矿井通风灾害防控技术新进展.pdf

应山西省煤炭学会邀请，中国矿业大学“矿山灾害防控与资源化利用”研究团队周福宝教授出席山西省煤炭学会总工程师委员会年会，暨第四届山西省煤炭总工程师论坛，并为近 名煤矿总工程师作 矿井通风灾害治理技术新进展 主旨报告。报告内容丰富，兼具理论和实践价值，对于提升煤矿通风灾害防控水平具有重要的指导意义。矿井通风灾害防控技术新进展周福宝（中国矿业大学，江苏 徐州 ）智能通风与应急控制技术针对矿井通风与应急调控智能化不足的现状，立足“平战结合”的理念，揭示了矿井火灾、爆炸、煤岩动力等灾害情况下的风烟流扩散运移、诱导风流紊乱和风流调控机制；研发了通风参数，快速准确获取关键技术和风网实时解算方法；研发了灾变风流应急调控关键技术装备，开发了三维可视化的矿井通风智能辅助决策软件平台，形成了矿井灾变通风智能决策与应急控制关键技术与装备体系。）灾变风烟流演化机理与风流调控机制。研究了基于超算和自学习的矿井火灾场模拟快速算法，实现了火源区域燃烧、烟流流动特征的准确刻画；构建了火灾烟流温度和烟气含量演化模型，获得了矿井火灾时期风烟流演化规律。搭建了煤与瓦斯突出等效通风网络模拟实验平台，揭示了突出过程中压力、气体、煤粉在风网中的传播运移规律。基于 目标控制算法，构建了防止矿井巷道火灾烟气逆流的局部控风模型；基于最短路径、最小影响的全风网灾害气体排出控风模型，建立了全矿井火灾烟流全风网控风模型。）矿井通风参数实时在线监测与风网高精度解算。基于超声波时差法研发了高精度风速传感器，优选了前端压力膜盒、设计了温度补偿电路，研发了高精度风压传感器，建立了矿井通风参数在线监测系统，实现了通风参数的快速准确测定；融合扰动识别、故障源诊断与阻变量反演算法，建立了非定常热湿通风网络的实时解算模型，形成了基于有限通风监测参数的全风网通风参数高精度实时解算方法。）灾变风烟流应急调控技术及装备。揭示了风井防爆门与主通风机协同防灾减灾机制，提出了快速复位的方法，研发了防爆井盖电磁自动快速锁扣构件，开发了高可靠性同步配重智能立井防爆门装备；研发了柔性防爆密闭装备和灾区动态感知及密闭控制系统，实现了灾区远程快速密闭；提出了备用动力源、交叉感知等集成化冗余方法，研发了新型灾区风烟流联动控制装备，解决了灾变环境下的自动控风排烟难题。）矿井智能通风与应急控制软件平台。研发了采掘地点需风量动态核算技术，发展了基于风门压差风量复合特征的通风异常隐患快速诊断方法，提出了风量敏感度分析与灾变演化信息融合的控风策略自动生成算法，提出了灾情全息在线可视化 融合技术，开发了风网实时解算及灾变智能决策一体化软件平台，实现了通风系统灾情快速研判、控风智能决策。目前，已形成了成熟的矿井智能通风系统整体解决方案，承担了山东能源集团付村煤矿、转龙湾煤矿、徐矿集团张双楼煤矿，大屯煤电孔庄煤矿、淮河能源谢桥煤矿等十余座矿井智能通风系统建设。矿井粉尘监测及防治技术 矿井粉尘精准监测技术目前粉尘含量监测技术主要有滤膜称重法、振收稿日期：作者简介：周福宝（），男，江苏南京人，中国矿业大学安全工程学院教授，博士生导师，长期从事公共安全与职业健康等方面的科学研究与人才培养工作。引文格式：周福宝矿井通风灾害防控技术新进展山西煤炭，（）：，（）：荡天平法、光散射法、静电感应法、光吸收法等。滤膜称重法准确度高，在国内外都被认定为职业卫生合规性检查手段，同时也常被用于标定其他的粉尘监测方法，但是需要长时间采样和实验室称重，导致测量结果具有滞后性。当前矿井普遍采用的光散射法和静电感应法能够在线实时监测，但测量结果受粉尘成分、粒径分布、温湿度等因素影响，准确度较差且传感器易受污染。