CN1818343A - 防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统 - Google Patents

Abstract

防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，适用于存在瓦斯突喷和透水危险的矿井。其自适应负压通风与排水合一方式，能即时排除σ/u/δ三型瓦斯和u/δ型透水，井巷瓦斯、粉尘浓度几乎为0，保障矿工生命和健康。系统含揉动式二相流泵和管道。泵的入口软管置于掘采工作面负压抽吸，中间串有透水排除控制器。其物相参数适应性适应各型事故的状态突变。泵出口接高速管道经竖井等近道排出井外，中途可有多次变径节减速节能。瓦斯突喷时，泵有超数量级后备能力予以即时排除。突发透水亦然。或者还设储气罐储能助力，由泵增荷信号打开控制阀使泵减荷。带流体加压泵者为流体传动方式，二相流泵由流体马达驱动。系统能使矿难发生率降数量级。

Description

防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统

【定义】

矿井通风排水——为维持矿井内人员生存和作业的气候条件而采取的技术措施，包括排除瓦斯、粉尘、硝烟、CO_X、热湿载荷等有害因素补充新鲜空气的通风措施，以及排除地层渗水和突发性透水的排水措施。

即时性——特指矿井通风排水总是实时有效的技术特性，要求对于瓦斯突喷和透水事故具有即时响应的功能保障能力。即时性是矿井突发性瓦斯透水事故应对措施的创新，填补了现有技术的功能完备性漏洞，是防治矿难的技术关键。

自适应——本发明创新的矿井通风排水系统保障功能即时性的技术特性，要求系统能适应各类事故态的物相、流量及输出压力和功率的突变。

通风排水合一方式——将通常各自独立的矿井通风和排水措施合并为一、由一套二相适应的流体机械系统一并完成的创新方式。

自适应即时通风排水——采用通风排水合一方式的、具有自适应性和即时性的矿井通风排水技术措施，为本发明所原创。

二相流、气液比——由气相和液相流体混合而成的流体称为二相流，其气相与液相容积流量之比称为容积气液比，本发明简称气液比。

二相流负压源——具有二相适应性的流体加压泵，工作时入口压力自适应地低于环境压力时构成二相流负压源，本发明要求其气液比的动态范围为0～100％。

扩散型通风——风井压入或回风井抽出形成回流的机械通风方式，为现有技术所广泛采用。该方式以大量新鲜空气混合井下瓦斯、粉尘等有害物质，稀释为降浓度泛气排出，有害物浓度与涌出量成正比，与风量成反比。按常瓦斯涌出量设计的达标风量常大至设备极限，瓦斯突喷时不能即时排除，还会将燃烧危险转换为爆炸危险，爆炸当量随行程增大而增大。

非扩散型通风——在掘采工作面设负压抽风口，从源头抽排有害气体和引导新风向内补进的通风方式，是即时通风的方式基础。当设防于瓦斯突喷大数量级的值守能力时，所需风量仍较扩散型小数量级，且巷内有害物浓度可几乎降为0。

瓦斯突喷——瓦斯突出和瓦斯喷发的合称，其物理成因各异，数学模型上分为u函数(阶跃函数)和δ函数(脉冲函数)两大类型。

σ型(常密度面分布型)瓦斯——掘采作业中卸压暴露引起的煤层瓦斯的连续性逸出，为日常伴随型。常规通风方式下，瓦斯稳态浓度与采掘速率成正比，与通风流量成反比，超过临界值时有爆炸危险。

u型(常流量阶跃型)瓦斯——地层容空压力瓦斯的阻力型通透引起的喷发，可能由掘采、放炮、矿震等因素触发，有窒息、燃烧、爆炸的危险。

δ型(常容量冲激型)瓦斯—地层容空压力瓦斯的弱阻力型通透引起的喷发，冲击性是其特点，可能由掘采、放炮、矿震等因素触发，有窒息、燃烧、爆炸的危险。采动卸压引发的瓦斯突出也可归于这一类型。

u型(常流量阶跃型)透水——突发性的地层水体的阻力型通透，可能由掘采、爆炸、矿震等因素触发，有导致持久的迁延性矿难的危险。

δ型(常容量冲激型)透水——突发性的地层水体的弱阻力型通透，可能由掘采、爆炸、矿震等因素触发，有迅速形成矿难的危险。

揉动——刚体绕一轴线转动，谓之公转，又同时绕更接近其于质心的另一平行轴线逆向转动，谓之自转，当自转和公转角速度之绝对值相同或相近时，两者复合为一种平动或近平动运动，称为揉动。当揉动之自转和公转的瞬时角速度之绝对值始终相等时，构成纯粹揉动，其上各质点作同步圆周运动。

揉动系统——本发明特指采用揉动式流体机械设备、利用其本原特性实现矿井自适应即时通风排水的系统。

揉动式流体机械——包含揉动变容机构并通过该机构实现主要目标功能的流体机械，可分为动力、传动和制动、流体传送、计量及状态和流态控制诸功能类型，构成内燃机、水力发动机、液压和气动马达、水泵、油泵、二相流泵、风机和压缩机、真空泵、二相流真空泵、液压变扭器、液压变速器、多路功率分配器、液压制动器、参数锁定控制泵、参数调制泵、计量泵、定比配流装置、能量交换机组、随机能流积分装置等应用类型。

