艾迪昊 榮 濤 李 聰 邵晟洋 李 凱

(中國礦業(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)

對綜掘工作面瓦斯涌出來源進行了分析,依據(jù)質(zhì)量守恒定理,對停風(fēng)后掘進巷道瓦斯涌出規(guī)律進行理論計算,得出停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。實測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行比較,得出理論計算結(jié)果具有一定實用性。利用理論計算結(jié)果對停風(fēng)巷道進行瓦斯?jié)舛确治?從而為煤礦掘進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 實測數(shù)據(jù) 理論計算

在巷道掘進過程中,經(jīng)常由于變電所突然停電、風(fēng)筒脫落和局部通風(fēng)機故障等原因?qū)е聼o計劃停風(fēng)。掘進工作面停風(fēng)后,瓦斯仍然不斷地從煤壁、落煤中涌出,而掘進巷道沒有新鮮風(fēng)流帶走瓦斯,當停風(fēng)一段時間后,掘進巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛葧眲∩仙?極有可能到達瓦斯爆炸的極限范圍,一旦遇火源就會引發(fā)瓦斯爆炸。綜上所述,分析掘進巷道停風(fēng)后瓦斯分布規(guī)律,不僅能為預(yù)防停風(fēng)后掘進巷道瓦斯爆炸提供理論支持,而且能夠為煤礦掘進巷道停風(fēng)后制定瓦斯排放措施提供依據(jù)。

1 理論分析

隨著現(xiàn)代煤礦機械化程度的提高,綜合機械化掘進在煤礦中越來越多地被應(yīng)用。與傳統(tǒng)掘進作業(yè)相比,機械化掘進工作面是連續(xù)不斷的落煤—裝煤—運煤—清理浮煤—錨桿錨索支護的循環(huán)工藝過程。當綜掘工作面停風(fēng)時,可以認為落煤已經(jīng)被運出掘進巷道,所以綜掘工作面巷道內(nèi)瓦斯涌出來源主要包含巷道煤壁和工作面煤壁兩部分。本文運用質(zhì)量守恒定理和在合理簡化基礎(chǔ)上的理論分析得出掘進巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律,為掘進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—擴散—滲流形成的一個復(fù)雜的運移過程。當割煤機不斷割煤,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度隨著時間的延長而迅速衰減。

根據(jù)煤壁瓦斯涌出強度理論和現(xiàn)場實際測定認為,綜掘工作面單位面積上的絕對瓦斯涌出量對時間呈負指數(shù)規(guī)律衰減,可表示為:

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

q0——煤壁剛暴露時,單位面積煤壁上的絕對瓦斯涌出量,m3/(m2·d);

α——煤壁瓦斯涌出衰減系數(shù),d－1;

t1——煤壁暴露時間,d。

掘進機掘進進尺結(jié)束ta時間后,由于某種原因?qū)е戮蜻M巷道停風(fēng)。從掘進巷道停風(fēng)時刻算起,計停風(fēng)時間為t,則在剛停風(fēng)時刻,工作面壁面隨著停風(fēng)時間每分鐘瓦斯涌出量Q1為:

式中:Q1——工作面壁面隨著停風(fēng)時間瓦斯涌出量,m3/min;

t——停風(fēng)時間,d;

ta——掘進機掘進進尺結(jié)束時間,d;

s——工作面壁面的面積,可以近似認為是巷道斷面面積,m2。

對于巷道壁面來說,距離工作面不同長度的煤壁暴露時間不同,離工作面越遠暴露時間越長,這樣巷道煤壁的瓦斯涌出量是不均勻的,沿著巷道長度的方向從工作面煤壁逐漸減小。當巷道停風(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——巷道長度(距離工作面長度),m;

u——煤壁周邊(含煤部分暴露區(qū)段),m;

v——平均掘進速度,m/d。

為了研究掘進巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛仍谙锏纼?nèi)的分布規(guī)律,建立以掘進頭為原點,巷道方向為x軸的一維坐標系。為了便于分析,作如下簡化假設(shè):

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

(2)該掘進巷道為單巷掘進,同時鄰近區(qū)域的作業(yè)對該巷道瓦斯涌出沒有影響;

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

(4)掘進巷道通風(fēng)口壓強不變,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)量守恒定律對微元體積內(nèi)瓦斯進行分析。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:

對該式進行積分處理,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,掘進巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊淖兓胺植记闆r。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

為了驗證式(5)在實際生產(chǎn)中的正確性,利用某礦綜掘巷道在一次停風(fēng)過程中實測瓦斯的濃度數(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,采用綜合機械化掘進,機掘正常進尺約10 m/d,掘進巷工作面標高變化不大,可以近似看作近水平巷道。掘進巷長1000 m,巷道斷面為矩形,寬4.0 m,高3.5 m。在掘進工作面(距離掘進頭10 m左右)安裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測探頭,具體安裝位置如圖1所示。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測探頭采用ExibdⅠ礦用本安兼隔爆型瓦斯監(jiān)測探頭,CH4測量范圍為0%～4.00%,檢測反應(yīng)時間≤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取一個平均值。該掘進巷道停風(fēng)及其前后一段時間瓦斯探頭實測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 探頭安裝示意圖

