煤矿瓦斯氧化工程应用安全要求

乏风输送

乏风输送的关键是输送管道与扩散塔连接方式的确定。该矿主要通风机为轴流式风机，钢筋混凝土立式扩散塔，按可全部取气利用乏风方式设计，设计原则要求如下：首先保证现有通风系统的正常运行。一是保证矿井通风能力，满足通风量要求；二是实现2台主要通风机的正常切换运行；三是当需要时，保证及时切换到主要通风机反转从扩散塔实现向井下反送风的需要；四是保证在出现最不利的情况下，不能“憋”主要通风机（GAF25－11．8－1型轴流式通风机最大背压不大于2455Pa）。其次还要考虑到为10台氧化装置输送乏风的经济性，即尽量利用主要通风机的风力，减小氧化装置引风机的功率消耗。基于以上要求，采取以下设计方案：1）结构设计如图2所示，在两扩散塔出口分别设置电动百叶阀，从平行于两扩散塔连线的扩散塔侧面开长槽形取气孔，以保证扩散塔的结构强度和稳定性。两扩散塔引出管道上分别设置电动百叶阀，切换两扩散塔的风流。两引出管道向下接入地面以下用砖混结构建成的乏风主巷道。两分支管道截面积满足风流速度不大于25m／s的要求，地下砖混结构乏风主巷道为3．5m×4．0m，满足乏风流速不大于15m／s。图2乏风取气方式示意图2）控制思路设计如图3所示，系统由百叶阀、电磁离合器、电动机、连锁控制系统、压力传感器等组成，电磁离合器设置在百叶阀与电动机之间。正常工作过程：首先为在用的扩散塔电磁离合器供电，将电动机与百叶阀连接，百叶阀投入使用；根据扩散塔内的乏风压力自动调节百叶阀的开度，匹配氧化装置的供气需求，保证扩散塔内压力不小于“0”；当需要切换另一台主要通风机运行时，先将对应于该主要通风机的电磁离合器上电，使这套系统投入运行状态，后将对应于原运行主要通风机的电磁离合器电源切断，其他相应工作环节置于停运状态；当井下需要由主要通风机反送风时，由电动机将百叶阀置于全开状态；百叶阀从全开到全关或全关到全开状态，用时不超过2min。图3乏风取气利用安全控制框图当出现非常情况时（如电控停电、电动机机械故障等），连锁控制系统感知扩散塔内的风压过高（如超过1．5kPa后），连锁控制系统发出指令通过电磁离合器将电动机与百叶阀分开，百叶阀在主要通风机通风风力的作用下全部开启；如需要向井下反送风，而此时百叶阀电动传输系统故障不能打开，则由连锁控制系统感知扩散塔内的负压，由连锁控制系统发出指令通过电磁离合器将电动机与百叶阀分开，百叶阀在主要通风机通风负压作用下将百叶阀吸开。另外，在进入每台氧化装置的乏风分支管道上设置的脱水过滤器具有二位三通阀的功能。氧化装置正常工作时，抽排瓦斯与乏风混合气体通过此设备进入氧化装置。当百叶阀不能正常工作，并且氧化装置不工作时，可切换到排空通道，使此设备不能切换，因为氧化装置本身是一个通道，也不会造成管道“憋压”现象。

乏风从扩散塔送入地下主巷道，主巷道深3．5m、宽4m、总长82m，分支巷道深3．5m、宽2．2m、总长70m。通过管道水力计算，乏风输送的沿途总压降不大于0．2kPa。对应于每台氧化装置，从巷道顶部开孔，以Φ1600mm的管道将乏风送至脱水过滤器，如图4所示。1—乏风分支管道；2—脱水过滤器；3—引风机；4—过渡管道；5—过渡管道支架；6—氧化装置。

