掘进工作面放炮后瓦斯涌出与运移规律研究

李志军

（中煤平朔集团井东煤业公司，山西朔州 036800）

掘进工作面放炮后瓦斯涌出与运移规律研究

李志军

（中煤平朔集团井东煤业公司，山西朔州 036800）

针对掘进面放炮以后瓦斯的异常涌出现象，分析了放炮后瓦斯异常涌出的原因，并研究了瓦斯的异常涌出及其在巷道内运移衰减的规律。利用流体数值分析常用软件Fluent，采用自定义函数，定义随时空变化的速度边界，并利用模拟结果分析了异常涌出瓦斯的在掘进巷道内的运移衰减过程，为矿井治理掘进面瓦斯在还提供了理论指导。

掘进面；放炮；瓦斯异常涌出；瓦斯运移

瓦斯灾害是煤矿众多灾害之一，也是危害最大，影响最严重的灾害，加强瓦斯治理是煤矿实现安全生产的关键。而掘进巷道是煤矿开采开拓的一项基础性工作，加强掘进巷内瓦斯治理，尤其是煤巷掘进，是提高掘进工作安全性的重要部分。我国巷道掘进目前普遍采用爆破法，爆破往往使得掘进面在放炮后的一段时间内瓦斯大量涌出，巷道内瓦斯浓度超限，有时不规范的放炮还会诱发工作面瓦斯燃烧甚至瓦斯爆炸事故[1-3]。因此了解放炮后掘进面放炮后的瓦斯涌出情况及其在风流作用下向巷道外的运移情况，对于掘进面瓦斯的治理有着重要意义。

1 掘进面瓦斯异常涌出原因分析

在煤矿中，掘进是一项必不可少的工作，而目前掘进方法大部分采用的仍是钻孔爆破法。尤其在煤巷中掘进时，放炮过后巷道内瓦斯涌出量会在短期内出现较大波动。这主要是由于放炮对于巷道前方及周边围岩会产生极大的扰动，一方面它能够崩落煤体，使得崩落煤体中的瓦斯因泄压而迅速释放；另一方面放炮可以改善周边围岩的应力分布状态，使得应力增高区向深部移动，那么周边应力降低区内的瓦斯就会因为泄压而大量涌出；同时，爆炸将在周边煤岩体中产生大量裂隙，增大煤体的透气性，使得深部煤体的瓦斯也不断向外部运移。因此在放炮的瞬时，会有大量的瓦斯快速的向掘进面涌出，形成高浓瓦斯团或高浓瓦斯区域[4]。

可见放炮后掘进面的瓦斯异常涌出源主要包含以下两个部分：一是放炮落煤瓦斯涌出，其大小它主要与煤层瓦斯含量以及单次放炮时掘进进尺量有关，煤层瓦斯含量越大，单次掘进进尺量越大，落煤量就越大，那么放炮后煤体中的瓦斯涌出量就越大。二是工作面前方煤壁瓦斯涌出，这一方面受煤层原始瓦斯含量以及煤层透气性影响，同时也与放炮诱导的扩展裂隙发展情况有关，一般而言煤层瓦斯含量越大，煤层原始透气性越好，放炮诱导生成的裂隙越多，放炮时涌出瓦斯量就越大。

然而，实际中瓦斯涌出在时空上一般都是不连续的，放炮结束时巷道内的瓦斯并不是沿断面均匀释放的，裂隙越多的地方，瓦斯涌出的速度越大，同时越靠近装药点，放炮对瓦斯的抛掷速度也会越大。所以在有些时候，瓦斯可以看成是从局部地区集中涌出的，且涌出速度较大，其衰减也较快。此时，在风流的作用下，局部地区的高瓦斯气流若遇到眼孔冒火等火焰滞留情况，就会在气流与风流交汇的表面发生燃烧，形成工作面喷火现象。