煤矿井下常用的直读式测尘仪是基于红外光吸收原理，该类仪器需要频繁更换滤膜，难以满足长时间连续监测的需求。对此，团队提出了一种磁带式自动更换滤膜系统，实现了高含量、宽量程范围内自动连续测定粉尘含量。为准确监测个体呼吸性粉尘含量，开发了基于锥形元件微量振荡天平原理的穿戴式个体呼吸性粉尘连续监测仪，通过精准测量振荡管振荡频率，得到粉尘质量浓度，具有准确度高、不受粉尘性质影响、实时监测的优点。针对粉尘在线精准检测，开发了基于光散射单粒子计数原理和粉尘分流稀释采样技术的总尘和呼尘同步监测仪，以及基于粒子群光散射原理、具有防污染光学结构和气路结构的超大量程在线式粉尘监测仪。在线式粉尘浓度传感器可接入煤矿安全监测监控系统，实现长期连续粉尘监测，同时基于气固两相流粉尘运移模拟和定点监测，建立了个体呼吸性粉尘日累积暴露和职业生涯累积暴露监测预警系统，实现粉尘暴露职业健康状况动态化监管与健康风险有效评估。针对矿井粉尘成分监测，目前关注最多的是粉尘中游离二氧化硅含量的测定。现有的检测方法有焦磷酸法、红外分光光度法和射线衍射法。这些方法均需要样品预处理和实验室分析，需进一步研究快速直读检测方法。团队提出了基于便携式傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱技术的二氧化硅检测方法，在降低检测限的同时，可实现现场快速分析粉尘成分。矿用干式过滤除尘技术我国煤矿巷道掘进量已超过 ，居世界首位。巷道掘进机械化水平日益提高，导致作业产尘强度大、粉尘含量高，极易诱发尘肺病，严重威胁着作业人员身心健康，尤其是很多煤尘还具有爆炸危险性，威胁安全生产。为解决煤矿井下掘进粉尘污染问题，团队开发了矿用干式过滤除尘技术，具有零耗水作业、呼尘净化效率高、无二次污染等优点。主要创新技术包括：）滤料阻燃与滤径适配技术。研制了阻燃抗静电矿用复合滤料，提出了工程滤径计算模型，保障了煤矿井下易燃易爆环境下干式过滤除尘器的安全高效运行。）滤筒内置柱锥体强化清灰技术。针对滤筒清灰均匀性差的难题，研发了滤筒内置柱锥体强化脉冲清灰装置，借助柱锥体的阻碍碰撞作用强化清灰效果，显著提高了滤筒高度方向清灰均匀性。）成套装备便捷移动除尘工艺。研发了适应现场掘进工序的胶带机支撑式、单轨吊悬挂式、掘进机机载式、动力车车载式等多种现场便捷移动除尘工艺，解决了除尘装备与掘进工序匹配难的问题。干式过滤除尘技术在大屯煤电、神华神东、淮南矿业集团、冀中能源、神华宁煤、阳煤集团、潞安集团等大型煤炭企业应用，现场总尘除尘效率均大于，与喷雾相比，除尘效率提高了 ，解决了煤矿井下掘进工作面粉尘污染问题，保障了工人的职业健康，填补了国内矿用干式过滤除尘技术空白。皮带运输自发电感应雾化降尘系统带式输送机因其运输能力大、运输效率高等优势被广泛应用于煤矿井下运输，但带式输送机运输原煤及转载过程中会产生大量粉尘，其中 以上为呼吸性粉尘，导致胶运大巷作业人员暴露在高含量粉尘环境中，增加了罹患尘肺病的概率。皮带喷雾可以有效解决皮带运输扬尘问题，但掘进巷道长距离铺设电缆费时费力，还存在安全隐患；采用蓄电池方式供电需要定期更换蓄电池，若更换不及时将导致除尘防系统瘫痪。为此，基于永磁滚轮自发电原理，开发了体积小、损耗低、效率高的皮带运输滚轮永磁自发电技术，利用导线切割磁力线感应出电势，将皮带运输动能转化为 的稳定电能，供给除尘设备使用。基于皮带运输永磁滚轮自发电技术、自感应雾化除尘技术，研制了皮带运输自发电感应雾化除尘系统，确定了系统间隔安装距离，并在红柳林煤矿胶运大巷示范应用，胶运大巷粉尘质量浓度控制在 以下。