孫曉元崔永國董利輝孫英峰付 帥薛洪來

（1.中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.太原科技大學環(huán)境與安全學院，山西省太原市，030024；3.華北科技學院安全培訓部，河北省三河市，101601）

★煤礦安全★

突出瓦斯流在交叉巷道中的傳播規(guī)律與運移特征*

孫曉元1，2崔永國3董利輝1孫英峰1付 帥1薛洪來1

（1.中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.太原科技大學環(huán)境與安全學院，山西省太原市，030024；3.華北科技學院安全培訓部，河北省三河市，101601）

為探究平煤十礦己15-24080機巷掘進工作面煤層合并分叉線附近突出瓦斯流在交叉巷道中的傳播規(guī)律與運移特征，結合現(xiàn)場實際構建了仿真模型，分析了突出瓦斯的逆流特性與爆炸危險區(qū)的分布情況。研究表明：突出瓦斯流在風流、濃度擴散和慣性力的作用下運移，隨著瓦斯氣流逼近巷道交叉區(qū)域，其影響范圍先增大后減小，瓦斯峰值濃度也隨之降低；當突出瓦斯最大初始速度為40 m/s，持續(xù)時間為5 s時，產(chǎn)生了瓦斯逆流擴散現(xiàn)象，最大影響范圍為25 m；突出瓦斯在交叉巷道中流經(jīng)氣流方向紊亂和壓力較低的渦旋區(qū)域時，濃度曲線表現(xiàn)出轉(zhuǎn)折分布特征，部分瓦斯呈現(xiàn)逆流-回流規(guī)律。

瓦斯突出 擴散運移 交叉巷道 逆流 爆炸危險區(qū)

煤巷掘進工作面是煤與瓦斯突出災害的多發(fā)區(qū)域，而絕大多數(shù)突出事故發(fā)生在地質(zhì)構造帶內(nèi)，這一特性在平頂山礦區(qū)體現(xiàn)的尤為顯著。以平煤十礦為例，1988-2009年共發(fā)生51次煤與瓦斯突出，其中85%的事故發(fā)生在地質(zhì)構造帶。對于己組煤層而言，統(tǒng)計的8次突出全部發(fā)生于己組煤層15 -16合層區(qū)，且其中有7次位于掘進工作面。究其原因，合層區(qū)煤體強度、瓦斯含量和壓力等參數(shù)的變化是導致煤與瓦斯突出的重要因素。當事故發(fā)生后，突出的高能瓦斯流具有極大的破壞性，可誘導風流逆轉(zhuǎn)，使瓦斯充滿掘進巷道，甚至會經(jīng)交叉巷道逆流入進風巷。大量濃度較高的瓦斯短時間內(nèi)難以稀釋，不僅會造成人員中毒窒息，在一定條件下還可能發(fā)生礦井火災、瓦斯爆炸等次生事故，釀成不可估量的后果，故煤與瓦斯突出造成的異常涌出并運移擴散的瓦斯是釀成重大事故的主要原因。因此，當平煤十礦己15-24080機巷掘進工作面前方預測有己15和己16兩煤層合并分叉線時，突出的概率大大增加。由于傳統(tǒng)的防突措施難以完全消除事故發(fā)生的可能性，故亟需掌握突出瓦斯在掘進面及交叉巷道處的傳播規(guī)律與運移特征，以指導災前人員、機電設備的布置與防災抗災系統(tǒng)的建設。研究成果對災變時應急救援和防止事故擴大措施的實施具有重要的現(xiàn)實意義。

1　突出瓦斯流傳播與運移模型

1.1交叉巷道中突出瓦斯流傳播與運移方程

突出時大量瓦斯氣體涌入巷道空間，沖擊動力消失后，高濃度的瓦斯氣流在通風巷道的運移為隨（逆）風流彌散和在風流中擴散的綜合傳質(zhì)過程，其一維流動的縱向彌散方程為:

式中:C——平均瓦斯?jié)舛?，mol/m3；

U——巷道平均風速，m/s；

Dm——正常風流在巷道斷面上速度分布不均勻性的紊流擴散系數(shù)，m2/s；

J——單位時間內(nèi)由于井巷條件及物理化學變化而引起的瓦斯變化量，mol。

由此求得不考慮自身衰變情況下（J=0）的瓦斯?jié)舛裙?