2 掘进工作面瓦斯涌出与衰减规律分析

2.1 放炮后掘进面的瓦斯涌出规律

影响放炮后掘进工作面瓦斯涌出的因素主要包括，煤层的透气性，一次爆破落煤量，以及煤壁瓦斯涌出量。分析可以得出：一是在掘进巷推进过程中的不同掘进循环里，瓦斯涌出衰减量是基本相同的，也即随着掘进面向前推进，每次放炮后掘进头瓦斯涌出的规律基本是的一样的，与采掘推进距离没有明显的关系；二是放炮后工作面的瓦斯涌出呈快速衰减状态，也即瓦斯气流基本上是在短期内（几分钟到十几分钟）迅速涌向掘进巷道的。可见，在放炮后的异常瓦斯涌出是在几分钟至十几分钟内基本完成的，这也是治理瓦斯灾害的主要时期，是治理瓦斯燃烧以及控制其向瓦斯爆炸转化的关键时期[5]。

根据测量数据得，掘进面放炮后瓦斯涌出量与时间的关系曲线和放炮后工作面的瓦斯涌出量与时间的关系见图1，其函数近似符合：

放炮后的掘进面的瓦斯涌出量随时间大致是呈幂指数衰减变化的，初期瓦斯涌出量比较大，随着时间的增大，瓦斯涌出强度逐渐衰减，并逐渐达到正常涌出水平。

图1 放炮后掘进工作面瓦斯涌出量随时间变化图

2.2 涌出后瓦斯在巷道内的衰减规律

瓦斯异常涌出在短期内完成，从而在工作面形成了高浓瓦斯区域。一方面，瓦斯气流与风筒供给的新鲜风流在工作面前方交汇，在风流的作用下瓦斯气流在被吹向巷道底部的同时被稀释，工作面前方流场的复杂性决定了这段距离内瓦斯浓度的分布及其衰减规律的复杂性。

当瓦斯流过工作面前方涡流区域后，在很长的一段距离内，瓦斯的运移及衰减过程就是在风流作用下的组分运输过程。有害气体浓度随时间的衰减服从复杂的负指数函数，而瓦斯在掘进巷中的浓度衰减类似于有害气体的传播过程，故也应符合负指数衰减的规律。

3 放炮后瓦斯涌出及运移的数值模拟

简化后的几何模型及测点布置，见图2。将掘进面瓦斯涌出情况抽象为二维空间，其几何参数设置如下：a.长×宽×高=100 m×2 m×2.5 m；b.采用风筒供风，风筒直径0.4 m，风筒出口距掘进面5 m，风筒入口风速8 m/s；放炮后瓦斯主要涌出区域位于巷道中部，长度为0.5 m。

本次共布置了三条监测线，分别位于距风筒底部0.05 m处（y=0.8），巷道中轴线（y=0），以及距巷道底部0.45 m处（y=-0.8）。共布置两个测点，分别是掘进面与回风端面与巷道中轴线的交点。

图2 简化的几何模型及测点测线布置图

3.1 边界条件的确定

由于相较于放炮以及风流对于瓦斯在巷道内流动的影响，瓦斯出流时与巷道内空气的温差对瓦斯流动的影响可以忽略，故假定瓦斯在传播过程中与外界无热量交换。取空气相对湿度为90%，则20℃时的含湿量可查表得0.01 kg/kg。取瓦斯与空气混合气体的粘性系数为1.725×10-5Pa·s，掘进面温度20℃，出口处压力为94 320 Pa。风流进口为固定速度入口，巷道回风口设为压力出口。

而放炮后掘进工作面瓦斯的涌出速度，不仅沿巷道壁面分布不均，同时各区域还随时间不断衰减。假定瓦斯在巷道中部集中涌出，瓦斯涌出速度沿巷道壁面呈抛物状分布，随时间成幂指数衰减。由公式1可推得：

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 掘进巷道风速分布

放炮前工作面各轴线上的风速分布情况见图3。从图中看到，风筒出口到掘进面这一段距离内，巷道中的风速分布是极不均匀的，也就是在工作面前方形成了涡流区。巷道中掘进面附近的风速普遍是比较大的，随着离掘进面的距离增大，风速大小变化较快，但最终均稳定在一定范围内。在稳定区内，巷道底部与中部的风速基本一致，但明显大于巷道上部的风速，可见稳定区巷道内的风速分布也是不均匀的。