井下 主动控制与处置技术针对煤矿、舱室、隧道等受限空间的火灾与爆炸灾害，首创 毒害气体主动消除方法，研制了一种过渡金属氧化物消除剂，降低化学反应的活化能，基于催化氧化机理，实现 快速氧化，从而在短时间内将灾害环境中的 含量从致命高危险区间降至低危险区间，利于涉险人员在黄金逃生时间内顺利脱险。山西煤炭第 卷该技术可以采取粉棚或储压悬挂式消除装置，通过冲击波自动触发释放，形成消除剂粉尘云带主动捕捉爆炸产生的，或采用内置消除剂粉体的便携式气载 消除装备，人工在防火防烟分区内喷洒消除剂，方便涉险人员自救及消防人员救援。采用该技术及自主研发的便携式气载 消除装置，在国家矿山应急救援开滦队的全尺寸巷道中进行了火灾 产物的消除实验，可以瞬间将独头巷道内的 体积分数从 降至 。基于本技术的炮掘 原位处置技术在安徽淮北青东煤矿、临涣煤矿、贵州毕节高山煤矿等地投入应用，最高能够消除 的爆破 产物，对防范和遏制煤矿井下爆破后 超标起到了显著的效果。针对井下防爆柴油机尾气污染物超标的问题，基于 物理化学吸附与催化氧化的原理，制备出适用于防爆柴油机正常工况下的 催化剂，设计开发出体积小、非电驱动的 净化装置，可以有效净化防爆柴油机尾气，将颗粒物和有害气体的含量降至较安全的水平。在榆林凉水井煤矿以 防爆柴油无轨胶轮车为改造车型，在防爆水箱前合适位置加装尾气净化箱体。实施该技术后，猛加油门工况下，以上超限现象未出现，以上超限次数由改造前的 次分别降低至次与次，下降率分别为 与 。平稳运行及暗副斜井大爬坡工况下的 消除率均达到 以上，超限现象明显降低。煤层瓦斯含量快速精准测定技术煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。现有瓦斯含量测定方法需要井上和井下分阶段测量，井下使用量筒排水人工读数计量，推算损失瓦斯量的模型为经验模型，导致测定周期较长、测定效率较低、测定误差较大。为此，团队提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定新方法，研发了 型煤层瓦斯含量测定仪。该技术完全符合现行 煤层瓦斯含量井下直接测定方法 的规定要求，基于取样过程中损失瓦斯量的全过程反演补偿模型准确推算损失瓦斯量，误差小于；创新设计了井下煤样保压密封破碎系统，可在井下现场破碎煤样，进而测定残余瓦斯量；研制了瓦斯解吸量自动化计量系统，测定精度达到 ；开发了数据智能化采集处理系统，首次实现了煤层取样、自然瓦斯解吸、粉碎解吸瓦斯、损失瓦斯量、残余瓦斯量等过程全部在井下完成，井下现场实时生成测定报表，测定时间由原来的数小时缩短至 以内，成功解决了传统技术测定周期长、结果误差大、操作工艺复杂等一系列问题，提高了瓦斯含量测定的效率和准确性。该设备总重约，便于技术人员携带入井，随时测试煤层瓦斯含量、残余瓦斯量，直接指导矿山安全生产及瓦斯防治方案制定、技术实施、效果检验，大大降低了工人劳动强度，提高了矿井的安全生产阈值，有利于政府、行业管理部门对矿井瓦斯参数的安全监管。目前，已成功应用于山西、陕西、贵州、黑龙江、辽宁、河南等地六十余座矿井。水环真空泵节能高效抽采技术我国煤矿瓦斯抽采普遍使用水环真空泵，全年有数万台在连续运行，年耗电量超百亿度，但其运行效率通常低于，其高耗能、低效率已成为亟待突破的工程难题。基于流体力学湍流减阻原理，团队研发了基于高分子工质的水环真空泵节能高效抽采技术，即将常规所用的水介质改性为具有黏弹特性的高分子溶液，通过调控泵内液环流场以大幅降低流动过程中的摩擦损失和湍流损耗，节能效果显著。依托国家级泵类检测检验中心试验系统，搭建了特大型水环真空泵节能试验装置，包括：水环真空泵（额定功率 ）、热交换系统、气液分离器、进排气管路以及数据监控系统等。