高 健

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.同煤集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

0 引 言

對(duì)于礦井瓦斯涌出預(yù)測(cè)、瓦斯防治及利用等，國(guó)內(nèi)外眾多瓦斯研究者一直積極在這方面進(jìn)行著系統(tǒng)研究，研究成果和成績(jī)斐然[1]。目前比較深入的研究了煤礦瓦斯抽采[2-3]，更多的是對(duì)瓦斯基本參數(shù)和煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究[4]。但是對(duì)于高度濃度、瓦斯涌出異常時(shí)瓦斯氣體運(yùn)移規(guī)律、瓦斯?jié)舛茸兓屯咚褂绊懛秶矫娴难芯枯^少，又特別是在認(rèn)識(shí)瓦斯異常時(shí)瓦斯混合氣體擴(kuò)散規(guī)律、氣體分布較為欠缺。進(jìn)而就給機(jī)電設(shè)備確定安裝區(qū)域帶來(lái)困難，無(wú)法確定安全設(shè)置區(qū)域；另外就是瓦斯在局部產(chǎn)生災(zāi)害，因研究還未掌握其機(jī)制規(guī)律，無(wú)法提前預(yù)測(cè)，提供有效的信息。為了彌補(bǔ)這方面研究空白，本論文基于實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)異常涌出瓦斯運(yùn)移和變化規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)研究，為的是防止瓦斯安全事故發(fā)生，這對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和重要理論價(jià)值。

1 建立模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1）主要實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備、儀器。為了模擬井下條件，創(chuàng)造與真實(shí)工作環(huán)境基本相似的狀況，實(shí)驗(yàn)室采用方形管道、瓦斯?jié)舛炔杉酒?、氣體壓強(qiáng)采集芯片和微震信號(hào)采集芯片。其他輔助設(shè)備及儀器主要有離心風(fēng)機(jī)、各類傳感器，比如測(cè)定瓦斯?jié)舛鹊?，測(cè)定成分的、測(cè)定氣壓的、檢測(cè)微震信號(hào)的，還有風(fēng)速測(cè)定儀及創(chuàng)造瓦斯異常的黑火藥。

2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分組成，即試驗(yàn)部、采集信號(hào)輸送部和分析部，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3）實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1，安裝了方形管道、各個(gè)傳感器、采集器和電腦軟件。實(shí)驗(yàn)室模擬礦井供風(fēng)的設(shè)備采用離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)可以以壓入式給其提供需要的風(fēng)量。為了能夠模擬出異常的瓦斯，采用黑火藥爆炸瞬間產(chǎn)生高溫高壓條件，制造出異常涌出高濃度的瓦斯氣體。為了分析異常瓦斯運(yùn)移規(guī)律和濃度變化，在離不同炸藥爆炸處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，距離分別設(shè)置為 0.35m、1.55m、2.75m、3.95m，實(shí)驗(yàn)所用的方形管道整個(gè)長(zhǎng)10m。起爆黑火藥的能量設(shè)置了兩組，其量大小分為0.1g、0.05g。

4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程分為三大步驟：實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和試驗(yàn)后。

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)設(shè)備相互連接，啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)觀察是否滿足使用要求，為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造良好的環(huán)境，打開電腦中軟件做全面檢測(cè)；若整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，用風(fēng)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定，并調(diào)節(jié)風(fēng)速達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的風(fēng)速。

實(shí)驗(yàn)：風(fēng)機(jī)風(fēng)速保持一定下，依次選擇黑火藥藥量0.1g、黑火藥藥量0.05g，分別引燃黑火藥，記錄數(shù)據(jù)；分別對(duì)風(fēng)機(jī)關(guān)閉和運(yùn)行狀態(tài)情況，進(jìn)行相應(yīng)模擬，采用傳感器收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行相應(yīng)分析，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)后：主要是整理實(shí)驗(yàn)器材，打掃實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生，整理歸納，分析結(jié)果。

2 瓦斯異常時(shí)運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖擊氣壓影響

通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)黑火藥藥量為0.1g、0.05g的沖擊氣壓數(shù)值，實(shí)測(cè)部分氣壓曲線如圖2。

圖2（a）是藥量為0.1g爆炸產(chǎn)生的氣壓，圖中一個(gè)較大氣壓峰值的均值2889.4，對(duì)應(yīng)的氣壓是1014.9Pa；另一個(gè)較大氣壓峰值的均值為2827.1，對(duì)應(yīng)的氣壓是991.8Pa。圖2（b）是藥量為0.05g爆炸產(chǎn)生的氣壓，較大的氣壓峰值數(shù)值均值有2321.9、2401.5、2280.3， 相 應(yīng) 氣 壓 值 為 812.9Pa、840.6Pa、801.2Pa。從距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近的0.35m來(lái)看氣壓監(jiān)測(cè)的沖擊壓力，說(shuō)明0.1g黑火藥爆炸后產(chǎn)生氣壓值在990～1015Pa之間。0.1g黑火藥與0.05g黑火藥相比，0.05g黑火藥產(chǎn)生的氣壓值相對(duì)較小。

圖2 沖擊氣壓曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 相同藥量沖擊下不同風(fēng)速氮氧化物情況