揉动变容机构——采用揉动变容方法的变容运动机构，由揉动机构、包容揉轮及其揉动空间的揉腔和隔离变压容腔与等压容腔的随动隔板组成。

揉动机构——由揉轮和通过轴承约束揉轮的曲轴组成的运动机构，其刚性约束体系使得曲轴只有一个转动自由度，揉轮因而获得一个牵连的公转自由度，其独立的自转运动因惯性力和摩擦力的约束而被柔性驱动并受限制，或者还因另一刚性约束的存在而被刚性限制，但复合为揉动的自转自由度具有充分性。揉动机构之质点运动空间和运动速度很小，而其占位之运动空间及功能速度却因接力机制而被放大约1个数量级，相应的功能效应同比放大。

揉轮——作揉动运动的减重圆柱体部件，通过轴承同轴地约束于曲轴之偏心轴段，曲轴旋转时，揉轮随之公转并因惯性而自转，构成揉动。

揉腔——容纳揉轮揉动并与之形成相切配合关系的圆柱形容腔，揉腔与揉轮的差空腔为工作容腔，被相切密封线分隔为互补变化的变压容腔和等压容腔。

变压容腔——变容过程中，流体的压力和比能在其间发生变化的工作容腔。对于可压缩流体，其变化是连续的，对于不可压缩流体，其变化为阶跃型。

等压容腔——变容过程中，流体的压力和比能在其间不发生变化的工作容腔。流体运动过程为等压过程，是下一个周期的变压过程的同步准备过程。

曲轴——一种约束揉轮并传递力和力矩的刚性转动部件，由双轴或多轴圆柱体段连接而成，其中以揉轴为轴线的圆柱体段称为主轴或者也称揉轴，其余的圆柱体段称为偏心轴，用于约束揉轮，其轴线为揉轮自转轴。

随动隔板——与揉轮连接为一体或同步地跟随揉轮运动并保持与其圆柱面密封接触的平面构件，是变压容腔和等压容腔之间的隔离结构，在揉轴平面上运动或者与其平行。

旋塞——摆揉机构随动隔板的约束构件，呈圆柱形，开有过轴线的插槽，可定轴限幅转动，能对与揉轮或揉腔刚性连接的随动隔板进行过其轴线的约束。

扫膛——揉轮占位在揉腔中与腔壁相切地旋转的运动，是导致工作容腔变容的功能运动。

接力机制——揉轮占位及揉腔密封线的移动等大幅功能运动由不同的质点以连续替换位置的小幅运动实现的机制，有如接力。

力系自平衡性——在揉动式流体机械中，变容机构内部及相涉外部的运动副只通过轴承来传递力和力矩的特性。

恒流特性——揉动式流体机械的输出特性之一，即流量与转速成正比、恒速导致恒流的特性，而压力则与流量无关地自适应于负载。

物相通用性——揉动式流体机械安全条件限度内的流体物相通用性，即耐压、轴强、速限三上界参数对应之上界压力限度内任选无违化学禁伍的流体物相均具有经济效率的适应性，其中包含压力自适应性。

压力自适应性、功率自适应性——揉动式流体机械输出压力与流量无关而自适应于负载的特性，功率决定于负载压力和转速。

揉动式二相流泵——由揉动变容机构组成的揉动式加压泵的一种设计类型或应用称谓，用于气液二相流体的增压作业，广具气液比适应性。

揉动式马达——直接由流体压力驱动的揉动变容式发动机，是揉动式流体机械的重要应用类型，液压马达、气动马达是其分别设计的应用类型。

揉动式液压泵——由揉动变容机构组成的揉动式加压泵的一种设计类型，用于液压传动，其工作压力较高或很高。

揉动式压缩机——由揉动变容机构组成的揉动式加压泵的一种设计类型或应用称谓，用于气相或气液二相流体的增压作业，可实现等温压缩。

单揉腔——揉动式流体机械只包含1个揉动变容机构，只有1个揉腔。其瞬时流量存在基频脉动，其惯性力不能忽略时设揉轮内摆实现平衡。

揉轮内摆——圆柱体揉轮做成中空的减重结构，在其内部布设一与主轴一体的或者刚性连结但可拆卸的偏心摆，摆的转动惯性力与揉轮的揉动惯性力在同一个平面上，且大小相等方向相反而互相抵消。

双揉腔——揉动式流体机械包含2个排量相等的、互相错相180度的揉动变容机构，有2个揉腔。其瞬时流量无脉动。其惯性力不能忽略时，分别设揉轮内摆各自实现平衡。

三揉腔——揉动式流体机械包含3个排量按1+2+1比例配置的、相邻错相180度的揉动变容机构，有3个揉腔。其瞬时流量无脉动，其惯性力自平衡。

四揉腔——揉动式流体机械包含4个排量按1+1+1+1比例配置的、相邻错相180度的揉动变容机构，有4个揉腔。其瞬时流量无脉动，其惯性力自平衡，其载荷力对称旋转形成力偶矩。

运动机构自平衡——对于三揉腔、四揉腔单机及更多揉腔的功能机组，通过运动机构的惯性力系的空间分析和规划，可实现高速运转无振动的自平衡设计。

随机事件响应——本发明特指矿井通风排水系统对突发性的瓦斯突喷和透水具有即时排除的功能响应，以既非人工、又非闭环自动控制的自适应能力值守的双傻瓜型本原设计实现。

钳位水箱，透水排除控制器——布设于工作面附近低高程点的三通容器，其通气流道串联于二相流负压源(二相流泵)的入口管道中，其入水流道通过水封筛网就地开口，水封压差大于入管的相对真空度，使之常态通气。

