李成武,楊 威,韋善陽,2,李 騰,遲雷雷

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體影響范圍試驗(yàn)研究

李成武1,楊 威1,韋善陽1,2,李 騰1,遲雷雷1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

為確定煤與瓦斯突出事故發(fā)生后處于爆炸極限內(nèi)的瓦斯分布區(qū)域,避免在此區(qū)域布置機(jī)電設(shè)備,降低突出后發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性,根據(jù)礦井的實(shí)際參數(shù),設(shè)計(jì)相似模擬試驗(yàn),建立在巷道風(fēng)流作用下的突出氣體運(yùn)移擴(kuò)散模型,并結(jié)合實(shí)際煤與瓦斯突出強(qiáng)度和通風(fēng)條件,分析了突出后高濃度瓦斯的時(shí)空分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣體量與監(jiān)測(cè)距離呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,紊流擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)測(cè)值基本一致,災(zāi)害氣體到達(dá)各測(cè)點(diǎn)的初至?xí)r間和監(jiān)測(cè)距離均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;風(fēng)量為648 m3/min,斷面面積為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后,距離突出源563 m以內(nèi)的巷道區(qū)域?yàn)橥咚贡ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域,0～290 s內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸危險(xiǎn)性最大,而在距離突出源563 m以外的區(qū)域布置機(jī)電設(shè)備,巷道發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性較小。

煤與瓦斯突出;運(yùn)移擴(kuò)散;時(shí)空分布

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象,其在極短時(shí)間內(nèi)向采掘巷道拋出大量的煤粉,并涌出大量的高濃度瓦斯[1]。煤與瓦斯突出機(jī)理較多,但由于煤與瓦斯突出本身的復(fù)雜性,現(xiàn)有理論并不能對(duì)其有完全合理的解釋。理論的缺陷導(dǎo)致預(yù)測(cè)方法與防治措施不能完全有效地防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。一旦事故發(fā)生,高濃度瓦斯流經(jīng)作業(yè)地區(qū),遇到機(jī)電設(shè)備可能產(chǎn)生爆炸,因此預(yù)測(cè)高濃度瓦斯擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域分布,將機(jī)電設(shè)備布置到高濃度瓦斯擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域外,則能夠降低瓦斯爆炸發(fā)生的可能性。研究突出后高濃度瓦斯擴(kuò)散區(qū)域分布,可為煤礦機(jī)電設(shè)備的安全設(shè)置提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)于高濃度氣體團(tuán)瞬間涌入巷道混合氣體運(yùn)移規(guī)律國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究。文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計(jì)分析39次煤與瓦斯突出事故,認(rèn)為煤與瓦斯突出后氣體濃度呈現(xiàn)先直線上升后指數(shù)衰減的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[3－6]從理論上推導(dǎo)巷道瓦斯運(yùn)移微分方程組,建立通用的三維數(shù)學(xué)模型,提出通風(fēng)網(wǎng)路中災(zāi)害氣體濃度分布的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[7－11]采用數(shù)值模擬方法研究了高濃度氣體運(yùn)移規(guī)律。文獻(xiàn)[12－14]分析高濃度毒氣傳播過程,得出適合井下條件的毒氣擴(kuò)散公式,并對(duì)公式中的擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行了修正?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)主要是研究高濃度氣體的擴(kuò)散規(guī)律,而對(duì)巷道各位置災(zāi)害氣體濃度的動(dòng)態(tài)變化研究較少,尤其是關(guān)于動(dòng)態(tài)擴(kuò)散區(qū)域的時(shí)空分布規(guī)律研究則更為少見。本文利用煤與瓦斯突出瞬間釋放瓦斯過程和炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生氮氧化物氣體過程具有的相似性來設(shè)計(jì)相似試驗(yàn)系統(tǒng),建立在巷道風(fēng)流作用下的突出氣體運(yùn)移擴(kuò)散模型,分析煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯的時(shí)空分布規(guī)律,得出煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體的影響范圍。

1 在巷道風(fēng)流作用下的突出氣體運(yùn)移擴(kuò)散模型的建立

煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散過程中濃度變化應(yīng)綜合考慮隨風(fēng)流移動(dòng)和分子擴(kuò)散兩部分因素的影響。在流場(chǎng)中任取一微元,其3個(gè)邊長(zhǎng)分別為dx,dy和dz。對(duì)于一維流動(dòng),僅考慮x方向,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,得到一維流動(dòng)的運(yùn)移擴(kuò)散方程為