式中:M——瓦斯氣體生成量，m3。

顯然，利用M和Dm兩參數(shù)反映正常涌出的瓦斯在平直巷道中運移時濃度隨時間和空間的變化C（x，t）是可行的，但將其用來描述突出后交叉巷道處高能（突出瓦斯的速度較快，動能較高）瓦斯氣流的傳播和運移規(guī)律則有所不妥，這是因為在瓦斯氣流經(jīng)過交叉巷道D處時受到了局部阻力的作用，井巷條件發(fā)生變化，J=0的假設條件并不成立，如圖1所示。

圖1　壓入式通風時突出氣體致災范圍示意圖

建立式（1）時僅考慮巷道正常風流對濃度擴散的影響，而忽略了從突出源A點噴出的瓦斯氣流本身具有一定的質(zhì)量力（初速度）。為此，需要將式（1）加以完善，并改寫為:

式中:θs——瓦斯氣流瞬時比例系數(shù)；

Ui——瓦斯氣流瞬時速度，m/s。

瓦斯氣流在運移過程中受到正常風流作用的影響，當風流與瓦斯運移方向相同時，正常風流有助于瓦斯氣團的運移與擴散，反之則表現(xiàn)為瓦斯的逆風流動。

為簡便分析，假設突出后瓦斯和風流瞬間均勻混合，沖擊動力消失后混合氣體視為不可壓縮流體，且忽略簡單通風系統(tǒng)中巷道高差的變化。在圖1中，若突出點A處的靜壓為P1，流體速度為v1，逆流監(jiān)測點F處的靜壓為P2，速度為v2，根據(jù)能量關系可知瓦斯能逆流到F點的條件為:

式中:P1——A點處的靜壓，Pa；

P2——F點處的靜壓，Pa；

v1——A點處的流體速度，m/s

v2——F點處的流體速度，m/s；

ρ——混合流體密度，kg/m3；

hr——沿程阻力，Pa；

hf——摩擦阻力，Pa；

he——局部阻力，Pa；

α——摩擦阻力系數(shù)（無因次）；

L——沿程巷道的長度，m；

Z——沿程巷道的周長，m；

J′——巷道截面積，m2；

ζ——局部阻力系數(shù)（無因次）；

Q——局部斷面的風量，m3/s。

顯然，瓦斯氣團從突出點A處恰好逆流到F點的充要條件為式（4）中方程左右兩端相等，結合式（5）可得到其逆流的最大距離為:

可以看出，交叉巷道中突出瓦斯流的逆流范圍受突出源強度、通風動力和巷道阻力等因素影響。瓦斯逆流過程往往伴隨著物質(zhì)交換和能量傳遞，其濃度也隨著傳播距離和運移時間而發(fā)生變化。

1.2模型建立

平煤十礦己15-24080掘進工作面位于十礦己四采區(qū)西翼第三階段，采取炮掘錨桿支護開拓。己15煤層厚度為1.6～2.3 m，煤層傾角變化較大，在外段約10°左右，中段一般為25°～30°，里段則將近20°。煤層原始瓦斯壓力為2.23 MPa，含量為12.37 m3/t。從出煤巷起800 m處為己15和己16煤層合層區(qū)，預計此處煤層原始瓦斯壓力為2.4 MPa，含量為19 m3/t，施工超前鉆孔時已出現(xiàn)噴孔、夾鉆、響煤炮等動力異常情況，具有較高的突出危險性。平煤十礦己15-24080掘進面現(xiàn)場示意圖如圖2（a）所示。