中速管——二相流泵加压后输出流体的正压输送管道，其耐压按排水扬程设计，其流速按气液混相湍流之临界雷诺数确定。

变径节——中速管之后程扩径减速管段，应用于竖井可大幅度减功节能。

井下无电源通风排水机——由揉动式二相流泵和揉动式流体马达同轴组合的机组，采用三揉腔或四揉腔的泵结构和双揉腔的马达结构，是本发明创新的自适应即时通风排水机械。其泵和马达均无脉动，惯性力整体自平衡。其无电源特征具备完全的防爆性和抗水毁性，适应性和可靠性极高。

井下压力储气罐——布设于井下岩性洞穴中的耐压容空，用来储存压缩空气在透水时提供即时排水助力。罐洞一般开凿为球形，用焊接钢板衬里密封，由岩体承压，经济安全。

助力——自适应即时通风排水系统透水事故专用的一种压缩空气辅助动力。透水的先验概率很小，不值当配置大功率动力，通过常备压力储气罐提供气压驱除助力，能使设备功率配置合理化，深井应用尤其如此。

本发明名为“防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统”，属于矿山安全技术领域，适合于存在瓦斯事故危险、透水事故危险以及粉尘和其他井下气候危害因素的矿井使用，可据以保护矿工的生命和健康。

本发明是对现行矿井通风排水技术的改进，但不是在同一技术模式下针对现有技术的局部性缺点进行的改进，而是超越现有的技术路线和技术模式及其所依据的前提进行的创新。这种创新的必要性需要分析矿井安全技术的整体背景包括社会观念对技术路线的影响才能说明清楚。

首先讨论本发明主题所涉领域之人与技术的关系问题，这牵涉到安全责任对人和机器的合理加载，牵涉到安全系统的复杂度和可靠性规划。

矿井作业危险因素很多，容易发生事故。造成群死群伤的生命损失和矿井损坏的重大事故称为矿难。矿难是一种严重的社会创伤，必须采取根本性的措施予以防治。而防治的关键在于矿山安全技术的创新和进步。

主要的原发性危险来自井下地质因素，但造成事故的直接原因大部分在事后可以追溯到人员作业的不规范性，是人的不当行为触发或者触及了危险。因此，许多人认为，防治矿难的问题主要是一个管理的问题。设想，如果管住人的行为，使之不触发、不触及危险，事故就不会发生。每一次事故分析，都几乎可以找到这样的事实和得出这样的结论，其推理过程的逻辑也对。但这仅仅是基于微观和静态分析得出的结论，表面化的结论常常会导致对事物本质的误解。

在宏观上，“管住人的行为”的大前提不再是确定性的状态，而是一个称为管理响应的随机过程，具有天文数字的可能性和复杂的概率描述结构；三段论逻辑的意义不再成立，它变成了一个转移概率矩阵，且主权在技术系统；管理结果是一个具有复杂概率函数的复杂结构，其统计指标与管理行为的联系大为弱化，有时甚至不相关。加强管理无疑能减少矿难，但减少量是有极限的。到最后，无论管理应力加到多大，“管不住人的行为”事件在一定的文化背景下有其稳定的概率分布，而违规导致矿难发生的模式及其强度的概率分布完全是由技术系统的内在逻辑决定的。因此，在宏观上，矿难的统计模型及其特征量是由技术和文化联合决定的。其中，技术是第一位的内在因素，文化是第二位的调整因素，管理是文化的动态局部，只具有在文化内部调整违规事件的概率分布的有限作用。

在保障矿山安全的技术系统和人员作业的管理系统以及这两个系统的管理系统组成的复杂系统中，矿山安全目标受技术、管理、技术和管理的管理的复杂逻辑影响。当系统很复杂时，可靠性就会降低。在系统内的作用力的分配设计上，以人为主体的管理的作用力越强，则改善管理的效果就越明显。而技术作用力的弱化则表明技术对应于低级水平，其改进空间因而很大，其改进效果也将是改善管理所无法相比的。人们往往看不到这一点，须知，在本原的人术与基于科学的技术之间，前者向来是无法与后者匹敌的，这正是科学技术向前发展的动力。因此，在复杂的人机系统中，改进管理只能是治标之策。如果卸载人的责任转而解放和改进技术，则必定能取得最好的效果，改进技术才是矿山安全治本之策。

其实，安全系统的逻辑是很简单的。主要依靠人者，人靠不住时可能出事；不依靠人者，人靠不住时因不相关联而对结果没有影响。请专人看着别让苍蝇叮食物，可能一眨眼就叮上了。加个盖子苍蝇就肯定叮不着了。

基于以上分析，确定本发明的第一目标是：设计一种防治瓦斯透水矿难的矿井通风排水的方法及其系统，其设计尽量卸载人的责任，将人机混合系统简化为基本上是技术设备独立起作用的系统，由技术系统提供矿井气候保障的基本功能。这是一种“傻瓜机”技术的创新目标。对人的要求降低到由“傻瓜”来操作也不出事，就能大大地提升系统的可靠性。矿工不是傻瓜，因而更不大可能出事。

