚储煤地，目前少有相关瓦斯与通风研究。鉴于上述，本文针对平舒矿封闭式气膜煤棚内部瓦斯与通风问题，深入研究气膜内部瓦斯运移规律与通风控制技术。

1 平舒煤矿封闭式气膜煤棚概况

山西平舒煤业有限公司选煤厂原有储煤场场地基本平整，主要存储电煤压滤煤泥和烘干煤泥，各产品煤分堆存放。现已根据原储煤场地实际情况，设计改造为封闭式气膜煤棚，封闭式气膜煤棚采用气膜结构，建筑面积为13 126.63 m2，长140.00 m，宽99.00 m，总高约35.00 m，高于原有皮带走廊，储煤量约6.5 万t。储煤场内采用汽车运煤，设一进一出两个汽车通道，长26.20 m，宽6.60 m，高6.00 m，设四个人员出入口，宽1.50 m×高2.40 m，满足疏散要求。具体设计方案外形、煤棚内储煤区分布以及整个煤棚的结构示意图如图1。

图1 平舒矿封闭式气膜煤棚结构示意图

如图1，气膜煤棚是一种封闭式结构，为保证其支撑形状，内部应保持一定的正压状态。为实现该内部封闭条件下的空气流动和正压要求，气膜煤棚内部安装通风机压入新鲜风流，并由出口风阀出风。可见，封闭式气膜煤棚储煤空间内部的瓦斯积聚问题及其相应的通风控制问题是需要解决的。

2 封闭式气膜煤棚瓦斯运移仿真研究

2.1 煤样解吸瓦斯试验研究

平舒煤矿属于高瓦斯矿井，原煤瓦斯的含量较高，但该封闭式气膜煤棚主要存储选煤厂洗选后的压滤煤泥和烘干煤泥，其瓦斯含量通过煤炭运输、洗选过程已经大量释放。为进一步量化和研究存储煤样的瓦斯释放量和释放规律，通过采用存储煤样进行解吸试验，以研究煤炭瓦斯解吸释放规律，为气膜煤棚内瓦斯运移规律仿真提供关键参数。

由于瓦斯解吸速率与温度为正相关关系，将152.3 g 煤样放置于吸附缶并密封，采用排水集气法收集解吸气体，外部分别加热至20 ℃、35 ℃并恒温，进行瓦斯解吸试验，持续240 min。

试验结果为：20 ℃时煤样解吸速率非常缓慢，解吸速率是0.003 3 mL/(g·h)，35 ℃时煤样解吸速率加快，最大为0.039 mL/(g·h)，约20 ℃的12 倍，但解析量整体水平较低。

2.2 气膜煤棚内部流场建模

基于上述瓦斯解吸数据，采用CFD 软件对气膜煤棚内部瓦斯运移规律进行仿真，以揭示封闭式煤棚内部在堆煤后，气流在煤棚中的流动状态以及煤中瓦斯解吸后在煤棚中的分布规律。

首先根据平舒矿封闭式气膜煤棚设计结构进行物理模型构建和网格划分，设计生成平舒矿气膜煤棚内部流场分析模型，如图2。

图2 平舒矿气膜煤棚内部流场分析模型

图2 中，内部煤堆区域体积约为66 000 m3，根据风机、出气阀的位置和数量设计模型气流进口和出口。煤棚进风口主要设置在煤棚的东侧和南侧，东侧每间隔4.5 m 布置一个进风口，共布置6 个，南侧每间隔2.25 m 布置一个进风口，由西向东共布置18 个，共布置有24 个进风口。煤棚排风口主要设置在煤棚的北侧、西侧，北侧布置9 个排风口，西侧布置有9 个排风口，共布置有18 个排风口。

煤堆瓦斯涌出量采用瓦斯解吸试验中35 ℃时瓦斯解吸最大速率，根据瓦斯解吸试验结果发现，煤中瓦斯解吸速率在前60 min 较高，因而在对煤棚内部流场数值计算结果选取通风时间为60 min 时进行相应分析。此外，加入内部流场的重力条件，以更加真实地模拟出气膜煤棚内部流场和瓦斯运移规律。