式中,C為瓦斯?jié)舛?t為監(jiān)測(cè)時(shí)間;u為巷道平均風(fēng)速;x為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距突出源的位置;Dm為瓦斯分子擴(kuò)散系數(shù);J為由生物、物理、化學(xué)等變化而引起的單位時(shí)間和單位體積內(nèi)瓦斯的變化量。

煤與瓦斯突出過程瞬間發(fā)生,突出后高濃度瓦斯團(tuán)可認(rèn)為是瞬時(shí)源,設(shè)高濃度瓦斯氣體生成量為M,在不考慮生物、物理、化學(xué)等變化而引起的瓦斯含量變化(即J=0)的情況下,由菲克第二定律,得出瞬時(shí)源一維運(yùn)移擴(kuò)散下瓦斯?jié)舛确植糩5]為

式中,C(x,t)為x位置處t時(shí)刻的瓦斯?jié)舛?M為瓦斯氣體生成量;Dt為紊流擴(kuò)散系數(shù)。

紊流擴(kuò)散系數(shù)Dt主要是反映巷道斷面上風(fēng)速分布不均勻及紊流流動(dòng)等因素的變化程度,關(guān)于其值的確定,文獻(xiàn)[15]提出了紊流擴(kuò)散系數(shù)Dt的計(jì)算公式為

狀系數(shù),矩形巷道c=4.05[16－17]。

突出氣體在實(shí)際巷道運(yùn)移擴(kuò)散過程中,各地點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)的瓦斯總量并不是保持不變的,應(yīng)對(duì)式(2)中參數(shù)M加以修正。本文將瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散區(qū)域分為n+1個(gè)微小區(qū)域進(jìn)行分析,建立瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散幾何模型(圖1),瞬時(shí)源的瓦斯氣體量設(shè)為M0。當(dāng)微小區(qū)域無限小時(shí),可將流經(jīng)該區(qū)域內(nèi)的瓦斯氣體量看成一個(gè)常數(shù),設(shè)瓦斯流經(jīng)第i(i=1,2,3,…,n)個(gè)微小區(qū)域后,在第i區(qū)域監(jiān)測(cè)到的氣體量為Mi。瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散至第i區(qū)域的初至?xí)r間為t0,i。

圖1 瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散區(qū)域Fig.1 Turbulent diffusion area of gas

根據(jù)式(2),第i區(qū)域的一維運(yùn)移擴(kuò)散濃度分布為

式中,C(xi,t)為第i區(qū)域t時(shí)刻的瓦斯?jié)舛?Mi為在第i區(qū)域監(jiān)測(cè)到的氣體量;xi為第i區(qū)域距突出源的距離;ui為第i區(qū)域平均風(fēng)速;t0,i為瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散至第i區(qū)域的初至?xí)r間,其值和ui,xi及沖擊超壓有關(guān); xr,i為第i區(qū)域瓦斯?jié)舛扔?上升到峰值過程中瓦斯的運(yùn)移擴(kuò)散距離;Dt,i為第i區(qū)域紊流擴(kuò)散系數(shù),按照式(3)計(jì)算。

2 在巷道風(fēng)流作用下的突出氣體運(yùn)移擴(kuò)散相似試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

對(duì)于同一種物理現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)點(diǎn)參數(shù)之間的關(guān)系應(yīng)符合精確相似,精確相似包括幾何相似、時(shí)間相似、速度相似、溫度相似,動(dòng)力學(xué)相似和運(yùn)動(dòng)學(xué)相似等[18－19]。本文根據(jù)相似理論和研究的需要,著重考慮幾何尺寸相似﹑運(yùn)動(dòng)相似、時(shí)間相似和動(dòng)力相似4種相似條件。設(shè)定幾何相似比kL=30,運(yùn)動(dòng)相似比kV=1,時(shí)間相似比kT=30,動(dòng)力相似采用雷諾數(shù)準(zhǔn)則,由幾何相似比和速度相似比導(dǎo)出流量相似比kQ=kVk2L=900。