其次需要讨论现有技术系统实际存在的问题，以及如何来解决这些问题的技术路线和方法，以便进一步明确发明目标。

在人机系统的思想路线下，现有矿井通风排水系统的功能是简单的和有限的。本发明从瓦斯透水事故导致矿难的根本性原因和可能的排除方法的视角，进行深层次的需求分析，就能发现现有技术在需求设计上的不足。

现有技术的通风系统和排水系统是两个独立的技术系统，现分别予以讨论。

现有矿井通风系统的技术规范对于在正常状态下排除瓦斯、粉尘、烟雾和热湿载荷进行了周到的技术和工艺安排，执行规范即能确保排除或调节这些不利因素，使之达到现行标准。但对于发生概率很小的突发性瓦斯事故，现有通风系统缺少积极排除事故状态的设计。具体分析如下：

现有矿井通风系统或者采用风井压入式机械通风，或者采用回风井抽排式机械通风。两者都是采用风压小而流量大的轴流式风机，均以截面积达到几平方米的巷道作为流道，内部还有风门、风墙、风桥等各种控制气流的建筑或装置。气流沿主巷、可能存在的支岔巷、回风巷穿行，通过风井、回风井与大气构成回路。其掘进盲巷和回采工作面或者还设有局部通风装置。

现有矿井通风系统的原理是稀释，穿行气流将掘采作业产生的有害气体混合和稀释后形成泛风从回风口排出。由于瓦斯等有害气体和粉尘被扩散于气流之中，因而是一种扩散型的排除方式。瓦斯等有害物扩散稀释后的稳态浓度与绝对涌出量成正比，与泛气流量(≈进气流量)成反比。对于0.5％或者1％这样的控制标准，通风流量的需求应该大于瓦斯涌出量的200倍或者100倍。例如，对于q＝5～30立方米/分σ型瓦斯涌出量的矿井，其达标通风量应大于1000～6000立方米/分或者500～3000立方米/分。这么大的风量需求，不但很不经济，而且在大部分的情况下，对于巷道风速和风机容量都已经接近或达到饱和上限了。

可见，扩散稀释型通风方式由于所需风量太大的原因，只能满足排除σ型常瓦斯的通风需求。现有技术没有也不可能实现对于涌出量还要大数量级的u型瓦斯喷发、δ型瓦斯喷发、δ型瓦斯突出积极设防(指即时排除)。

现有技术的弥补办法包含于相关规程之中。规程中对于随机性稍弱的δ型瓦斯突出有许多依赖于人去执行的预测预防措施，这可以减少其发生频率和强度。但瓦斯突出一旦发生，则只能依赖于瓦斯浓度监测系统的警报功能采取停机、人员撤离等消极防御的措施，不能即时排除。对于u型和δ型瓦斯喷发，现有方式的预测预防措施更少，因而更具有突发性，其流量和容量也更大，更不可能即时排除。依靠消极的报警、停机、撤离等措施极可能产生某种延误，窒息、着火、爆炸的危险就降临了。一些瓦斯爆炸甚至就是在撤离的过程中发生的。

另外，稀释扩散型通风对于δ型瓦斯突出、尤其是u型和δ型瓦斯喷发，还存在着一种扩大危险的机制。那就是，如没有及时停机，在被扩散稀释的过程中，瓦斯浓度会下降到上临界点之下，窒息和燃烧的危险被转化为爆炸的危险，爆炸当量随着扩散行程的增大而增大，遭遇着火因素即可能引发猛烈爆炸。

可见，现有技术的扩散稀释型通风方式仅能排除σ型常瓦斯，在设备容量、巷道风速的限制下，无法加大风量来排除δ型瓦斯突出、u型瓦斯喷发和δ型瓦斯喷发，留下了三个事故缺口。大部分的瓦斯矿难就恰恰发生于这些缺口。依靠自动瓦斯检测或瓦斯巡检员人工检测对瓦斯突喷作出反应，然后报警和集体撤离，说重了是一种命悬一线的冒险。但在现有技术路线下，已经是无奈中的上策。

现有通风技术中也包含了一些另外的补救措施。例如预先从地面打孔或在掘采现场打孔进行瓦斯抽采和抽放。这些措施具有降低掘采现场相对涌出量和绝对涌出量的积极效果，抽采的瓦斯还可以作为能源使用，现在已经成为热门的节能技术在推广。但其另外插入的工期、工序以及相应增加的成本减少了积极效果的幅度。现有技术中也包含在掘采工作面用罗茨真空泵等类负压设备以“长抽短排”或“短抽长排”方式抽放瓦斯的方法。这些方法具有一定的积极效果，但还仅仅作为应急的辅助方法使用，其输送压差和流量等参数也受到设备和距离的限制。

对于煤尘、矽尘等有害物质，现有通风方式同样不能完全排除，只能把它们的浓度降低。浓度降低仍然有害，会导致煤尘肺、矽肺等职业病的发生。矿工出井时黑色的颜面就是忍受这种危害的标志。煤尘还会在瓦斯爆炸过程中参与反应形成威力更大的混合爆炸，因而煤尘等有害因素的排除也是棘手的问题。

现有矿井通风技术的上述缺口和问题至今还没有从根本性解决的好办法。

现有技术的井下排水系统是以水仓积蓄分时排水方式为特征的，采用的设备主要是离心泵。离心泵存在吸程在9米以下和高扬程泵效率低等问题，这导致深井多采用麻烦的接力抽水设计。排水系统的现行规范都是以正常地下水渗流量调研数据为依据适当放量设计的，还未闻有按照透水流量的先验概率分布来设计系统排水能力的方案。因为若如此设计，大多数矿山在经济上都难以承受。

