羅新榮, 李夢坤, 李亞偉, 丁 振

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

采煤工作面瓦斯重大危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評估

羅新榮, 李夢坤, 李亞偉, 丁 振

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

為準(zhǔn)確評估煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)程度，針對不同瓦斯礦井工作面及采空區(qū)，運(yùn)用CFD軟件模擬瓦斯危險(xiǎn)源的失控狀態(tài)，以瓦斯危險(xiǎn)源辨識為主要依據(jù)，結(jié)合事故案例，對瓦斯爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。結(jié)果表明：低瓦斯礦井工作面無風(fēng)或風(fēng)量不足時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～22%，工作面沿回風(fēng)巷方向瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在7%～15%，其中工作面瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)最高，風(fēng)排瓦斯并未解決上隅角瓦斯超限問題。高瓦斯礦井工作面無風(fēng)或風(fēng)排瓦斯時(shí)，工作面、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在5%～17%，極易發(fā)生瓦斯爆炸，若僅井下綜合抽采，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在4%～10%，仍存在安全隱患。該研究通過對工作面采空區(qū)的瓦斯重大危險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估可為預(yù)防瓦斯爆炸提供理論指導(dǎo)。

危險(xiǎn)源； 瓦斯超限； 風(fēng)流短路； 風(fēng)險(xiǎn)評估； CFD

0 引 言

瓦斯爆炸事故在煤礦事故中危害程度最大，且極易造成群體傷亡。2000—2013年，我國發(fā)生特大瓦斯爆炸事故49起，死亡人數(shù)達(dá)2 964人，一次死亡10 人以上的特大事故中，瓦斯爆炸事故死亡人數(shù)占瓦斯事故總?cè)藬?shù)的53%～73%[1]。因此，探究瓦斯爆炸事故的致因因素和瓦斯危險(xiǎn)源辨識具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者大多從瓦斯爆炸事故案例統(tǒng)計(jì)角度進(jìn)行危險(xiǎn)源定性分析，如管理缺陷歸類分析、事故基本特征分析和交叉耦合分析等[2]。在瓦斯爆炸事故中，瓦斯?jié)舛瘸迒栴}是致災(zāi)的主要原因之一，然而對礦井瓦斯?jié)舛鹊亩糠治鲅芯课墨I(xiàn)較少。因此，筆者以歷年的瓦斯爆炸事故案例為研究對象，以CFD理論與技術(shù)為基礎(chǔ)，通過建立瓦斯場可視化模型來辨識分析井下工作面采空區(qū)瓦斯重大危險(xiǎn)源。從重大瓦斯爆炸事故致因的定量分析中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，以期為科學(xué)制定特別重大瓦斯爆炸事故預(yù)防措施提供理論支持。

1 瓦斯危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 工作面瓦斯爆炸事故原因分析

礦井瓦斯爆炸是煤礦井下一種極其嚴(yán)重的災(zāi)害，一旦發(fā)生，不僅造成大量的人員傷亡，礦井設(shè)施損壞，還會引起煤塵爆炸等一系列災(zāi)害，造成巨大損失。由于井下管理缺陷及工作人員的疏忽等原因，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛葧r(shí)常處于超限狀態(tài)，為瓦斯爆炸提供了必要條件。文中分析煤礦事故數(shù)據(jù)庫中的2 706條案例，其中煤與瓦斯爆炸事故案例1 247條，通過歸納分析，根據(jù)事故發(fā)生的主要原因大致分為三類：工作面風(fēng)流短路181條，死亡人數(shù)3 303人；井下局部通風(fēng)機(jī)的隨意停開117條，死亡人數(shù)2 332人；井下只采取風(fēng)排瓦斯而導(dǎo)致工作面上隅角瓦斯超限175條，死亡人數(shù)2 234人。1971—2005年三類原因致使瓦斯爆炸事故的案例數(shù)見圖1[3]。

圖1 1971—2005年三類原因?qū)е峦咚贡ㄊ鹿拾咐龜?shù)

1.2 瓦斯危險(xiǎn)源來源分析

采場瓦斯主要來自首采煤層和卸壓煤層，相應(yīng)地將采場瓦斯來源分為首采層瓦斯源和卸壓層瓦斯源[4-5]。首采層瓦斯來源于工作面煤體、巷幫煤體、落煤及遺煤等，卸壓層瓦斯來源于上下臨近煤層。