由于僅模擬煤與瓦斯突出后瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散情況,而不考慮煤粉的運(yùn)移情況,可選擇起爆黑火藥瞬間產(chǎn)生氣體源代替煤與瓦斯突出氣體源。根據(jù)相似條件,試驗(yàn)使用的方形管道由16塊壁厚為10 mm的亞克力板組合而成,管道內(nèi)徑尺寸為0.1 m×0.1 m,長(zhǎng)度為6 m;氣體濃度采集芯片和微震系統(tǒng)芯片均為自主設(shè)計(jì)研發(fā),試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of test system

ZDKT－1型煤巖動(dòng)力災(zāi)害實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)(圖3)集成了微震、濃度和氣壓采集芯片。主要采集放炮后氮氧化物濃度數(shù)據(jù),試驗(yàn)共布置4組氣體濃度傳感器,分別距爆炸點(diǎn)(瞬時(shí)源)0.35,1.55,2.75和3.95 m。黑火藥藥量分大(0.20 g)、中(0.08 g)、小(0.02 g)3個(gè)層次。氣體濃度傳感器采用City Technology公司生產(chǎn)的4NT CiTiceL傳感器,測(cè)量范圍為0～250×10－6,分辨率為0.5×10－6。微震傳感器為加速度計(jì)傳感器,其采集頻率為2 560 Hz。氣壓傳感器采用霍尼韋爾公司的絕壓傳感器,量程為0～6.895 kPa。傳感器布置位置如圖4所示。離心風(fēng)機(jī)采用130FLJ5型離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)速測(cè)試儀為美國(guó)TSI9515風(fēng)速測(cè)量?jī)x。

圖3 采集系統(tǒng)Fig.3 Acquisition system

圖4 傳感器布置Fig.4 Location of sensors

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

黑火藥爆炸后產(chǎn)生的氣體除N2和CO2外,還會(huì)產(chǎn)生氮氧化物、SO2和CO等氣體。據(jù)測(cè)定,大約每1 g黑火藥著火燃燒時(shí),可以產(chǎn)生70 L氣體,本文采用黑火藥爆炸后的氮氧化物氣體量近似模擬突出氣體量。試驗(yàn)對(duì)3種藥量分別進(jìn)行3組風(fēng)速(0.80, 1.00和1.20 m/s)條件供風(fēng)。采集氮氧化物濃度數(shù)據(jù),并進(jìn)行非線性擬合分析。限于篇幅,本文僅列出藥量為0.08 g,風(fēng)速為1.20 m/s下不同監(jiān)測(cè)距離氮氧化物濃度(CN)擬合曲線,如圖5所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,氮氧化物濃度擬合方程見表1。從圖5和表1可以看出,擬合曲線和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度非常高,R2在0.956～0.989。對(duì)比式(4)和表1,統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型各系數(shù)的擬合結(jié)果,見表2。為了說明擬合公式的實(shí)際意義,分別對(duì)擬合參數(shù)Mi,ui和Dt,i加以分析。

(1)參數(shù)Mi的實(shí)際意義。

本文計(jì)算了xi處監(jiān)測(cè)濃度數(shù)據(jù)包絡(luò)線下的面積(表2中Ai),Ai代表試驗(yàn)巷道xi處監(jiān)測(cè)到的氣體量,將其與對(duì)應(yīng)的擬合氣體量Mi對(duì)比分析,如圖6(a)所示。

從圖6(a)可以看出,擬合氣體量Mi和包絡(luò)線下面積Ai呈線性關(guān)系,R2為0.866 7,相關(guān)度較好,說明Mi實(shí)際上代表的是氣體量。隨著距離的增大,包絡(luò)線下的面積減小,說明在運(yùn)移擴(kuò)散過程中各地點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣體量不是固定不變的,而是隨監(jiān)測(cè)距離的增大而減小,說明本文提出的氣體運(yùn)移擴(kuò)散模型是可靠的。

表1 藥量為0.08 g的氮氧化物濃度擬合方程Table 1 The fitting equation of nitrogen oxide concentration under 0.08 g

表2 試驗(yàn)參數(shù)和擬合參數(shù)(藥量為0.08 g)Table 2 Experimental parameters and fitting parameters