但矿山井工历史表明，具有相当的随机性的透水事故是不容回避的。透水可能造成全军覆没、矿井报废的骇人矿难，其损失、其救援难度往往比瓦斯爆炸还大。面对这种威胁，现有规范对付透水威胁的主要措施是进行水文地质勘探和管理、由矿工凭经验现场探水等办法来预测预防。一旦发生透水，将只能当作不可抗力事故尽量地抢险扑救，或者选择逃生。由于井下巷道分布的复杂性和作业管理的难度，透水侵袭特别容易把作业区淹没或封闭。由于排水设施容量相对很小，而且没有抗水毁性，从井外重架排水设施速度很慢，被困矿工因而很少生还。

透水事故依数学模型可分为u型和δ型，即常流量阶跃型和常容量冲激型(脉冲型)两类，它们的流量可能超过常态渗水1～2个数量级。基于常态渗水设计的水泵容量很小，并且不抗水毁，对于透水事故来说实在是形同虚设。当透水发生时，无以即时排除，这是现有矿井排水技术的严重缺陷。

综上所述，现有通风排水方式及其系统在δ型瓦斯突出、u型瓦斯喷发、δ型瓦斯喷发、u型透水、δ型透水这5种事故状态下均不能发挥功能，构成直接威胁矿工生命安全的薄弱环节。三种瓦斯突喷可能造成窒息、燃烧、爆炸的后果，导致矿工伤亡，两种透水可能导致被淹和被封闭矿工全部死亡的后果。井工矿难的历史事实也证明了这些危险造成的后果是非常严重的。

尽管有许多人工参与的预防措施可以起到积极的作用，但如前所述，这使得系统复杂化，引入人祸的可能性因而产生，管理难度也因而产生。前已说明，后验分析是随机过程的样本微观分析，确定性逻辑的三段论成立。分析中发现矿难几乎都有人祸因素的事实会把人引入歧途，因为宏观上的随机过程不适用这种数学原理来进行随机事件的事前预测和把握。唯有改造模型、简化解耦才是办法。

现有技术对于基本技术系统和人工参与的人机系统还发展了许多自动化和数字化的技术手段。例如，时空分布的瓦斯自动检测、通信联网、集中显示监控、自动报警等。这些系统具有明显的积极效果，但存在成本高、建设周期长等缺点。一些机电一体的闭环控制系统也有了许多发展。例如局部通风中的瓦斯浓度传感控制各点送风量等技术，这是有积极效果的，缺点仍然是复杂化和成本增加。自动化、数字化、信息化是工业技术进步的方向，需要积极发展。但在矿井通风排水技术系统中的应用目前仍然局限于改进和优化其常态功能，在5种导致许多矿难的随机性事故的预测与实时排除方面，这类应用还未有真正的进展。

要想从根本上解决问题，必须开创一条本原的技术路线，解决随机性事故的实时排除问题。现有技术不能积极应对5种随机性事故，是一种贝叶斯概率逻辑不完备的系统性缺陷。不克服这种缺陷，就无以根治矿难。

本发明的第二个目标因而确定为：设计一种防治瓦斯透水矿难的矿井通风排水的方法及其系统，其设计足以克服现有技术的缺陷，使系统具有积极防治瓦斯透水矿难的完备功能。同时，尽量简化技术系统的设计，主要通过开发基础设备的本原特性来实现系统的功能，将系统对技术智能的要求降低到近乎裸机的水平，以提高可靠性和降低成本。这是一种将日渐复杂化的设计重新回归于本原的技术战略，合乎科学和经济的原则，是一种技术进步，有如从“苍蝇砍头机”回归到“苍蝇拍”的简捷。

基于上述两个前提性目标，可以确定本发明的具体技术目标。

本发明的具体目标是：设计一种防治瓦斯透水矿难的矿井通风排水的创新方式及其系统，系统的主功能单机在该方式下具有一并排除σ型常瓦斯、u型瓦斯喷发、δ型瓦斯喷发、δ型瓦斯突出、u型透水、δ型透水、以及粉尘、烟气、二氧化碳、热湿载荷等危险和有害因素的能力。系统与人的关系是随机过程解耦的，除了维修以外，只需人执行开机、关机的操作。系统构成的简单性是，功能单机的功能基于对其本原特性的恰当利用，增加的控制极少，也是随机过程解耦的。

本发明的解决方案是：防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，采用气液二相及压力功率自适应的、特具即时性的负压通风与负压排水功能合一的方式，由设置于井下掘采工作面附近的揉动式二相流负压源经由负压软管无扩散地现场抽吸瓦斯、烟雾和悬浮粉尘等有害气相混合物及可能的水流，经自适应加压后由中速正压管道就近排出井外。揉动式二相流负压源的抽排流量设计得大于σ、u、δ三型瓦斯和u、δ型透水的防范容积流量。这样，当σ型常瓦斯涌出、突发性的u、δ型瓦斯喷突或u、δ型透水涌出时均能被即时排除。

现有方式的副井回流通风和独立的水仓积蓄分时排水系统可依据井下热载荷状况、经济性、心理依赖等因素决定保留、降流量保留或者取消。工作时，连通于大气的主巷道内将形成由外向内的新鲜气流补充，井巷瓦斯、粉尘浓度将几乎为0，生存气候将始终保持良好状态，安全监控管理因而可以简化。