圖2 實測瓦斯數(shù)據(jù)

在正常停風(fēng)情況下,煤巷掘進作業(yè)時,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個階段,即下降—上升—下降—上升,呈W形態(tài)發(fā)展,由于開始掘進前會采用瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯抽放,所以此時瓦斯?jié)舛葧档?。隨著掘進開始,落煤增加與新煤壁不斷產(chǎn)生,瓦斯?jié)舛妊杆偬岣摺．斁蜻M停止時,落煤不斷被運出掘進工作面,同時隨著時間的推移,煤壁和落煤涌出強度逐步減小,掘進工作面瓦斯涌出強度表現(xiàn)出遞減的趨勢。所以實測瓦斯?jié)舛入S著每班的不斷掘進出現(xiàn)波浪狀曲線。

當掘進巷道停風(fēng)后,掘進巷道壁面與工作面壁面仍然不斷涌出瓦斯,同時沒有新鮮風(fēng)流稀釋,所以造成該點瓦斯?jié)舛炔粩嗌仙?。隨著時間推移,煤壁瓦斯涌出速度逐漸降低,該點瓦斯?jié)舛仍鲩L速度變緩直至不變。由于該探頭濃度范圍的限制,測點濃度在4%以上就會出現(xiàn)超過測量范圍,出現(xiàn)圖2中所示的水平濃度線。

當掘進巷道恢復(fù)通風(fēng)時,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)機因故停止運轉(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)。所以該煤礦掘進巷道停風(fēng)后排瓦斯措施有待商榷。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)和理論計算對比分析

針對掘進巷道現(xiàn)場停風(fēng)數(shù)據(jù)與利用理論計算結(jié)果進行驗證和比較,現(xiàn)場實測的瓦斯數(shù)據(jù)為掘進巷道第一個瓦斯探頭監(jiān)測數(shù)據(jù),體現(xiàn)了綜掘巷道該點瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。在理論計算中的l為常數(shù)時,l代表測點距掘進面距離,即表示該點瓦斯?jié)舛入S時間的變化。

根據(jù)掘進巷道現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集與計算,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;平均掘進速度v為10 m/d,原始瓦斯?jié)舛萩0為0.1%。對瓦斯探頭實測數(shù)據(jù)進行分析,測得掘進巷道進尺結(jié)束距停風(fēng)時間ta約為0.18 d。自變量時間t以停風(fēng)后為準,利用上述數(shù)據(jù),得出理論計算瓦斯?jié)舛茸兓€,同時添加實際停風(fēng)后瓦斯變化曲線并對兩者加以比較,如圖3所示。

圖3 實測值與計算瓦斯數(shù)據(jù)比較

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

同時,從圖3能夠看出,實測瓦斯?jié)舛扰c理論計算不完全吻合,這可能是由于以下原因造成的:

(1)掘進巷道工作面落煤沒有完全清理干凈,可能留有一定的遺煤。

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

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

綜上,即使理論計算的公式與實際有一定誤差,但是理論計算公式具有一定的實用性。

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

圖4 瓦斯?jié)舛入S著距離掘進頭距離變化過程

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)、爆炸危險區(qū)和爆炸威脅區(qū)。同時按照理論計算公式,得到掘進巷道停風(fēng)后瓦斯的時空分布情況,如圖5所示,隨著時間推移,瓦斯逐漸涌出,原來的安全區(qū)變?yōu)楸ㄎｋU區(qū),可能最終變?yōu)楸ㄍ{區(qū)。從圖5可以看出離掘進頭不同距離巷道在停風(fēng)后瓦斯?jié)舛入S時間的變化過程,從而為掘進巷道排瓦斯提供理論參考。

圖5 停風(fēng)后瓦斯時空分布

4 結(jié)論

(1)分析了綜掘工作面瓦斯涌出源的涌出過程,對停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛冗M行理論分析與計算,預(yù)測停風(fēng)后巷道中瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。

(2)利用實測數(shù)據(jù)對理論分析公式進行驗證,同時對計算結(jié)果進行了分析,說明該理論計算公式具有一定的實用性。

(3)利用理論計算結(jié)果,分析了掘進巷道停風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊臅r空分布,求出掘進巷道某段極限瓦斯?jié)舛?劃分某時間瓦斯爆炸危險區(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].中國煤炭,2014(10)

[2] 李祥春,丁永明等.掘進巷道停風(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)采煤機雙巷掘進工藝及參數(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[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] 張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國礦業(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)測方法[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006

[9] 朱紅青,周博瀟等.掘進巷道停風(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的瓦斯動態(tài)涌出與掘進工藝的關(guān)系[J].煤礦安全,2013(7)

[11] 國家煤礦安全監(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,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀碩士,研究方向為煤與瓦斯突出監(jiān)測與預(yù)測。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國家自然科學(xué)基金項目(51274206),中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2010YZ05)