抽排瓦斯输送及与乏风掺混

一套瓦斯浓度检测分配输送控制系统，实时检测各抽放系统瓦斯浓度，将浓度大于等于8％的瓦斯送入瓦斯内燃机发电的公共管网，浓度小于8％的瓦斯送入氧化装置发电的公共管网，之后按照AQ1078—2009《煤矿低浓度瓦斯与细水雾混合安全输送装置技术规范》［3］等低浓度瓦斯发电的系列安全标准要求，将这部分抽排瓦斯送入氧化装置附近的Ф1000mm低浓度瓦斯公共管道。2．2抽排瓦斯与乏风掺混抽排瓦斯与乏风掺混采用一套如图5所示的模块化瓦斯添加系统，其主要部件是阻火泄爆器5、快速切断阀8、电动调节阀10、机械关断阀13。1—手动蝶阀；2—压力变送器；3—浓度取样管；4—电动调节切断阀；5—阻火泄爆器；6—底盘；7—压力表；8—快速切断阀；9—电气控制系统；10—电动调节阀；11—挠性橡胶接头；12—电磁阀；13—机械关断阀。图5抽排瓦斯添加系统1）阻火泄爆器：除符合AQ1072—2009《瓦斯管道输送水封阻火泄爆装置技术条件》［4］的规定外，还具有保持阻火液面高度的自动控制功能，并内置金属丝绒，兼具瓦斯过滤、脱水及阻火功能。2）快速切断阀：采用电磁控制，正常工作时手动将阀门开启，通电吸合保持开启状态；失电后电磁力消失，在重力作用下快速切断阀在1．5s内切断抽排瓦斯通道。3）电动调节阀：根据氧化装置设定的抽排瓦斯与乏风混合后的浓度，自动实现电动调节该阀开度。4）机械关断阀：由抽排瓦斯与乏风混合增压后的气体压力将该阀开启，当混合后气体压力消失或降低到一定数值后，在阀芯重力、复位弹簧力及抽排瓦斯压力的共同作用下，15s内关闭抽排瓦斯供给。该阀实现抽排瓦斯与乏风联动供给，保证在没有乏风进入氧化装置时，抽排瓦斯不会单独进入氧化装置。当系统电动调节阀10不能正常调节抽排瓦斯掺混量，掺混后的甲烷浓度超出设定值时，快速切断阀8动作，切断瓦斯添加。氧化装置启动开机运行时，机械关断阀13保证抽排瓦斯与乏风同时进入氧化装置；当由于各种原因，乏风不能进入氧化装置（即引风机失压），其会动作，保证抽排瓦斯不会单独进入氧化装置引起可能的爆炸危险。另外，阻火泄爆器5保证一旦氧化装置出现危险，将阻止火焰向抽排瓦斯输送管道回传，保护矿井抽排系统的安全。

外部条件缺失安全保护

设置水质硬度在线监测报警装置，当水质硬度超限时，报警系统发出声光报警信号。2）设置备用水箱或水池，当液面低于设定值时，应能发出声光报警信号。停水保护1）设置备用水箱。保证容量不小于氧化装置1h的额定蒸汽流量，并有防冻措施。2）外部水源停止供给时，发出声光报警信号，在3s内切断抽排瓦斯通道的同时切断抽排瓦斯与乏风混合进入氧化装置的通道。停电保护1）如项目外部大网停电故障失电，抽排瓦斯添加系统在1．5s内自动切断抽排瓦斯添加通道，同时由脱水过滤器切断抽排瓦斯与乏风混合进入氧化装置的通道，并手动关闭抽排瓦斯通道上的阀门。10min内启动备用的1台260kW的自动化柴油发电机组为供水系统、监控系统、照明系统等提供应急电源。2）如引风机电源失电或故障停运，抽排瓦斯添加系统在1．5s内自动切断抽排瓦斯添加通道，同时由脱水过滤器切断抽排瓦斯与乏风混合进入氧化装置的通道，并手动关闭抽排瓦斯通道上的阀门。

大佛寺瓦斯氧化发电工程运行情况

一期项目于2011年5月开始建设，2011年11月建设完成，2012年3月完成氧化装置主体的调试，各项性能指标基本达到设计要求。2012年7月单台氧化装置并气并网发电成功，2012年8月实现5台氧化装置全部并气并网发电，正常商业化运行，矿井主要通风机工作正常，各项保护措施通过模拟试验证明安全有效。氧化装置在额定状态下运行，汽轮机发电3200kW以上。在项目试验调试过程中曾出现氧化装置风量偏小（最大45000m3／h），通过更换引风机，采用变频控制，单台氧化装置最大风量达70000m3／h，引风机功耗136kW，超设计值10000m3／h。在设计风量60000m3／h时，引风机功耗90kW，在设计功耗范围内。应用现场由于其他工程作业和雷电各造成一次项目主供电箱变停电事故，瓦斯添加系统各部件可靠动作，保护了氧化装置和矿井的安全。同时，启动备用电源，在设计的保安时间内，切换给水泵供电，保证了氧化装置上的汽包液位在安全范围内。

1）大佛寺煤矿是国内第1个瓦斯氧化发电的示范项目，也是第1个抽排瓦斯和乏风全部利用，实现瓦斯“零排放”的生产矿井。通过工程配套设计、建设和项目运行，证明乏风取气方式、输送以及与抽排瓦斯的掺混是安全可靠的，没有对矿井风排系统和瓦斯抽放系统带来不利影响。2）目前我国煤矿风井主要通风机大多采用对旋式轴流风机，扩散塔大多为卧式金属结构，可参照此方案设计建设。根据当地地形条件，主体输送管道可在地下敷设，也可由架空管道输送到氧化装置附近。主体管道可以是砖混结构的，也可以是玻璃钢等非金属材料制成的，还可以是金属框架结构的。3）为便于在煤炭行业推广应用瓦斯氧化工程建设项目，建议尽快出台行业标准。

本文作者：马晓钟工作单位：胜利油田胜利动力机械集团有限公