根據(jù)煤礦實際情況，建立簡化的平面模擬示意圖，如圖2（b）所示，其中掘進巷道長度為800 m，斷面寬度為4 m；與之相垂直的進風大巷長度600 m，斷面寬度6 m；回風段長度為100 m。結合現(xiàn)場實際，選擇進風大巷下部AB斷面為進風口inlet1，風速為8 m/s（圖2（b）中局部1）；距離掘進頭5 m處的下端面CD設定為風筒進風口inlet2，風速為5 m/s；掘進頭處EF斷面為瓦斯噴出口inlet3，突出瓦斯最大初始速度為40 m/s，持續(xù)時間為5 s（圖2（b）中局部2）；設定掘進巷與進風巷中心線交叉點O點為坐標原點，坐標為笛卡爾坐標系，回風段斷面為流體運動出口outflow（圖2（b）中局部3）。同時在掘進巷和進風大巷的中心線布置監(jiān)測線line1和line2，以考察突出瓦斯流在兩巷道中的傳播規(guī)律和運移特征。

圖2　突出時流場參數(shù)分布云圖及監(jiān)測線分布曲線圖

2　模擬結果分析

2.1正常通風時的流場參數(shù)

圖3顯示正常通風（瓦斯尚未噴出、風筒風速5 m/s、大巷風速8 m/s）時掘進巷道和進風大巷的風速、相對靜壓分布云圖與兩監(jiān)測線上的參數(shù)分布曲線圖。從圖3可以看出，在巷道風壓作用下，從inlet1和inlet2經(jīng)入的風流于交叉點處匯合，回風側(cè)風流為兩者疊加之和。由于進風側(cè)入口inlet1位于大巷中部斷面，且風速為湍流，故監(jiān)測線line2的速度曲線呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，并在交匯點（O）處迅速上升；與之相對應的line1由于位于掘進巷道中線，而風速入口為掘進巷下端面，故其測線在經(jīng)過入口斷面后整體趨勢有所下降，速度曲線在交匯點處才顯著上升。對比圖3（c）中兩監(jiān)測線的壓力分布特征，可知兩者均隨傳播距離的增大則逐漸降低，并在回風側(cè)相對靜壓出現(xiàn)明顯下降。

需要說明的是，在風流交匯點后的大巷回風段，風流速度相對較大且不均勻，并在交匯點附近形成了較強的湍流渦旋區(qū)。

圖3　正常通風時流場參數(shù)分布云圖及監(jiān)測線分布曲線圖

2.2突出1 s流場參數(shù)

設定瓦斯突出口位于掘進頭端面EF處，峰值噴出初速度為40 m/s，持續(xù)時間為5 s。瓦斯噴出1 s時的流場分布云圖及監(jiān)測線分布曲線如圖4所示。

圖4　突出1s時端部流場參數(shù)分布云圖及監(jiān)測線分布曲線圖

由圖4可知，當瓦斯噴出后，掘進頭端部流場特性發(fā)生劇烈變化，具體表現(xiàn)為速度和壓力參數(shù)顯著上升。究其原因，是噴出的具有較大初速度的高能瓦斯氣流在巷道內(nèi)發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)化，并驅(qū)使瓦斯氣體沿巷道從高壓區(qū)域向低壓位置快速流動所致。同時可以看出濃度場參量的變化要滯后于速度和壓力場變量，分析監(jiān)測線line1上的濃度分布曲線可知，當噴出1 s時，濃度梯度已經(jīng)形成，噴出點處瓦斯?jié)舛茸罡?，傳播中濃度產(chǎn)生衰減，由于此時瓦斯噴出尚未停止，后續(xù)仍有大量瓦斯涌出，且此時掘進巷風筒風流inlet2與瓦斯流動方向相同，故噴出瓦斯流將在后續(xù)驅(qū)動、瓦斯梯度和風流作用的影響下向前快速傳播和運移。

2.3突出后瓦斯流的傳播與擴散

圖5為突出后瓦斯流在交叉巷道內(nèi)傳播與擴展時的濃度分布云圖。為便于分析，將不同時刻瓦斯流所經(jīng)過的典型位置劃分成AB、CD、EF和GH 4個區(qū)段，前3個區(qū)段位于掘進巷中，最后一個區(qū)段位于進風巷中。