目前，回采工作面瓦斯涌出量的預(yù)測方法很多，文中選用分源預(yù)測法[6],回采工作面的瓦斯涌出量q分為本煤層瓦斯涌出量qb和鄰近層瓦斯涌出量qL，則

q=qb+qL。

(1)

2 工作面采空區(qū)瓦斯重大危險(xiǎn)源辨識

2.1 工作面采空區(qū)CFD模型的建立

文中選擇瓦斯爆炸事故案例中兩個具有代表性的礦井：一是黑龍江省某低瓦斯礦井，一是遼寧省某高瓦斯礦井。依據(jù)事故調(diào)查報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到工作面采空區(qū)的物理模型參數(shù)如表1所示。

低瓦斯礦井事故地點(diǎn)在左五巷靠近采空區(qū)上隅角處，高瓦斯礦井瓦斯爆炸源在工作面靠近回風(fēng)巷的位置。結(jié)合實(shí)際情況，對工作面采空區(qū)模型進(jìn)行簡化，采用六面體劃分網(wǎng)格。通風(fēng)系統(tǒng)簡圖及模型局部網(wǎng)格劃分如圖2、3所示。

表1 工作面CFD模型基本參數(shù)及邊界條件

注：采空區(qū)瓦斯涌出量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)用式(1)計(jì)算所得。

圖2 低瓦斯礦井通風(fēng)系統(tǒng)及模型局部網(wǎng)格劃分

圖3 高瓦斯礦井通風(fēng)系統(tǒng)及模型局部網(wǎng)格劃分

2.2 工作面采空區(qū)滲透率分布規(guī)律

煤層開采破壞了采場上覆煤巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生大量采動裂隙。高位環(huán)形裂隙體理論表明[7]，自工作面距開切眼裂隙逐漸形成裂隙擴(kuò)展區(qū)、裂隙壓實(shí)閉合區(qū)和裂隙穩(wěn)定區(qū)三個區(qū)域。

結(jié)合文獻(xiàn)[8-10]計(jì)算得出采空區(qū)孔隙率分布為0.03%～0.38%，滲透率α為2.3×10-9～8.5×10-4m2。結(jié)合礦井資料與實(shí)測數(shù)據(jù)，考慮到采空區(qū)“O”形圈漏風(fēng)通道和環(huán)形裂隙體的存在，對滲透率進(jìn)行校正，確定瓦斯礦井滲透率大小為1.0×10-9～1.0×10-3m2，其空間分布大致如圖4所示，其中，l1為工作面走向距離，l2為采空區(qū)距工作面距離。

圖4 采空區(qū)滲透率分布

采用商業(yè)的CFD程序Fluent軟件來模擬采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移，對Fluent提供的本構(gòu)模型進(jìn)行二次開發(fā)，將采空區(qū)的三維滲透率和孔隙率以及瓦斯涌出量采用C++語言程序進(jìn)行編寫，然后通過圖形用戶面板與Fluent的求解器進(jìn)行連接。

2.3 瓦斯危險(xiǎn)源辨識量化分析

瓦斯危險(xiǎn)源辨識是瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的主要依據(jù)之一，對煤礦安全狀況的好轉(zhuǎn)起著重要的作用。文中在風(fēng)流短路或風(fēng)量不足、風(fēng)排瓦斯、采空區(qū)瓦斯抽采不合理等三類主要原因致使礦井發(fā)生瓦斯爆炸的情況下，利用以上CFD模型定量研究低瓦斯礦井、高瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜臓顟B(tài)。在工作面豎直方向上，低瓦斯礦井選取h=2.8 m面，高瓦斯礦井選取h=2.5 m面來觀察工作面上隅角瓦斯場的濃度。圖5、6給出了高、低瓦斯礦井在不同條件下上隅角瓦斯分布情況。