2.3 仿真结果与分析

根据上述模型参数进行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚顶瓦斯体积分数分布结果为：瓦斯气体体积分数较高的区域并未出现在煤棚棚顶位置，而主要出现在煤堆形成夹角的背风面、皮带走廊下方以及皮带走廊支撑立柱后方的背风侧，而在斜皮带走廊下方煤堆自然形成的凹角区，瓦斯积聚现象尤为突出，但煤棚内所有区域瓦斯体积分数均不超过0.8%的安全要求。

根据上述模型参数进行CFD 仿真，得到煤堆表面、煤棚棚顶气流速度场分布结果为：由于进风口是沿煤棚棚顶向上鼓风，因而在煤棚棚顶靠近鼓风机的位置风速最高，随着与进风口的距离越来越远，风速逐渐降低；在煤堆表面，由煤棚顶部返回风流和进风口向上风流带来卷吸的共同作用下，煤堆表面产生了一定的风速，从而使煤中解吸的瓦斯随风流向前运移。因此，可以得出结论：在该通风进出口布置条件下，气膜煤棚内整体气流分布较为均匀，瓦斯积聚情况可接受。

3 封闭式气膜煤棚通风模糊控制技术

3.1 气膜煤棚瓦斯与通风布置

根据瓦斯运移仿真研究可知，平舒矿气膜煤棚内部瓦斯整体含量较低，但易在背风侧、堆煤凹角区等出现瓦斯局部积聚情况，这会造成一定的安全隐患。因此，基于平舒矿瓦斯内部流场仿真结果，优化设计气膜煤棚内瓦斯传感器、通风机进风口、排风阀出风口的布置，如图3。

由图3所示，气膜煤棚内瓦斯传感器共布置7个，采用防爆型GJ4/100 高低浓度甲烷传感器，其中4个挂装在气膜煤棚围墙上部，3 个挂装在皮带走廊下部，布置在根据瓦斯体积分数分布仿真结果中可能出现的瓦斯聚集点，主要用于检测瓦斯聚集区域的瓦斯体积含量。气膜煤棚共布置24 台防爆型离心式管道风机，每台功率为7.5 kW，布置位置分别为气膜煤棚南侧和东侧。18 个可调节开度的出气风阀，其最大开口尺寸为0.9 m×0.9 m，均采用电动连续控制开度，布置位置为气膜煤棚西侧和北侧。

图3 平舒矿气膜煤棚瓦斯传感器与进出风口布置图

3.2 封闭式气膜煤棚通风多变量模糊控制器

多变量模糊控制器是指控制器的输入和输出都是多个物理变量。由于各变量之间存在着强耦合，因此要直接设计一个多变量模糊控制器是非常困难的。封闭式气膜煤棚通风控制系统中，系统的多输入变量包括瓦斯浓度、气膜内外压差，系统的输出变量为风机开关台数。模糊控制器的设计采用瓦斯浓度、气膜内外压差两个变量分别建立模糊控制器并实现解耦。封闭式气膜煤棚通风控制系统作为一个多输入多输出的模糊控制系统，可通过解耦法则把它等效成多输入单输出（MISO）系统，封闭式气膜煤棚通风系统多变量模糊控制模型如图4。

图4 封闭式气膜煤棚通风多变量模糊控制模型

4 工业应用

平舒矿封闭式气膜煤棚投入使用以来，瓦斯监测与通风控制系统运行正常。通风控制系统设定目标为：瓦斯浓度低于0.8%，气膜内部正压250～300 Pa，整体控制效果较好。取其中通风控制的20 d 数据，求得瓦斯体积分数日平均值和气膜内外压差日平均值，如图5。

图5 平舒矿气膜煤棚通风控制效果

如图5 所示，整个气膜煤棚内瓦斯体积分数日平均值最大不超过0.4%，低于上限要求0.8%，满足瓦斯安全要求；瓦斯传感器C1 和C3 监测点出现短时期相对高值，属于相对局部的聚集现象，与气膜煤棚内部流程仿真结果基本一致。气膜内外压差控制效果理想，基本保持在270～280 Pa 之间，满足气膜内部正压支持力要求。