试验结果表明：研发的高分子工质具有高效稳定的节能性能，并对不同水质具有优良的适应性。以进气压力 为例，水环真空泵的轴功率由 降至 ，抽气量由 升至 ，比功耗由 降至 ，节能率在 以上，证明了该方法对矿用水环真空泵节能增效的推广适用性较强。根据煤矿地面和井下水环真空泵站运行环境及抽采工况，开发了地面半封闭式水环泵节能抽采系统、地面全封闭式水环泵节能抽采系统和井下直注式水环泵节能抽采系统种工艺模式，形成了由高效型高分子工质、全自动节能工质配补一体化装置、节能工质最优黏度控制装置等部分构成的关键技术体系，有效降低了抽采系统的能耗水平，并在潞安矿业集团古城矿、淮南矿业集团张集煤矿、韩城矿业公司象山煤矿等成功应用，节能率在 以上，应用效果显著。（以上内容来自第四届山西省煤炭学会特邀报告摘编）（编辑：安娜）第期周福宝：矿井通风灾害防控技术新进展山西煤炭是由太原理工大学和山西省煤炭学会共同主办的煤炭行业学术期刊。创刊于?年，目前为季刊，季末出刊，国内统一连续出版物号?，国际标准连续性出版物号?。?办刊宗旨及刊登范围山西煤炭 集中展示与煤炭相关的行业科研成果、煤炭产业的技术革新和应用、煤炭能源经济管理以及煤炭综合利用的最新进展?促进煤炭行业学术交流，推动煤炭行业发展。本刊主要栏目：?煤炭资源清洁利用与转化；?采矿与井巷工程；?煤矿安全与灾害防治；?矿山机电智能化与数字化矿山；?煤田地质勘探与矿山环境；?煤炭经济管理。?投稿方式投稿网址为?，登录系统投稿者必须为论文作者。?稿件要求来稿应具有科学创新性或技术先进性，务必论点明确、论据充分、文字精练、数据可靠，引用文献著录项目齐全。每篇论文?包含图和表?一般在?字，必须包括（按顺序）：题目，作者姓名，作者单位及邮政编码，中英文摘要及关键词，中图分类号，正文，文后参考文献。请在文稿篇首页地脚处注明：收稿日期，基金项目，作者简介。?注意事项?）本刊仅接收在线投稿。?）来稿一经采用，依照 著作权法 规定，本刊编辑部可以对来稿作文字性编辑加工和修改，如不同意请另投他刊或附说明。?）本刊将为文章被录用的作者免费邮寄当期刊物?本。欢迎大家踊跃投稿！通讯地址：太原市迎泽西大街 7 9 号 山西煤炭 编辑部电子邮箱：s x mt b j b 1 2 6.c o m联系电话：[phone]山西煤炭 编辑部周福宝，长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者，现任中国安全生产科学研究院党委副书记、院长，兼任国务院学位委员会第八届安全科学与工程学科评议组联合召集人，中国矿山安全学会副会长等。长期从事公共安全与职业健康等方面的科学研究与人才培养工作。主持完成国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目、国家 1 1 1 学科创新引智基地项目、教育部创新团队发展计划等科研项目 3 0 余项，研究成果在国内外数百座矿山、隧道工程等领域直接转化应用。近年来，获国家技术发明二等奖 1 项、国家科技进步二等奖 3项及省部级科技进步一等奖 6 项，获授权国家发明专利 8 0 余件、软件著作权 4 件；出版学术专著 3 部，主编教材 2 部。2 0 1 7 年后，连续入选 E l s e v i e r 在安全科学与工程学科领域的中国高被引学者。曾获科学探索奖、何梁何利科学与技术奖、全国创新争先奖、中国工程院光华工程青年科技奖，以及万人计划科技创新领军人才、百千万人才工程国家级人选、国家有突出贡献的中青年专家等荣誉称号。