分析圖5、6模擬結(jié)果可知：低瓦斯礦井在無風(fēng)狀態(tài)、風(fēng)量不足(工作面風(fēng)量的一半)、風(fēng)排瓦斯三種情況下，上隅角瓦斯?jié)舛榷歼_(dá)到了超限狀態(tài)，其中工作面無風(fēng)狀態(tài)下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在16%～24%；風(fēng)量不足和僅風(fēng)排瓦斯的情況下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)都在8%～20%。高瓦斯礦井工作面在無風(fēng)狀態(tài)和僅風(fēng)排瓦斯的情況下,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到10%以上，在采取井下綜合抽采的方式下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)雖然大幅度降低，但仍然在4%～8%，并有增大趨勢。

a 無風(fēng)狀態(tài)

b 風(fēng)排瓦斯

c 井下綜合抽采

a 無風(fēng)狀態(tài)

b 風(fēng)量不足

c 風(fēng)排瓦斯

圖7和8給出了高、低瓦斯礦井在三類情況下，工作面、回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛鹊姆植记€。其中，l3為回風(fēng)巷中監(jiān)測點(diǎn)到工作面的距離。

a 工作面

b 回風(fēng)巷

由圖7可見，低瓦斯礦井在風(fēng)量不足或風(fēng)排瓦斯的情況下，工作面沿回風(fēng)方向瓦斯體積分?jǐn)?shù)φ逐漸增大，但都在5%以下，靠近回風(fēng)巷上隅角位置，瓦斯體積分?jǐn)?shù)急劇升高至15%；回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)量不足的情況下約為5%，風(fēng)排瓦斯時(shí)約在3%，靠近上隅角的位置迅速增加。無風(fēng)狀態(tài)時(shí)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)在5%～12%，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在13%左右，靠近上隅角位置有所升高。

由圖8可見，高瓦斯礦井在無風(fēng)狀態(tài)時(shí)，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿回風(fēng)方向呈線性增加，到上隅角位置急劇增大至22%，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在15%左右；風(fēng)排瓦斯雖然能降低瓦斯體積分?jǐn)?shù)，但風(fēng)排瓦斯量遠(yuǎn)小于瓦斯涌出量，并不能很好地解決瓦斯超限問題；井下綜合抽采(埋管抽采量180 m3/min+高抽巷抽采量15 m3/min+地面鉆井抽采量25 m3/min)的情況下，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本保持在2%以下，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)也在5%以下，只是上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在6%～10%，處于超限狀態(tài)。

a 工作面

b 回風(fēng)巷

3 工作面采空區(qū)瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

煤礦井下工作環(huán)境相對惡劣，危險(xiǎn)源眾多，由于各種危險(xiǎn)源之間相互作用導(dǎo)致井下瓦斯爆炸的可能性及后果不同，主要與井下管理水平、工作人員素質(zhì)及技術(shù)裝備水平有關(guān)，因此，工作面瓦斯爆炸的簡化風(fēng)險(xiǎn)權(quán)系數(shù)計(jì)算公式如下：

Qi=q1·q2·q3,

式中：Qi——風(fēng)險(xiǎn)權(quán)系數(shù)；

q1、q2、q3——管理、人員素質(zhì)、技術(shù)裝備風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，q1、q2、q3的取值標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)秀0.1、良好0.3、中等0.5、差1.0。

文中以瓦斯重大危險(xiǎn)源為主要依據(jù)，對井下工作面采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸事故的危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測。瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測計(jì)算采用式(2)[11]：

Ri=max(Oi·Pi·Qi)，

(2)

式中：Ri——瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)；

Oi——井下各種機(jī)電設(shè)備事故危險(xiǎn)性概率指數(shù)，優(yōu)秀、良好、中、差的取值分別為0.1、0.3、0.5、1.0；

Pi——危險(xiǎn)源危險(xiǎn)性概率指數(shù)，取值見表2。

表2 瓦斯危險(xiǎn)源危險(xiǎn)性概率指數(shù)

依據(jù)瓦斯爆炸事故案例的調(diào)查報(bào)告,確定文中低瓦斯、高瓦斯礦井的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)系數(shù)和機(jī)電設(shè)備事故危險(xiǎn)性概率指數(shù)，將2.3節(jié)中瓦斯危險(xiǎn)源辨識結(jié)果結(jié)合表2代入式(2),得出井下上隅角、工作面、回風(fēng)巷三個地點(diǎn)的瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)，如表3所示。

由表3可知，高、低瓦斯礦井中的上隅角危險(xiǎn)性系數(shù)均高于工作面、回風(fēng)巷。按事故原因類型分析，工作面無風(fēng)致使礦井工作面、回風(fēng)巷瓦斯爆炸危險(xiǎn)系數(shù)增大，風(fēng)量不足和風(fēng)排瓦斯造成上隅角瓦斯超限，井下綜合抽采致使高瓦斯礦井上隅角瓦斯爆炸危險(xiǎn)性增大。

表3 瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)