图3 放炮前工作面各轴线上的风速分布图

3.2.2 掘进面瓦斯涌出速度分布及其衰减

由图4可以看出，放炮结束后工作面的瓦斯涌出在巷道局部集中发生，其大小沿巷道呈抛物线分布。而涌出速度随时间变化，初期的瓦斯涌出速度很大，能达到近30 m/s左右，随后便快速衰减，大小在几秒内便降低至3 m/s左右。可见，放炮结束后瓦斯的异常涌出是在短期内集中发生的，随后的过程主要就是高浓瓦斯在巷道内随风流的衰减运移了。

图4 放炮后瓦斯涌出速度沿掘进面分布曲线图

3.2.3 高浓瓦斯气流排出巷道的时间

测点2处的瓦斯监测浓度变化曲线，见图5。可以看出，在接近60 s时监测点2处浓度已经开始下降，说明此时高浓瓦斯气流已经流过了巷道尾端。

图5 巷道出口处瓦斯浓度监测曲线

而由于瓦斯在巷道内稳定区的运移主要受风流的影响，所以高浓瓦斯气流流出巷道的时间与巷道内的风流速度有很大关系。随后，巷道尾端的瓦斯浓度继续缓慢下降，其下降趋势与掘进面瓦斯涌出速度相似。不过此时瓦斯浓度仍保持了相对较高值，这主要是因为此时掘进面瓦斯异常涌出还未停止，不过涌出速度应经降至了较小的值。可见瓦斯运移出巷道的时的浓度与瓦斯涌出量（速度）有很大的关系。

4 结论

1）掘进工作面放炮后，会诱发高浓瓦斯气流沿工作面向巷道内涌出，涌出速度是时间与空间的函数，局部地区的速度较大，而其他地方的涌出速度相对较小，且初始时刻的瓦斯涌出速度较大，然后随时间快速衰减。

2）随着掘进面瓦斯的异常涌出，巷道内的瓦斯浓度逐渐增大。由于瓦斯涌出速度衰减较快，所以涌出的瓦斯在巷道内的运移主要受风流的影响。涌出的瓦斯随风流向巷道外部运移的同时，不断向上部运移，沿着风流前进的方向，瓦斯浓度峰值不断衰减[6-7]。

3）高浓瓦斯气流涌出巷道的时间与风速有很大关系，且瓦斯气流流出巷道时的浓度与瓦斯涌出量有一定关系。

4）在放炮结束后的几分钟内，巷道内的瓦斯浓度较大，是发生燃爆事故的主要时期，故加强放炮后前期的瓦斯治理是掘进面瓦斯治理的关键。

[1]高建良,候三中.掘进工作面动态瓦斯压力分布及涌出规律[J].煤炭学报,2007(11)：1127-1131.

[2]李广勇.掘进面放炮后瓦斯涌出规律及预防爆炸措施[J].山西焦煤科技,2011(1):34-37.

[3]贾智伟,景国勋.瓦斯爆炸事故有毒气体扩散及危险区域分析[J].中国安全科学学报,2007(1):57-59.

[4]杨乃时.矿井掘进工作面瓦斯涌出规律分析[J].能源技术与管理,2012(1):13-15.

[5]胡千庭.对煤巷掘进工作面放炮后瓦斯涌出指标的探讨[J].煤炭工程师,1996(4):37-41.

[6]任克斌,郑丹.煤巷掘进工作面瓦斯涌出规律的研究[J].淮南职业技术学院学报,2004(1):34-36.

[7]刘银志,梅文泽.长距离大断面掘进巷道的通风安全管理[J].中国煤炭,2002(10):35-38.

Gas Emission and Flow Law after Blasting on Excavation Working Face

LI Zhijun
(Jingdong Mine,ChinaCoal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036800,China)

The paper analyzes the causes of gas abnormal emission after blasting on excavation working face and the law of gas emission and gas flow attenuation.Fluid numerical analysis software, Fluent,was used to simulate the process with user-defined function which defines velocity boundary changing with variation of space-time.The results are used to study the flow attenuation of gas in the excavation working face,which could be a theoretical basis for gas control in the similar mines.

excavation working face;blasting;gas abnormal emission;gas flow

TD712

A

1672-5050（2015）03-0008-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.004

（编辑：薄小玲）

2015-04-16

李志军（1976-），男，山西朔州人，大学本科，工程师，从事煤矿开采技术管理工作。