圖6 擬合參數(shù)分析Fig.6 Analysis of fitting parameters

(2)參數(shù)ui的實(shí)際意義。

試驗(yàn)風(fēng)速u′i和擬合風(fēng)速ui之間的關(guān)系如圖6(b)所示?？梢钥闯?擬合風(fēng)速和試驗(yàn)風(fēng)速基本一致,R2為0.985 9,相關(guān)度很好,說明擬合系數(shù)ui的實(shí)際意義代表風(fēng)速。

(3)參數(shù)Dt,i的實(shí)際意義。

實(shí)驗(yàn)室巷道模型斷面邊長(zhǎng)為0.1 m,水力半徑r為0.025 m。根據(jù)3種藥量下Dt,i和風(fēng)速ui的擬合結(jié)果,按照式(3)反算3組藥量下巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)α(共36組數(shù)據(jù)),如圖6(c)所示。除去個(gè)別異常值,3組藥量下α基本上在60×10－4N·s2/m4基準(zhǔn)線上下浮動(dòng)。按照標(biāo)準(zhǔn)[20]測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室巷道模型通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)試驗(yàn),測(cè)點(diǎn)選在圖2中1號(hào)和4號(hào)傳感器位置上。試驗(yàn)巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)實(shí)測(cè)范圍大致為38×10－4～86×10－4N·s2/m4,其值和式(3)推算的通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)范圍大致相同。說明按照式(3)計(jì)算紊流擴(kuò)散系數(shù)是可靠的。

由以上分析可知,根據(jù)式(4)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合,參數(shù)Mi,ui和Dt,i均具有很好的實(shí)際意義,因此,選用式(4)分析一維運(yùn)移擴(kuò)散濃度分布具有合理性。

3 煤與瓦斯突出災(zāi)變影響范圍的確定

本文建立的運(yùn)移擴(kuò)散模型和公式推導(dǎo)過程均與氣體本身性質(zhì)無關(guān),且煤與瓦斯突出瞬間釋放瓦斯的過程和爆炸瞬間產(chǎn)生氮氧化物氣體的過程具有相似性。因此,上文分析的爆炸后氮氧化物運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律可用于煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯團(tuán)瞬間涌入巷道的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律。假定煤與瓦斯突出后瞬間產(chǎn)生10 000 m3瓦斯,巷道為斷面3 m×3 m的方形巷道,長(zhǎng)度為1 000 m,突出后局部通風(fēng)機(jī)仍持續(xù)供風(fēng),巷道內(nèi)平均風(fēng)速為1.20 m/s,則巷道風(fēng)量為648 m3/min。以下對(duì)一維運(yùn)移擴(kuò)散濃度分布模型中各參數(shù)進(jìn)行確定。

(1)實(shí)際氣體量M′的確定。

根據(jù)相似條件,將實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的3種藥量下氣體量M轉(zhuǎn)換成模擬實(shí)際的氣體量M′,M′=900M。模擬實(shí)際監(jiān)測(cè)距離x′和實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的監(jiān)測(cè)距離x的關(guān)系: x′=30x。計(jì)算后的模擬實(shí)際氣體量M′和模擬實(shí)際監(jiān)測(cè)距離x′的關(guān)系擬合曲線如圖7所示。

圖7 M′和x′擬合關(guān)系Fig.7 Fitting relationship between M′and x′

3種藥量下氣體量M′與監(jiān)測(cè)距離x′呈近似負(fù)指數(shù)變化關(guān)系,R2分別為0.973 3,0.702 2和0.676 3。說明隨著藥量的增大,氣體量和監(jiān)測(cè)距離的關(guān)系越接近指數(shù)衰減的變化規(guī)律。同時(shí),3種藥量的氣體量隨監(jiān)測(cè)距離的衰減系數(shù)大致相等,為－0.004～－0.006,而M′幅值差別較大,其值與瞬時(shí)源氣體產(chǎn)生量有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)藥量和監(jiān)測(cè)距離有限,擬合出的衰減系數(shù)并不能完全代表井下實(shí)際情況,需根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)一步考察和修正。暫取衰減系數(shù)為－0.005,由假定煤與瓦斯突出后瞬間產(chǎn)生10 000 m3瓦斯,則M′=10 000e－0.005x′。