4 結(jié) 論

通過分析瓦斯爆炸事故案例，歸納出事故發(fā)生的三類主要原因，以此為依據(jù)進(jìn)行瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。

(1)低瓦斯礦井在工作面無風(fēng)、風(fēng)量不足、風(fēng)排瓦斯等三種情況下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)超限狀態(tài)，瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)在0.40～0.50，屬于易爆炸地點(diǎn)；無風(fēng)狀態(tài)致使工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%～12%，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)甚至達(dá)到13%，瓦斯爆炸的可能性比較大；風(fēng)量不足或風(fēng)排瓦斯時(shí)，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)在2%～4%，但回風(fēng)巷靠近上隅角的位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速升高。

(2)高瓦斯礦井在工作面無風(fēng)狀態(tài)下，上隅角、工作面、回風(fēng)巷均充斥著大量瓦斯，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在7%～22%，工作面瓦斯爆炸危險(xiǎn)性系數(shù)在0.80，高于上隅角和回風(fēng)巷；風(fēng)排瓦斯和井下綜合抽采使工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)降到3%以下，但回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)在5%左右，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于超限狀態(tài)且發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性極高。

[1] 張 東, 聶百勝, 王龍康. 我國煤礦安全生產(chǎn)事故的致災(zāi)因素分析[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2013, 9(5): 136-140.

[2] 張津嘉, 許開立, 王貝貝, 等. 特別重大煤礦瓦斯爆炸事故致因分析及管理模式研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 26(2): 73-78.

[3] 殷文韜, 傅 貴, 袁沙沙, 等. 2001—2012年我國重特大瓦斯爆炸事故特征及發(fā)生規(guī)律研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 23(2): 141-147.

[4] 崔洪慶, 樊帥帥, 關(guān)金鋒. 采煤工作面瓦斯涌出量分源計(jì)算[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 25(10): 78-83.

[5] 董曉雷, 賈進(jìn)章, 白 洋, 等. 基于SVM耦合遺傳算法的回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2016(2): 114-118.

[6] 李樹清, 何學(xué)秋, 李紹泉, 等. 煤層群雙重卸壓開采覆巖移動及裂隙動態(tài)演化的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2013, 38(12): 2146-2152.[7] 袁 亮, 郭 華, 沈?qū)毺? 等. 低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2011, 36(3): 357-365.[8] GUO HUA, YUAN LIANG. An integrated approach to study of strata behaviour and gas flow dynamics and its application[J]. Coal Science & Technology, 2015, 2(1): 12-21.

[9] 劉雷政. 淺埋藏近距離煤層群開采上覆采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué), 2015: 36-42.[10] 李樹剛. 綜放開采圍巖活動影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其控制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2000, 19(6): 809-810.

[11] 羅新榮, 湯道路. 安全法規(guī)與安全管理[M]. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2009: 15-20.

(編校 王 冬)

Risk assessment of major gas hazard in coal mining face

LuoXinrong,LiMengkun,LiYawei,DingZhen

(School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper aims to accurately identify the dangerous degree to which coal mine gas explosions occur. The identification is performed by the simulation of an out of control state of gas hazards occurring in different gas mine working face and goaf using the CFD software; and the quantitative risk assessment of gas explosion hazard, based mainly on the identification of gas hazard sources and combined with the accident case. The research demonstrates that the occurrence of little or insufficient wind or air in low gas coal mine working face is associated with: upper corner gas concentration of up to 10%～22%; a gradually increased gas concentration in return air lane direction in working face; gas concentration of 7%～15% in return air lane, putting the working surface at the highest gas explosion hazard, thus rendering it impossible for exhaust gas to solve the problem of upper corner gas gauge; the presence of little or insufficient wind or air in gas drainage in high gas mine working face is accompanied by the upper corner gas concentration of 5%～17%, contributing to a higher likelihood for gas explosion, which indicates that there still occurs a potential safety hazard, if only underground comprehensive extraction is performed, leaving the concentration of gas in upper corner in 4%～10%. The study may provide a theoretical guidance for prevention of gas explosion by a risk assessment of major hazard sources of goaf in working face.

hazard source； gas limit； short circuit； risk assessment； CFD

2016-10-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1361102)

羅新榮(1957-)，男，江西省樟樹人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：礦井瓦斯防治理論與技術(shù)，E-mail:aq204@cumt.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.005

X93； TD712.7

2095-7262(2016)06-0612-005

:A