本发明是“流体机械的揉动变容方法及其机构与用途”发明技术的一种应用方法和应用系统的设计。“流体机械的揉动变容方法及其机构与用途”是中国发明专利申请项目，申请号为200410102740.2，申请日为2004年12月28日，发明人和申请人为蒋子刚，同时也是本发明的发明人。

本发明创新的内容中，所使用的“揉动”概念及其基本技术和理论体系均源自200410102740.2号中国发明专利申请，所有相关内容均无需重复叙述。作为演绎型应用，本发明包含了很多创新，分别属于新发现的方法和机构类用途设计、组合于应用系统的单机用途设计、方法和机构及其用途的组合或扩展的设计。

其中，本发明的“矿井自适应即时通风排水方法”是基于揉动式流体机械的特性功能的一种应用演绎性创新；所包含的“通风排水合一”方式是揉动式流体机械“物相通用性”的一种应用方案设计；所包含的“自适应性”和“即时性”是揉动式流体机械“参数自适应性”的一种应用方案设计。

本发明还将200410102740.2号中国专利申请用途设计中的“揉动式二相流泵”、“揉动式液压泵”、“揉动式流体传动”、“揉动式压缩机”等用途类型的结构和原理或者直接地、或经组合设计、或经扩展设计应用于发明方案之中。

本发明采用通风排水合一方式的自适应即时通风排水方法防治瓦斯透水矿难。实施这一方法的系统是揉动式自适应即时通风排水系统，本发明中简称揉动系统。揉动系统的关键性设备是用作二相流负压源的揉动式二相流泵。

揉动式二相流泵可以采用单揉腔、双揉腔、三揉腔、四揉腔等几种结构，分别具有揉轮内摆平衡有脉动、揉轮内摆平衡无脉动、运动机构自平衡无脉动、运动机构自平衡无脉动且载荷力形成力偶矩等惯性力平衡结构和输出流量平稳性特征。

四种结构中的每一个揉腔都包含一个揉动变容机构，均由圆柱形揉腔、圆柱形揉轮及随动隔板和旋塞机构组成。主轴旋转时，揉轮作由偏心轴台约束牵连的公转和逆向惯性自转合成的揉动运动。揉轮公转形成扫膛功能运动，扫膛速度较之揉轮质点运动速度因连续接力机制而被放大一个数量级，主轴每转排出一个新月形柱容积的排量。

揉动式二相流泵的入口形成负压抽吸功能，出口形成自适应于需求的正压输出，揉动式二相流泵具有物相通用性和压力功率自适应性，据以构成负压通风与负压排水功能合一方式的特性基础。对于各型事故的状态突变，揉动式二相流泵均处于事前值守和事发即时适应的随机事件响应状态。

揉动式二相流泵的抽排入口连接有一段软管。软管的入口置于掘采工作面的上部或者固定在掘采机械的掘采头的上方负压抽吸。在煤矿回采面，还可以在三方壁面及顶板逐段挂帘或覆膜阻挡瓦斯扩散，膜下安置分管抽吸瓦斯。入管管路中可以串一旋风除尘器降尘于水中，再于低位串一个上部封闭走气下部有浸入水中的过滤网和入水口的钳位水箱作为透水排除控制器，当水位上升阻挡气流时即能排水。

揉动式二相流泵的出口连接一口径适合于设计流量的中速管道，多工作面的多泵中速管道可以互相直接并联后合并为总管道，管道经斜井地沟及竖井等最近路线迳直排出井外。管道中途可有多次变径节减速，最后以较小的出口速度连通大气排放或连接其他后续处理设备。当瓦斯突喷时，揉动式二相流泵的即时排除流量并不改变，其跨数量级的后备能力是瓦斯浓度可跨数量级提高的空间。突发透水时，揉动式二相流泵的即时排除流量并不改变或者仅作同相揉腔自动转换串联挡的改变，其跨数量级的后备能力是二相流气液比的跨数量级改变的空间。

本发明原理新颖独特，大大地打破了现有技术的常规，尤其是在工作方式和系统设计方面，与现有技术形成了鲜明的对照，其中包含了多层次的创新。这些创新目标明确，简练而缜密，具有可靠的理论基础。本发明是矿井通风排水技术领域高度原创性的技术方案，其中包含了9项理论创新或方法创新，这些创新构成了本发明最重要的原理基础。分述如下：

1、本发明确定了5类随机事故的数学模型。现有技术中瓦斯喷发、瓦斯突出、透水3个概念都有基于物理成因的准确定义，并一直在物理层面上广泛使用。本发明应用u函数和δ函数的概念和理论，对3种事故进行数学抽象建立模型，准确地将它们划分为u型瓦斯喷发、δ型瓦斯喷发、δ型瓦斯突出、u型透水、δ型透水共5个事故模型，是基础性的创新。u函数和δ函数是两种最重要的信号函数和系统分析函数，两者都包含一个时间随机变数，具有比较特别的解析性质。3类具有随机性的瓦斯事故和2类透水事故模型的建立，为认识造成绝大部分矿难的突发性瓦斯和透水事故的随机性，为进行瓦斯和透水的流动、扩散的流体力学和传质学的定量分析以及防范控制方法的技术设计提供了基础。