圖5　突出后瓦斯流濃度分布云圖

本例中瓦斯噴出的持續(xù)時間為5 s，而AB段表示的則是瓦斯停止噴出10 s后（整體計時為15 s），在風筒風流（inlet2）的作用下，掘進頭端部附近的瓦斯?jié)舛确植记闆r?？梢钥闯?，該時段瓦斯氣團仍具有較大的慣性力，其與瓦斯梯度和風流驅(qū)動共同作用成為瓦斯向前傳播的動力。由于此時新鮮風流尚未與瓦斯氣流混合，故瓦斯流的整體濃度較高；隨著運移過程的發(fā)展，當瓦斯流經(jīng)CD段時，其傳播速度減緩，說明此時慣性力的作用已逐漸消失，與之相對應的是影響范圍的擴大和峰值濃度的降低，說明瓦斯在運移過程中伴隨著物質(zhì)交換和濃度擴散；當瓦斯流停止噴出后160 s（圖5中整體計時為165 s）時，瓦斯氣流運移至巷道交叉點附近。對比壓力和速度分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，此時在交叉位置產(chǎn)生了流場繞射與反射現(xiàn)象，瓦斯流濃度影響范圍減小，同時交叉點處的氣流壓力和速度明顯變化，并伴隨著氣流方向紊亂和壓力較低的渦旋區(qū)域出現(xiàn)，流場中的情況較為復雜。在本例中，瓦斯氣團經(jīng)過交叉巷道后，除大部分經(jīng)回風段流出外，仍有小部分瓦斯逆流入進風大巷。研究表明，高濃度的瓦斯流與正常風流的密度差會導致附加瓦斯風壓的產(chǎn)生，這也是瓦斯逆流擴散的重要動力，從而導致與突出源相連的進風巷道的風流災變。

圖5右側(cè)部分表示的是不同時刻進風巷GH段的瓦斯流傳播與運移規(guī)律。對比壓力和速度云圖發(fā)現(xiàn)，瓦斯氣流經(jīng)過巷道交叉段后，其強度會出現(xiàn)極大程度的衰減。此時受進風巷風流（inlet1）的作用，逆流的瓦斯開始向回風段一側(cè)移動，從而呈現(xiàn)出較為明顯的逆流-回流特征。隨著時間的增加，逆流瓦斯團從回風段流出，其影響范圍迅速減小，濃度也不斷下降。需要說明的是，由于GH段逆流的瓦斯量較小，且其與進風巷風流混合的也較為充分，故此時其濃度大幅度下降，并在235 s時部分進入爆炸濃度范圍，瓦斯流的危險性大大增加。

為更加準確的闡述上述過程，可通過沿掘進巷和進風大巷中心線布置的監(jiān)測線line1和line2的采集數(shù)據(jù)來進行說明。兩監(jiān)測線的濃度變化曲線如圖6所示。

圖6可較為直觀地分析瓦斯流濃度隨時間和空間位置的變化情況。在圖6（a）中的3條曲線的時刻分別對應圖5中AB段、CD段與EF段，可以看出隨著監(jiān)測時間的增加，曲線逐漸右移，其覆蓋范圍先增大后減小，曲線峰值略有下降，對應著瓦斯氣流逼近巷道交叉區(qū)域、影響范圍變化和瓦斯峰值濃度隨之降低的過程。研究表明，在直巷中傳播的瓦斯?jié)舛染S時間和距離出現(xiàn)衰減；在圖6（b）中，瓦斯氣流的主體部分已離開掘進巷，故此時應重點分析line2的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化特征，所研究時刻則分別對應于圖5中右側(cè)部分的4種情況?？梢钥闯?，當監(jiān)測時刻為225 s時，進風大巷回風段已全部充滿較高濃度的瓦斯，進風段也有近25 m的距離被逆流的瓦斯所占據(jù)。此后在進風巷風流（inlet1）和風筒風流（inlet2）的作用下，曲線開始向回風段移動，瓦斯?jié)舛戎饾u下降。由于進風巷首先將瓦斯排空，故新鮮風流（inlet1）對回風段瓦斯進行了清洗，產(chǎn)生了回風段瓦斯?jié)舛扰c掘進段逆流瓦斯?jié)舛茸兓瘯簳r不一致的情況，反映在圖6（b）中230 s時出現(xiàn)了曲線轉(zhuǎn)折特征；當監(jiān)測時間為235 s時，轉(zhuǎn)折點右側(cè)段瓦斯已開始從回風段涌出，但轉(zhuǎn)折點左側(cè)尚有部分瓦斯停留在進風巷20 m的范圍內(nèi)，此時其峰值瓦斯?jié)舛葹?3%，已整體進入爆炸濃度范圍。顯然在本例中，進風巷20 m的范圍內(nèi)為爆炸危險區(qū)，在此區(qū)域安設機電設備的風險較大；在風流作用下，240 s時突出的瓦斯氣流主體部分已運移入回風段，模擬過程也基本結束。

