艾迪昊 榮 濤 李 聰 邵晟洋 李 凱

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

綜掘工作面停風(fēng)后瓦斯分布規(guī)律研究與應(yīng)用?

艾迪昊 榮 濤 李 聰 邵晟洋 李 凱

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

對(duì)綜掘工作面瓦斯涌出來(lái)源進(jìn)行了分析,依據(jù)質(zhì)量守恒定理,對(duì)停風(fēng)后掘進(jìn)巷道瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行理論計(jì)算,得出停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,得出理論計(jì)算結(jié)果具有一定實(shí)用性。利用理論計(jì)算結(jié)果對(duì)停風(fēng)巷道進(jìn)行瓦斯?jié)舛确治?從而為煤礦掘進(jìn)巷道瓦斯排放提供理論參考。

綜掘工作面 停風(fēng) 瓦斯?jié)舛?分布規(guī)律 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 理論計(jì)算

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中,經(jīng)常由于變電所突然停電、風(fēng)筒脫落和局部通風(fēng)機(jī)故障等原因?qū)е聼o(wú)計(jì)劃停風(fēng)。掘進(jìn)工作面停風(fēng)后,瓦斯仍然不斷地從煤壁、落煤中涌出,而掘進(jìn)巷道沒(méi)有新鮮風(fēng)流帶走瓦斯,當(dāng)停風(fēng)一段時(shí)間后,掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛葧?huì)急劇上升,極有可能到達(dá)瓦斯爆炸的極限范圍,一旦遇火源就會(huì)引發(fā)瓦斯爆炸。綜上所述,分析掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯分布規(guī)律,不僅能為預(yù)防停風(fēng)后掘進(jìn)巷道瓦斯爆炸提供理論支持,而且能夠?yàn)槊旱V掘進(jìn)巷道停風(fēng)后制定瓦斯排放措施提供依據(jù)。

1 理論分析

隨著現(xiàn)代煤礦機(jī)械化程度的提高,綜合機(jī)械化掘進(jìn)在煤礦中越來(lái)越多地被應(yīng)用。與傳統(tǒng)掘進(jìn)作業(yè)相比,機(jī)械化掘進(jìn)工作面是連續(xù)不斷的落煤—裝煤—運(yùn)煤—清理浮煤—錨桿錨索支護(hù)的循環(huán)工藝過(guò)程。當(dāng)綜掘工作面停風(fēng)時(shí),可以認(rèn)為落煤已經(jīng)被運(yùn)出掘進(jìn)巷道,所以綜掘工作面巷道內(nèi)瓦斯涌出來(lái)源主要包含巷道煤壁和工作面煤壁兩部分。本文運(yùn)用質(zhì)量守恒定理和在合理簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的理論分析得出掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律,為掘進(jìn)巷道瓦斯排放工作提供理論參考。

瓦斯從煤體基質(zhì)到涌出巷道壁面和工作面壁面是瓦斯解吸—擴(kuò)散—滲流形成的一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)移過(guò)程。當(dāng)割煤機(jī)不斷割煤,新鮮煤壁不斷暴露,在礦山壓力的作用下,工作面前方煤體中的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,出現(xiàn)了透氣性大大增加的卸壓帶,由于煤體內(nèi)部到煤壁之間存在著瓦斯壓力梯度,瓦斯得以沿卸壓帶的裂隙向工作面涌出。巷道煤壁與工作面煤壁的瓦斯涌出的基本特征是瓦斯涌出強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速衰減。

根據(jù)煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定認(rèn)為,綜掘工作面單位面積上的絕對(duì)瓦斯涌出量對(duì)時(shí)間呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減,可表示為:

式中:Qm——煤壁暴露t1時(shí)刻時(shí),單位面積巷道煤壁上的瓦斯絕對(duì)涌出量,m3/(m2·d);

q0——煤壁剛暴露時(shí),單位面積煤壁上的絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/(m2·d);

α——煤壁瓦斯涌出衰減系數(shù),d－1;

t1——煤壁暴露時(shí)間,d。

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)尺結(jié)束ta時(shí)間后,由于某種原因?qū)е戮蜻M(jìn)巷道停風(fēng)。從掘進(jìn)巷道停風(fēng)時(shí)刻算起,計(jì)停風(fēng)時(shí)間為t,則在剛停風(fēng)時(shí)刻,工作面壁面隨著停風(fēng)時(shí)間每分鐘瓦斯涌出量Q1為:

式中:Q1——工作面壁面隨著停風(fēng)時(shí)間瓦斯涌出量,m3/min;

t——停風(fēng)時(shí)間,d;

ta——掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)尺結(jié)束時(shí)間,d;

s——工作面壁面的面積,可以近似認(rèn)為是巷道斷面面積,m2。

對(duì)于巷道壁面來(lái)說(shuō),距離工作面不同長(zhǎng)度的煤壁暴露時(shí)間不同,離工作面越遠(yuǎn)暴露時(shí)間越長(zhǎng),這樣巷道煤壁的瓦斯涌出量是不均勻的,沿著巷道長(zhǎng)度的方向從工作面煤壁逐漸減小。當(dāng)巷道停風(fēng)后,距離工作面l處的巷道煤壁每分鐘瓦斯涌出量Q2為:

式中:Q2——距離工作面l處巷道煤壁瓦斯涌出量,m3/min;

l——巷道長(zhǎng)度(距離工作面長(zhǎng)度),m;

u——煤壁周邊(含煤部分暴露區(qū)段),m;

v——平均掘進(jìn)速度,m/d。

為了研究掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛仍谙锏纼?nèi)的分布規(guī)律,建立以掘進(jìn)頭為原點(diǎn),巷道方向?yàn)閤軸的一維坐標(biāo)系。為了便于分析,作如下簡(jiǎn)化假設(shè):

(1)巷道在無(wú)風(fēng)與有風(fēng)情況下,煤壁瓦斯涌出速度不受影響;

(2)該掘進(jìn)巷道為單巷掘進(jìn),同時(shí)鄰近區(qū)域的作業(yè)對(duì)該巷道瓦斯涌出沒(méi)有影響;

(3)瓦斯涌出后迅速與空氣均勻混合,認(rèn)為同一個(gè)斷面上瓦斯?jié)舛仁窍嗤?

(4)掘進(jìn)巷道通風(fēng)口壓強(qiáng)不變,即瓦斯涌入量等于通風(fēng)口風(fēng)流涌出量。

基于以上假設(shè),利用質(zhì)量守恒定律對(duì)微元體積內(nèi)瓦斯進(jìn)行分析。由煤壁和工作面煤壁涌入微元內(nèi)的瓦斯流量即等于由微元內(nèi)向外涌出的風(fēng)量,可得在dt時(shí)間內(nèi),微元體的瓦斯量滿足質(zhì)量守恒。即停風(fēng)后微元分析為:

對(duì)該式進(jìn)行積分處理,得到最終結(jié)果為:

式中:c0——停風(fēng)前原始瓦斯?jié)舛?%;

c——停風(fēng)后瓦斯?jié)舛?%。

由此可知,掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊淖兓胺植记闆r。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式(5)在實(shí)際生產(chǎn)中的正確性,利用某礦綜掘巷道在一次停風(fēng)過(guò)程中實(shí)測(cè)瓦斯的濃度數(shù)據(jù),探討綜掘工作面停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律。

該掘進(jìn)采區(qū)煤層為近水平厚煤層,平均厚度4 m左右,采用綜合機(jī)械化掘進(jìn),機(jī)掘正常進(jìn)尺約10 m/d,掘進(jìn)巷工作面標(biāo)高變化不大,可以近似看作近水平巷道。掘進(jìn)巷長(zhǎng)1000 m,巷道斷面為矩形,寬4.0 m,高3.5 m。在掘進(jìn)工作面(距離掘進(jìn)頭10 m左右)安裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)探頭,具體安裝位置如圖1所示。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)探頭采用ExibdⅠ礦用本安兼隔爆型瓦斯監(jiān)測(cè)探頭,CH4測(cè)量范圍為0%～4.00%,檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間≤20 s。為了便于數(shù)據(jù)處理,將瓦斯探頭輸出數(shù)據(jù)每5 min取一個(gè)平均值。該掘進(jìn)巷道停風(fēng)及其前后一段時(shí)間瓦斯探頭實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 探頭安裝示意圖

圖2 實(shí)測(cè)瓦斯數(shù)據(jù)