2、本发明倡导管理过程与技术过程解耦的高可靠性系统设计方法具有重大意义。这是一种提倡先进方法并佐以实例使之具体化的努力。现有的人机耦合互动的矿山安全系统强调管理，将责任偏载于人，是一种被事故后验过程的确定性逻辑不断强化的心理倾向的产物，掩盖了危险性极大的事故随机过程的复杂本质，主要是掩盖了随机性中的时间、强度、诱因的突然性。人机耦合的复杂系统的随机过程平稳性和可控性差，只具有比较低的可靠性。本发明强调人机解耦的系统设计方法旨在促进所属于领域的技术面貌发生根本性的改变，具有重要意义。

人机解耦的“傻瓜机”路线和方法使得本发明的设计不但具有理论上的高可靠性，而且也使其在实施过程中远离不确定因素的干扰，较快地体现出其本原设计的优势。用户对于“傻瓜机”的可靠性是最容易理解、最容易接受的。

3、本发明深入矿井安全技术的贝叶斯逻辑，完成了需求完备性设计，这是重大的创新，对于根治矿难十分关键。现有技术系统(非指包括安全规程的人机互动的安全系统)偏重于σ型常瓦斯和常渗水，将上述5类事故无奈地排除于积极应对的技术目标之外，使矿难长久不能根治。这好比警察只抓小偷不抓强盗，社会难有安宁，道理是一样的。常瓦斯与瓦斯突喷、常渗水与透水的概念模糊含混已久，本发明澄清概念，确认了完备需求，属于矿业安全最基础性的工作。

4、本发明采用非扩散源头负压抽排原理，将其作为常态的和突发性的瓦斯和地下水的合并处理手段，是实现创新功能的关键性的原理特征。该原理特征基于对扩散场和非扩散的涡吸场的流体传质规律的深刻理解，以与现有技术相反的非扩散负压涡吸抽排方式实现风量降两个数量级、有害气体浓度降更多个数量级的全适应的即时通风，实现流量跨越2～3个数量级的地下水的常态和透水事故态的全动态适应，其优势为现有技术所不能比。非扩散源头负压抽排原理是自适应即时通风排水的流量能力设计提供了基础，为整个系统的创新功能设计开辟了空间。

4、本发明在需求完备性设计的基础上进行的功能完备性设计是矿井安全技术设计的重要创新，对于根治矿难的目标是关键性的功能设计方案。方案准确地使用常态和随机事故态的概念，按目标与功能统一原则，全部吸纳现有技术的通风排水功能，并补上其全部逻辑漏洞，将u型瓦斯喷发、δ型瓦斯喷发、δ型瓦斯突出、u型透水、δ型透水5类这最主要的矿难威胁纳入积极排除的创新功能之中。

5、本发明采用了随机性事故积极应对原理，以跨数量级的、具有气液物相通用性的容积流量能力事前值守，事发即时通风排水。这是在逻辑上唯一可行的对付随机性瓦斯和透水事故的功能设置方法，创新了积极根治随机事故的技术路线，消除了发现事故、报警撤离的消极应对路线的被动和漏洞。

6、本发明采用了多目标多功能原理，同类合并，包括小类合并和大类合并，据以设计了“通风排水合一”方式和“自适应即时通风排水方法”。

7、本发明采用了技术本原化高可靠性原理，以简单系统替代复杂耦合系统，大大地提升了可靠性。

8、本发明是一种双傻瓜化的创新方法和系统，是采用本原化的设计原理实现的。利用和扩展揉动式流体机械的本原功能，实现了最简约化的系统设计。以双傻瓜的方法和系统实时值守，随时准备着即时排除事故是根本性的创新。其功能源自基本设备的本原挖掘，既不需管理和引进人的责任，又不需高档的自动化控制技术，简单经济，实用可靠，产生了远优于现有技术的技术经济性能。

本发明的揉动式二相流负压源还可以采用一种专门设计的机器。这是一种由揉动式流体马达驱动的揉动式二相流泵，称为井下无电源通风排水机。该机为采用三揉腔或四揉腔的泵结构与双揉腔的马达结构同轴组合的机组，其运动机构惯性力整体自平衡，泵输出无脉动，四腔结构的载荷力还形成力偶矩，而马达是二腔错相180度互抵消脉动的。其传动流体一般采用防锈乳化水，井下无电源通风排水机由设置于井上或井下安全地带的揉动式流体加压泵驱动，具有完全的防爆性和抗水毁性，其功率适应范围更大。

本发明还包括一种排水助力装置。对于透水即时排除功率超过即时排气功率一定幅度的应用系统，可以增设一个压力储气罐预存透水排除助力能。当透水事故发生时，由二相流泵载荷超阈值信号打开气压助力控制阀接通管路，罐存压力气体经节流控制以一定流量汇入到二相流泵出口，提供降低平均密度和膨胀做功的助力。助力装置使水泵大幅度减荷，从而减小从排气到排水的压力和功率变动范围，可据以降低揉动式二相流泵的上限功率配置。

助力装置的压力储气罐是一个开在井下一定深度的球形岩石洞穴，由洞壁承压，并用高强水泥或焊接薄钢板衬里密封。其储气容量及有效利用能量按设防透水容量决定的排除功的设计助力比例确定，其储气压力应满足工作末期的压力仍大于助力控制阀动作压力的要求。储气罐由另外的小型压缩机从容充气，当有后续应用需求以致井口排气压力高到能满足充气要求时，可直接由二相流泵充气。储气罐平时满压，随时准备应付先验概率很小的随机性透水事故。