圖6　突出后瓦斯流濃度變化曲線圖

3　結論

（1）己15和己16煤層合層區(qū)是己15-24080掘進工作面的突出危險區(qū)域，當突出瓦斯最大初始速度為40 m/s，持續(xù)時間為5 s時，將會產(chǎn)生瓦斯逆流擴散現(xiàn)象，最大影響范圍為25 m；

（2）突出瓦斯流在風流、濃度擴散和慣性力的作用下運移，在掘進巷道中隨著瓦斯氣流逼近巷道交叉區(qū)域，其影響范圍先增大后減小，瓦斯峰值濃度隨之降低；

（3）突出瓦斯流在巷道交叉區(qū)域流經(jīng)氣流方向紊亂和壓力較低的渦旋區(qū)域時，濃度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折分布現(xiàn)象，部分瓦斯呈現(xiàn)逆流-回流特征；

（4）模擬中瓦斯?jié)舛确逯翟谶M風巷20 m的范圍內(nèi)進入爆炸危險區(qū)，在此區(qū)域安設機電設備的風險較大，故在掘進面接近合層區(qū)時應考慮搬離或采取相應措施以控制該區(qū)段的電氣設備。

需要說明的是，上述結論是以突出瓦斯最大初始速度為40 m/s，持續(xù)時間為5 s的案例模擬研究得出的，仿真時掘進巷和進風巷風流并不關聯(lián)，并結合實際情況進行了相應簡化。研究其他情況下突出瓦斯流的傳播規(guī)律和運移特性時可參考此方法進行。

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The law of diffusion and migration characteristics of outburst gas flow in the intersection roadway

Sun Xiaoyuan1，2，Cui Yongguo3，Dong Lihui1，Sun Yingfeng1，F(xiàn)u Shuai1，Xue Honglai1
（1.School of Resources&Safety Engineering of China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.School of Environment&Safety of Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；3.School of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 101601，China）

To explore the law of diffusion and migration characteristics of gas flow in the intersection roadway with the gas outburst occurrence in the near of coal seam merger and split line in the advancing face of 615-24080 machine roadway of No.10 Coal Mine of Pingdingshan coal industry company，the simulation model was constructed combing with the actual situation，the characteristics of adverse outburst gas flow and the distribution of explosive hazardous area were analyzed.The studies show that the outburst gas flow migrates under the effect of air flow and concentration diffusion and the action of inertia force，as the gas airflow approaches the intersection area of roadway，the its influence scope first increases then decreases，the gas peak concentration also decreases；the adverse gas flow phenomenon happens and the maximum adverse gas flow scope is 25 m when the maximum initial velocity of gas flow is 40 m/s and duration time is 5 s；the outburst gas flows airflow direction disorder and low pressure vortex area and the break in the concentration curve，the partial gas appears adverse flow-return flow characteristics.

gas outburst，diffusion and migration，intersection roadway，adverse gas flow，explosive hazardous area

TD712.5

A

孫曉元（1987-），男，山東德州人，在讀博士，教師，主要從事煤巖動力災害的預測與防治工作。

（責任編輯 張艷華）

國家自然科學基金資助項目（51274206），國家自然科學青年基金資助項目（51404277），中央高校基本科研業(yè)務費資助項目（3142015004）