在正常停風(fēng)情況下,煤巷掘進(jìn)作業(yè)時(shí),瓦斯?jié)舛茸兓^大,瓦斯涌出量曲線振幅的變化總體上分為4個(gè)階段,即下降—上升—下降—上升,呈W形態(tài)發(fā)展,由于開(kāi)始掘進(jìn)前會(huì)采用瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放,所以此時(shí)瓦斯?jié)舛葧?huì)降低。隨著掘進(jìn)開(kāi)始,落煤增加與新煤壁不斷產(chǎn)生,瓦斯?jié)舛妊杆偬岣?。?dāng)掘進(jìn)停止時(shí),落煤不斷被運(yùn)出掘進(jìn)工作面,同時(shí)隨著時(shí)間的推移,煤壁和落煤涌出強(qiáng)度逐步減小,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出強(qiáng)度表現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。所以實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛入S著每班的不斷掘進(jìn)出現(xiàn)波浪狀曲線。

當(dāng)掘進(jìn)巷道停風(fēng)后,掘進(jìn)巷道壁面與工作面壁面仍然不斷涌出瓦斯,同時(shí)沒(méi)有新鮮風(fēng)流稀釋,所以造成該點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔粩嗌仙?。隨著時(shí)間推移,煤壁瓦斯涌出速度逐漸降低,該點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍鲩L(zhǎng)速度變緩直至不變。由于該探頭濃度范圍的限制,測(cè)點(diǎn)濃度在4%以上就會(huì)出現(xiàn)超過(guò)測(cè)量范圍,出現(xiàn)圖2中所示的水平濃度線。

當(dāng)掘進(jìn)巷道恢復(fù)通風(fēng)時(shí),瓦斯?jié)舛妊杆傧陆?但是根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定,局部通風(fēng)機(jī)因故停止運(yùn)轉(zhuǎn),在恢復(fù)通風(fēng)前,必須首先檢查瓦斯,只有符合規(guī)定才能恢復(fù)通風(fēng)。所以該煤礦掘進(jìn)巷道停風(fēng)后排瓦斯措施有待商榷。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算對(duì)比分析

針對(duì)掘進(jìn)巷道現(xiàn)場(chǎng)停風(fēng)數(shù)據(jù)與利用理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和比較,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的瓦斯數(shù)據(jù)為掘進(jìn)巷道第一個(gè)瓦斯探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),體現(xiàn)了綜掘巷道該點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。在理論計(jì)算中的l為常數(shù)時(shí),l代表測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)面距離,即表示該點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化。

根據(jù)掘進(jìn)巷道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集與計(jì)算,取q0為2.8 m3/(m2·d),衰減系數(shù)a為0.26d－1,l為5 m,巷道寬4.0 m,高3.5 m;平均掘進(jìn)速度v為10 m/d,原始瓦斯?jié)舛萩0為0.1%。對(duì)瓦斯探頭實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測(cè)得掘進(jìn)巷道進(jìn)尺結(jié)束距停風(fēng)時(shí)間ta約為0.18 d。自變量時(shí)間t以停風(fēng)后為準(zhǔn),利用上述數(shù)據(jù),得出理論計(jì)算瓦斯?jié)舛茸兓€,同時(shí)添加實(shí)際停風(fēng)后瓦斯變化曲線并對(duì)兩者加以比較,如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)值與計(jì)算瓦斯數(shù)據(jù)比較

從僅有的一段停風(fēng)時(shí)間內(nèi)看出,瓦斯?jié)舛鹊幕咀兓厔?shì)是相同的,瓦斯?jié)舛炔粩嘣黾?同時(shí)增加的速度不斷減慢。隨著時(shí)間的推移,停放時(shí)間延長(zhǎng),瓦斯?jié)舛戎饾u趨于穩(wěn)定值,這也符合長(zhǎng)時(shí)間暴露的煤壁瓦斯涌出速度逐漸降低最終趨于0的實(shí)際情況。

同時(shí),從圖3能夠看出,實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛扰c理論計(jì)算不完全吻合,這可能是由于以下原因造成的:

(1)掘進(jìn)巷道工作面落煤沒(méi)有完全清理干凈,可能留有一定的遺煤。

(2)理論計(jì)算瓦斯涌出后迅速與空氣均勻混合,但是實(shí)際情況是先與靠近巷道空氣混合,再向遠(yuǎn)處擴(kuò)散。

(3)瓦斯探頭可能離巷道頂板過(guò)近或過(guò)遠(yuǎn),造成瓦斯?jié)舛茸兓煌?/p>

綜上,即使理論計(jì)算的公式與實(shí)際有一定誤差,但是理論計(jì)算公式具有一定的實(shí)用性。

在停風(fēng)后某一時(shí)間點(diǎn),即t一定時(shí),利用理論計(jì)算公式,能得出停風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛妊刂锏赖淖兓^(guò)程。根據(jù)上述相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出該綜掘工作面停風(fēng)500 min時(shí)瓦斯?jié)舛入S著距離掘進(jìn)頭不同距離l的變化過(guò)程,如圖4所示,距離掘進(jìn)頭較近區(qū)段,瓦斯?jié)舛瘸^(guò)16%,具有爆炸威脅;掘進(jìn)巷道中間一段瓦斯?jié)舛仍谕咚贡ǚ秶畠?nèi),具有爆炸危險(xiǎn)性;距離較遠(yuǎn)的一段到回風(fēng)巷,瓦斯?jié)舛忍幱诎踩珔^(qū)。

圖4 瓦斯?jié)舛入S著距離掘進(jìn)頭距離變化過(guò)程

根據(jù)柯瓦德爆炸三角形理論,把瓦斯?jié)舛劝?%和16%分為安全區(qū)、爆炸危險(xiǎn)區(qū)和爆炸威脅區(qū)。同時(shí)按照理論計(jì)算公式,得到掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯的時(shí)空分布情況,如圖5所示,隨著時(shí)間推移,瓦斯逐漸涌出,原來(lái)的安全區(qū)變?yōu)楸ㄎｋU(xiǎn)區(qū),可能最終變?yōu)楸ㄍ{區(qū)。從圖5可以看出離掘進(jìn)頭不同距離巷道在停風(fēng)后瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化過(guò)程,從而為掘進(jìn)巷道排瓦斯提供理論參考。

圖5 停風(fēng)后瓦斯時(shí)空分布

4 結(jié)論

(1)分析了綜掘工作面瓦斯涌出源的涌出過(guò)程,對(duì)停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行理論分析與計(jì)算,預(yù)測(cè)停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。

(2)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論分析公式進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,說(shuō)明該理論計(jì)算公式具有一定的實(shí)用性。

(3)利用理論計(jì)算結(jié)果,分析了掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)空分布,求出掘進(jìn)巷道某段極限瓦斯?jié)舛?劃分某時(shí)間瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

[1] 喬美英,蘭建義.基于V/S分析的瓦斯涌出量分形特性研究[J].中國(guó)煤炭,2014(10)

[2] 李祥春,丁永明等.掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯涌出分布規(guī)律分析[J].煤礦安全,2011(6)

[3] 曹軍,孫德寧.連續(xù)采煤機(jī)雙巷掘進(jìn)工藝及參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(5)

[4] 曲方,劉克功等.基于煤壁瓦斯涌出初速度的綜掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)[J].煤礦安全,2004(8)

[5] 王春光.高產(chǎn)高效礦井的瓦斯綜合防治技術(shù)[J].煤礦安全,2008(4)

[6] 張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2011

[7] 周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999

[8] AQ 1018－2006.礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006

[9] 朱紅青,周博瀟等.掘進(jìn)巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛确植家?guī)律探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003(2)

[10] 曹旭,張小剛等.基于Matlab的瓦斯動(dòng)態(tài)涌出與掘進(jìn)工藝的關(guān)系[J].煤礦安全,2013(7)

[11] 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2011

Research and application of gas distribution law at working face after ceasing ventilation

Ai Dihao,Rong Tao,Li Cong,Shao Chengyang,Li Kai
(Faculty of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

The sources of gas emission were analyzed.According to the law of mass conservation,the law of gas emission at the working face after ceasing ventilation was theoretically calculated.Compared with the measured data,the theoretical calculation is of a certainpracticality. By using the theoretical calculation,the gas concentration in the roadway after ceasing ventilation was analyzed,providing a theoretical reference for the gas discharge.

fully-mechanized working face,ceasing ventilation,gas concentration,distribution law,measured data,theoretical calculation

TD712.51

A

艾迪昊(1990－),男,遼寧撫順人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀碩士,研究方向?yàn)槊号c瓦斯突出監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274206),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2010YZ05)