(2)實(shí)際紊流擴(kuò)散系數(shù)Dt′的確定。

文獻(xiàn)[21]實(shí)測(cè)不同支護(hù)形式下巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù),掘進(jìn)工作面巷道為錨噴支護(hù)、光面爆破,凹凸度小于150時(shí),其摩擦阻力系數(shù)為68×10－4～75× 10－4N·s2/m4,取平均值為70×10－4N·s2/m4,水力半徑為0.741 m,由式(3)計(jì)算得出Dt′=4.500。

(3)實(shí)際初至?xí)r間t′0的確定。

由于時(shí)間相似系數(shù)和位移相似系數(shù)均為30,則實(shí)驗(yàn)室條件下初至?xí)r間t0,i和監(jiān)測(cè)距離xi的擬合關(guān)系即為實(shí)際情況下的初至?xí)r間t′0和監(jiān)測(cè)距離x′的擬合關(guān)系。統(tǒng)計(jì)分析不同藥量和風(fēng)速下的初至?xí)r間t0隨監(jiān)測(cè)距離x的變化規(guī)律,可以看出,兩者均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖8列出實(shí)驗(yàn)室條件、風(fēng)速為1.20 m/s下初至?xí)r間t0,i和監(jiān)測(cè)距離xi的線性擬合關(guān)系:t0,i= 0.478xi+0.349。則實(shí)際情況下,風(fēng)速為1.20 m/s下的初至?xí)r間t′0和監(jiān)測(cè)距離x′擬合關(guān)系為:t′0= 0.478x′+0.349。

圖8 t0和x的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between t0,iand xi

(4)實(shí)際上升時(shí)間t′r的確定。

取3種藥量下風(fēng)速為1.20 m/s時(shí)上升階段持續(xù)時(shí)間tr,i的平均值作為上升時(shí)間,經(jīng)計(jì)算為0.749 s。由于時(shí)間的相似比KT=30,則實(shí)際上升時(shí)間t′r= 0.749×30=22.47 s,各區(qū)域內(nèi)瓦斯氣體濃度由0上升到峰值過程中瓦斯的實(shí)際運(yùn)移擴(kuò)散距離x′r按實(shí)際上升時(shí)間和實(shí)際風(fēng)速的乘積得出,本次為22.47× 1.20=26.964 m。

(5)高濃度瓦斯瞬間涌入巷道瓦斯影響范圍的確定。

根據(jù)以上分析結(jié)果,采用運(yùn)移擴(kuò)散模型,按照上文假定突出條件,得出高濃度瓦斯氣體團(tuán)瞬間涌入巷道實(shí)際瓦斯?jié)舛菴′與實(shí)際時(shí)間t′和距突出源實(shí)際監(jiān)測(cè)距離x′之間的關(guān)系,如圖9所示。瓦斯?jié)舛确植挤秶?%和16%兩個(gè)界面劃分,16%截面以上區(qū)域?yàn)榛烊胄迈r空氣后爆炸區(qū),5%～16%范圍內(nèi)區(qū)域?yàn)橥咚贡▍^(qū),5%截面以下區(qū)域?yàn)榉潜▍^(qū)。

圖9 影響范圍分布三維圖Fig.9 Three-dimensional distribution of influence scope

為了便于觀察,將圖9的實(shí)際瓦斯?jié)舛菴′和距突出源的實(shí)際距離x′關(guān)系(正視圖)、實(shí)際瓦斯?jié)舛菴′和實(shí)際時(shí)間t′關(guān)系(左視圖)分別導(dǎo)出,如圖10,11所示。

圖10 實(shí)際瓦斯?jié)舛菴′和距突出源的實(shí)際距離x′關(guān)系Fig.10 The relationship between actual gas concentration C′and distance from outburst source x′

圖11 實(shí)際瓦斯?jié)舛菴′和實(shí)際時(shí)間t′關(guān)系Fig.11 The relationship between actual gasconcentration C′and time t′