Claims (6)

1、防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，适合于存在瓦斯和透水事故危险及粉尘危害的矿井使用，以保护矿工的生命和健康，其特征是：采用气液二相及压力功率自适应的、特具即时性的负压通风与负压排水功能合一的方式，由设置于井下掘采工作面附近的二相流负压源经由负压软管无扩散地现场抽吸瓦斯、烟雾和悬浮粉尘等有害气相混合物及可能的水流，经自适应加压后由中速正压管道就近排出井外，其抽排流量设计得大于σ、u、δ三型瓦斯和u、δ型透水的防范容积流量，当σ型常瓦斯涌出、突发性的u、δ型瓦斯喷突或u、δ型透水涌出时均即时排除，现有方式的副井回流通风和独立的水仓积蓄分时排水系统可依据井下热载荷状况、经济性、心理依赖等因素决定保留、降流量保留或者取消，连通于大气的主巷道内将形成由外向内的新鲜气流补充，井巷瓦斯、粉尘浓度将几乎为0，生存气候将始终保持良好状态，安全监控管理因而筒化。

2、权利要求1所述的防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，其特征是：二相流负压源是一种揉动式二相流泵，分为单揉腔、双揉腔、三揉腔、四揉腔等几种结构，分别具有揉轮内摆平衡有脉动、揉轮内摆平衡无脉动、运动机构自平衡无脉动、运动机构自平衡无脉动且载荷力形成力偶矩等惯性力平衡结构和输出流量平稳性特征，四种结构中的每一个揉腔都包含一个揉动变容机构，均由圆柱形揉腔、圆柱形揉轮及随动隔板和旋塞机构组成，主轴旋转时，揉轮作由偏心轴台约束牵连的公转和逆向惯性自转合成的揉动运动，揉轮公转形成扫膛功能运动，扫膛速度较之揉轮质点运动速度因连续接力机制而被放大一个数量级，主轴每转排出一个新月形柱容积的排量，二相流泵的入口形成负压抽吸功能，出口形成自适应于需求的正压输出，揉动式二相流泵具有物相通用性和压力功率自适应性，据以构成负压通风与负压排水功能合一方式的特性基础，对于各型事故的状态突变，二相流泵均处于事前值守和事发即时适应的随机事件响应状态。

3、权利要求2所述的防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，其特征是：揉动式二相流泵的入端软管的入口置于掘采工作面的上部或者固定在掘采机械的掘采头的上方负压抽吸，在煤矿回采面，还可以在三方壁面及顶板逐段挂帘或覆膜阻挡瓦斯扩散，膜下安置分管抽吸瓦斯，入管管路中可以串一旋风除尘器降尘于水中，再于低位串一个上部封闭走气下部有浸入水中的过滤网和入水口的钳位水箱作为透水排除控制器，当水位上升阻挡气流时即能排水。

4、权利要求2所述的防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，其特征是：揉动式二相流泵的出口连接一口径适合于设计流量的中速管道，多工作面的多泵中速管道可以互相直接并联合并为总管道，管道经斜井地沟及竖井等最近路线迳直排出井外，中途可有多次变径节减速，最后以较小的出口速度连通大气排放或连接其他后续处理设备，当瓦斯突喷时，泵的即时排除流量并不改变，其跨数量级的后备能力是瓦斯浓度可跨数量级提高的空间，突发透水时，泵的即时排除流量并不改变或者仅作同相揉腔自动转换串联挡的改变，其跨数量级的后备能力是二相流气液比的跨数量级改变的空间。

5、权利要求2所述的防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，其特征是：二相流负压源是一种由揉动式流体马达驱动的揉动式二相流泵，称为井下无电源通风排水机，为采用三揉腔或四揉腔的泵结构与双揉腔的马达结构同轴组合的机组，其运动机构惯性力整体自平衡，泵输出无脉动，四腔结构的载荷力还形成力偶矩，而马达是二腔错相180度互抵消脉动的，传动流体一般采用防锈乳化水，井下无电源通风排水机由设置于井上或井下安全地带的揉动式流体加压泵驱动，具有完全的防爆性和抗水毁性，其功率适应范围更大。

6、权利要求1或2或3或4或5所述的防治瓦斯透水矿难的自适应即时通风排水方法及其揉动系统，其特征是：对于透水即时排除功率超过即时排气功率一定幅度的应用系统，增设一个压力储气罐预存透水排除助力能，当透水事故发生时，由二相流泵载荷超阈值信号打开气压助力控制阀接通管路，罐存压力气体经节流控制以一定流量汇入到二相流泵出口，提供降低平均密度和膨胀做功的助力，使水泵大幅度减荷，从而减小从排气到排水的压力和功率变动范围，降低二相流泵的上限功率配置，压力储气罐由开在井下一定深度的球形岩石洞穴壁承压，用高强水泥或焊接薄钢板衬里密封，其储气容量及有效利用能量按设防透水容量决定的排除功的设计助力比例确定，其储气压力应满足工作末期的压力仍大于助力控制阀动作压力的要求，储气罐由另外的小型压缩机从容充气，当有后续应用需求以致井口排气压力高到能满足充气要求时，可直接由二相流泵充气，储气罐平时满压，随时准备应付先验概率很小的随机性透水事故。