為了觀察不同風(fēng)速對(duì)異常瓦斯運(yùn)移規(guī)律影響，采用對(duì)比思想[5]，每組黑火藥藥量相同，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三組不同風(fēng)速，風(fēng)速一次設(shè)置控制為0.6m/s、0.8m/s和1.0m/s。實(shí)驗(yàn)采集點(diǎn)的距離設(shè)置了4個(gè)距離，每個(gè)采集地點(diǎn)距爆源間距和采集氮氧化物濃度隨時(shí)間變化情況如圖3所示。

從圖3可以看出，不同風(fēng)速下，氮氧化物濃度均是從無(wú)開始，然后迅速增加，而后下降，最終減至為0。曲線變化趨勢(shì)有點(diǎn)近似指數(shù)衰減變化，上升斜率明顯大于衰減階段；在藥量一定下，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)速越大，氮氧化物濃度較大，進(jìn)一步增大風(fēng)速，氮氧化物濃度增幅不是很明顯。

為減少實(shí)驗(yàn)誤差，控制黑火藥藥量大小，采用微震進(jìn)行控制和采集信號(hào)。微震信號(hào)[6]能量計(jì)數(shù)類似于黑火藥爆炸產(chǎn)生的能量，一般采用均方根電壓(Vrms)表示微震信號(hào)能量：

式中：Vrms為微震信號(hào)能量；T為平均時(shí)間；V(t)為信號(hào)電壓。

根據(jù)高數(shù)思想和電子學(xué)理論，總能量數(shù)E正比于均方電壓Vms從t1到t2時(shí)間內(nèi)積分：

式中：E為總能量數(shù)；Vms為均方電壓。

根據(jù)公式計(jì)算，總能量數(shù)結(jié)果詳見表1。根據(jù)表1能夠得出，藥量相同，微震能量基本一致，藥量增加，微震能量也增加，說(shuō)明能量計(jì)數(shù)與藥量大小成線性關(guān)系。

表1 瓦斯異常氣體中的氮氧化物和微震信號(hào)統(tǒng)計(jì)情況

3 瓦斯異常時(shí)濃度變化規(guī)律

給定約束條件，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，模擬瓦斯異常時(shí)涌出氣體濃度變化和擴(kuò)散影響范圍，劃分了瓦斯異常氣體擴(kuò)散區(qū)域。模擬瓦斯異常擴(kuò)散影響范圍，以濃度變化為縱坐標(biāo)，時(shí)間和距離作為橫坐標(biāo)，建立的三維模擬如圖4所示。

圖4 影響范圍模擬圖

圖4 中瓦斯?jié)舛葏^(qū)域的劃分，以濃度分布為5%和16%作為界面進(jìn)行劃分，在瓦斯?jié)舛瘸^(guò)16%以上劃分為爆炸威脅區(qū)，爆炸危險(xiǎn)區(qū)的瓦斯異常時(shí)其濃度為5%～16%，瓦斯異常時(shí)其濃度低于5%以下劃分為安全區(qū)。

為了方便觀察模擬結(jié)果，把瓦斯?jié)舛扰c爆炸時(shí)距離作為正視圖剖出來(lái)，瓦斯異常時(shí)瓦斯?jié)舛入S噴出點(diǎn)的距離變化情況，如圖5所示。

圖5 瓦斯異常時(shí)濃度變化范圍

從瓦斯異常時(shí)濃度變化范圍圖得出，在坐標(biāo)點(diǎn)（339,16%）時(shí)瓦斯?jié)舛乳_始超過(guò)16%，距離在0～339m之間區(qū)域稱之為爆炸威脅區(qū)；坐標(biāo)點(diǎn)（563,5%）是瓦斯?jié)舛忍幱?5%下，距離在339～563m之間區(qū)域稱之為爆炸危險(xiǎn)區(qū)；瓦斯爆炸的可能發(fā)生區(qū)域?yàn)榫嘤砍鲈创笥?63m稱之為安全區(qū)。說(shuō)明在距涌出源0～339m極有可能會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。而在距涌出源超過(guò)563m，瓦斯?jié)舛鹊陀?%，不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故。

4 結(jié)論

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)設(shè)施，建立了實(shí)驗(yàn)室模擬瓦斯異常的瓦斯運(yùn)移規(guī)律和濃度變化影響范圍的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種不同藥量，分別進(jìn)行了沖擊氣壓下瓦斯氣體情況，0.1g黑火藥與0.05g黑火藥相比，實(shí)驗(yàn)表明0.05g黑火藥產(chǎn)生的氣壓值相對(duì)較?。粚?shí)驗(yàn)?zāi)M了不同風(fēng)速、距爆源間距對(duì)異常瓦斯運(yùn)移規(guī)律影響，氮氧化物濃度呈近似指數(shù)衰減變化，上升斜率明顯大于衰減階段；從微震技術(shù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，微震能量計(jì)數(shù)與藥量大小成線性關(guān)系。

3）根據(jù)瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散影響，分別把瓦斯?jié)舛茸兓秶来蝿澐譃楸ㄍ{區(qū)、爆炸危險(xiǎn)區(qū)和完全區(qū)。距涌出源0～339m有可能會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，瓦斯?jié)舛鹊陀?%，不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故。