從圖10,11可以看出,風(fēng)量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后,瓦斯?jié)舛冗_(dá)到16%的坐標(biāo)點(diǎn)為(339,182,16%),5%的坐標(biāo)點(diǎn)為(563,290,5%)。在距突出源0～339 m區(qū)域,當(dāng)混入新鮮空氣后可發(fā)生瓦斯爆炸;339～563 m遇明火可直接發(fā)生瓦斯爆炸,因此,瓦斯爆炸的可能發(fā)生區(qū)域?yàn)榫嗤怀鲈?～563 m,時(shí)間為0～290 s。而在距突出源563 m以外的巷道,瓦斯?jié)舛染?%以下,瓦斯爆炸危險(xiǎn)性小。按照上述分析,現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備應(yīng)布置距突出源563 m以外的區(qū)域。本文僅對(duì)風(fēng)量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后高濃度瓦斯影響范圍進(jìn)行分析,對(duì)于其他條件下的瓦斯影響范圍研究可參照此方法進(jìn)行。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)流體力學(xué)理論和菲克定律,建立了瞬時(shí)源一維運(yùn)移擴(kuò)散幾何模型,改進(jìn)了現(xiàn)有的運(yùn)移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型。相似試驗(yàn)結(jié)果和災(zāi)害氣體運(yùn)移擴(kuò)散模型吻合度高,且擬合參數(shù)均具有實(shí)際意義,驗(yàn)證了所建的運(yùn)移擴(kuò)散模型用于分析高濃度氣體團(tuán)瞬間涌入巷道混合氣體擴(kuò)散規(guī)律的合理性。

(2)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣體量隨監(jiān)測(cè)距離的增大呈負(fù)指數(shù)衰減;紊流擴(kuò)散系數(shù)與巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)、水力半徑和風(fēng)速有關(guān);各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化的初至?xí)r間和監(jiān)測(cè)距離均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

(3)根據(jù)相似試驗(yàn)結(jié)果確定運(yùn)移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù),分析了風(fēng)量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后突出高濃度瓦斯時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明在巷道通風(fēng)設(shè)施不損壞的條件下,發(fā)生瓦斯爆炸的可能區(qū)域?yàn)榫嗤怀鲈?～563 m,時(shí)間發(fā)生在0～290 s。而距突出源563 m以外的巷道區(qū)域瓦斯?jié)舛染?%以下,瓦斯爆炸危險(xiǎn)性小。

(4)受實(shí)驗(yàn)室藥量和監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目的限制,各點(diǎn)監(jiān)測(cè)氣體量隨監(jiān)測(cè)距離變化的衰減系數(shù)需根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步考察和修正,上升階段時(shí)間和監(jiān)測(cè)距離之間的關(guān)系有待進(jìn)一步分析。

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Experimental research of influence scope of disaster gas after coal and gas outburst

LI Cheng-wu1,YANG Wei1,WEI Shan-yang1,2,LI Teng1,CHI Lei-lei1
(1.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Safety Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

To determine distribution area of gas which lies in explosion limits and avoid electromechanical equipment’s arranging in the area can reduce the risk of gas explosion after coal and gas outburst accident,based on actual parameters of mine,similar simulation test was designed and the model of migration and diffusion of gas along with air flow after outburst was put forward.Combining with the actual strength of coal and gas outburst and atmospheric conditions,space-time distribution of high concentration gas after coal and gas outburst was analyzed.The results show that the gas amount of each monitoring point has a negative exponent relation with monitoring distance.Turbulent diffusion coefficient is identical with the actually measured value.The first break time at which disaster gas reaches each monitoring point has good linear relationship with each monitoring distance.Under the air volume of 648 m3/min and sectional area of 9 m2,gas explosion more likely occurs in the area within 563 m from outburst source and during the time of 0－290 s after 10 000 m3gas extrudes.The occurrence probability of gas explosion is small when electromechanical equipments arrange beyond 563 m from outburst source.

coal and gas outburst;migration and diffusion;space-time distribution

TD712

A

0253－9993(2014)03－0478－08

李成武,楊 威,韋善陽,等.煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體影響范圍試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):478－485.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0441

Li Chengwu,Yang Wei,Wei Shanyang,et al.Experimental research of influence scope of disaster gas after coal and gas outburst[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):478－485.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0441

2013－04－09 責(zé)任編輯:張曉寧

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274206)

李成武(1969—),男,黑龍江延壽人,研究員,博士生導(dǎo)師。E－mail:lcw@cumtb.edu.cn。通訊作者:楊 威(1986—),男,河南信陽人,博士研究生。E－mail:ywbj2008@126.com