综掘工作面停风后瓦斯分布规律研究与应用∗

艾迪昊 荣 涛 李 聪 邵晟洋 李 凯

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

综掘工作面停风后瓦斯分布规律研究与应用∗

艾迪昊 荣 涛 李 聪 邵晟洋 李 凯

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

对综掘工作面瓦斯涌出来源进行了分析,依据质量守恒定理,对停风后掘进巷道瓦斯涌出规律进行理论计算,得出停风后巷道中瓦斯浓度分布规律。实测数据与理论计算结果进行比较,得出理论计算结果具有一定实用性。利用理论计算结果对停风巷道进行瓦斯浓度分析,从而为煤矿掘进巷道瓦斯排放提供理论参考。

综掘工作面 停风 瓦斯浓度 分布规律 实测数据 理论计算

在巷道掘进过程中,经常由于变电所突然停电、风筒脱落和局部通风机故障等原因导致无计划停风。掘进工作面停风后,瓦斯仍然不断地从煤壁、落煤中涌出,而掘进巷道没有新鲜风流带走瓦斯,当停风一段时间后,掘进巷道内瓦斯浓度会急剧上升,极有可能到达瓦斯爆炸的极限范围,一旦遇火源就会引发瓦斯爆炸。综上所述,分析掘进巷道停风后瓦斯分布规律,不仅能为预防停风后掘进巷道瓦斯爆炸提供理论支持,而且能够为煤矿掘进巷道停风后制定瓦斯排放措施提供依据。

1 理论分析

随着现代煤矿机械化程度的提高,综合机械化掘进在煤矿中越来越多地被应用。与传统掘进作业相比,机械化掘进工作面是连续不断的落煤—装煤—运煤—清理浮煤—锚杆锚索支护的循环工艺过程。当综掘工作面停风时,可以认为落煤已经被运出掘进巷道,所以综掘工作面巷道内瓦斯涌出来源主要包含巷道煤壁和工作面煤壁两部分。本文运用质量守恒定理和在合理简化基础上的理论分析得出掘进巷道停风后瓦斯浓度的分布规律,为掘进巷道瓦斯排放工作提供理论参考。

瓦斯从煤体基质到涌出巷道壁面和工作面壁面是瓦斯解吸—扩散—渗流形成的一个复杂的运移过程。当割煤机不断割煤,新鲜煤壁不断暴露,在矿山压力的作用下,工作面前方煤体中的应力平衡状态遭到破坏,出现了透气性大大增加的卸压带,由于煤体内部到煤壁之间存在着瓦斯压力梯度,瓦斯得以沿卸压带的裂隙向工作面涌出。巷道煤壁与工作面煤壁的瓦斯涌出的基本特征是瓦斯涌出强度随着时间的延长而迅速衰减。

根据煤壁瓦斯涌出强度理论和现场实际测定认为,综掘工作面单位面积上的绝对瓦斯涌出量对时间呈负指数规律衰减,可表示为:

式中:Qm——煤壁暴露t1时刻时,单位面积巷道煤壁上的瓦斯绝对涌出量,m3/(m2·d);

q0——煤壁刚暴露时,单位面积煤壁上的绝对瓦斯涌出量,m3/(m2·d);

α——煤壁瓦斯涌出衰减系数,d－1;

t1——煤壁暴露时间,d。

掘进机掘进进尺结束ta时间后,由于某种原因导致掘进巷道停风。从掘进巷道停风时刻算起,计停风时间为t,则在刚停风时刻,工作面壁面随着停风时间每分钟瓦斯涌出量Q1为:

式中:Q1——工作面壁面随着停风时间瓦斯涌出量,m3/min;

t——停风时间,d;

ta——掘进机掘进进尺结束时间,d;

s——工作面壁面的面积,可以近似认为是巷道断面面积,m2。

对于巷道壁面来说,距离工作面不同长度的煤壁暴露时间不同,离工作面越远暴露时间越长,这样巷道煤壁的瓦斯涌出量是不均匀的,沿着巷道长度的方向从工作面煤壁逐渐减小。当巷道停风后,距离工作面l处的巷道煤壁每分钟瓦斯涌出量Q2为:

式中:Q2——距离工作面l处巷道煤壁瓦斯涌出量,m3/min;

l——巷道长度(距离工作面长度),m;

u——煤壁周边(含煤部分暴露区段),m;

v——平均掘进速度,m/d。

为了研究掘进巷道停风后瓦斯浓度在巷道内的分布规律,建立以掘进头为原点,巷道方向为x轴的一维坐标系。为了便于分析,作如下简化假设:

(1)巷道在无风与有风情况下,煤壁瓦斯涌出速度不受影响;

(2)该掘进巷道为单巷掘进,同时邻近区域的作业对该巷道瓦斯涌出没有影响;

(3)瓦斯涌出后迅速与空气均匀混合,认为同一个断面上瓦斯浓度是相同的;

(4)掘进巷道通风口压强不变,即瓦斯涌入量等于通风口风流涌出量。

基于以上假设,利用质量守恒定律对微元体积内瓦斯进行分析。由煤壁和工作面煤壁涌入微元内的瓦斯流量即等于由微元内向外涌出的风量,可得在dt时间内,微元体的瓦斯量满足质量守恒。即停风后微元分析为:

对该式进行积分处理,得到最终结果为:

式中:c0——停风前原始瓦斯浓度,%;

c——停风后瓦斯浓度,%。

由此可知,掘进巷道停风后瓦斯浓度的变化及分布情况。

2 现场数据验证

为了验证式(5)在实际生产中的正确性,利用某矿综掘巷道在一次停风过程中实测瓦斯的浓度数据,探讨综掘工作面停风后瓦斯浓度的变化规律。

该掘进采区煤层为近水平厚煤层,平均厚度4 m左右,采用综合机械化掘进,机掘正常进尺约10 m/d,掘进巷工作面标高变化不大,可以近似看作近水平巷道。掘进巷长1000 m,巷道断面为矩形,宽4.0 m,高3.5 m。在掘进工作面(距离掘进头10 m左右)安装瓦斯浓度监测探头,具体安装位置如图1所示。

瓦斯浓度监测探头采用ExibdⅠ矿用本安兼隔爆型瓦斯监测探头,CH4测量范围为0%～4.00%,检测反应时间≤20 s。为了便于数据处理,将瓦斯探头输出数据每5 min取一个平均值。该掘进巷道停风及其前后一段时间瓦斯探头实测数据如图2所示。

图1 探头安装示意图

图2 实测瓦斯数据

在正常停风情况下,煤巷掘进作业时,瓦斯浓度变化较大,瓦斯涌出量曲线振幅的变化总体上分为4个阶段,即下降—上升—下降—上升,呈W形态发展,由于开始掘进前会采用瓦斯抽放钻孔进行瓦斯抽放,所以此时瓦斯浓度会降低。随着掘进开始,落煤增加与新煤壁不断产生,瓦斯浓度迅速提高。当掘进停止时,落煤不断被运出掘进工作面,同时随着时间的推移,煤壁和落煤涌出强度逐步减小,掘进工作面瓦斯涌出强度表现出递减的趋势。所以实测瓦斯浓度随着每班的不断掘进出现波浪状曲线。

当掘进巷道停风后,掘进巷道壁面与工作面壁面仍然不断涌出瓦斯,同时没有新鲜风流稀释,所以造成该点瓦斯浓度不断上升。随着时间推移,煤壁瓦斯涌出速度逐渐降低,该点瓦斯浓度增长速度变缓直至不变。由于该探头浓度范围的限制,测点浓度在4%以上就会出现超过测量范围,出现图2中所示的水平浓度线。

当掘进巷道恢复通风时,瓦斯浓度迅速下降,但是根据《煤矿安全规程》中规定,局部通风机因故停止运转,在恢复通风前,必须首先检查瓦斯,只有符合规定才能恢复通风。所以该煤矿掘进巷道停风后排瓦斯措施有待商榷。

3 现场数据和理论计算对比分析

针对掘进巷道现场停风数据与利用理论计算结果进行验证和比较,现场实测的瓦斯数据为掘进巷道第一个瓦斯探头监测数据,体现了综掘巷道该点瓦斯浓度变化规律。在理论计算中的l为常数时,l代表测点距掘进面距离,即表示该点瓦斯浓度随时间的变化。

根据掘进巷道现场数据的收集与计算,取q0为2.8 m3/(m2·d),衰减系数a为0.26d－1,l为5 m,巷道宽4.0 m,高3.5 m;平均掘进速度v为10 m/d,原始瓦斯浓度c0为0.1%。对瓦斯探头实测数据进行分析,测得掘进巷道进尺结束距停风时间ta约为0.18 d。自变量时间t以停风后为准,利用上述数据,得出理论计算瓦斯浓度变化曲线,同时添加实际停风后瓦斯变化曲线并对两者加以比较,如图3所示。

图3 实测值与计算瓦斯数据比较

从仅有的一段停风时间内看出,瓦斯浓度的基本变化趋势是相同的,瓦斯浓度不断增加,同时增加的速度不断减慢。随着时间的推移,停放时间延长,瓦斯浓度逐渐趋于稳定值,这也符合长时间暴露的煤壁瓦斯涌出速度逐渐降低最终趋于0的实际情况。

同时,从图3能够看出,实测瓦斯浓度与理论计算不完全吻合,这可能是由于以下原因造成的:

(1)掘进巷道工作面落煤没有完全清理干净,可能留有一定的遗煤。

(2)理论计算瓦斯涌出后迅速与空气均匀混合,但是实际情况是先与靠近巷道空气混合,再向远处扩散。

(3)瓦斯探头可能离巷道顶板过近或过远,造成瓦斯浓度变化不同。

综上,即使理论计算的公式与实际有一定误差,但是理论计算公式具有一定的实用性。

在停风后某一时间点,即t一定时,利用理论计算公式,能得出停风巷道内瓦斯浓度沿着巷道的变化过程。根据上述相关数据,计算出该综掘工作面停风500 min时瓦斯浓度随着距离掘进头不同距离l的变化过程,如图4所示,距离掘进头较近区段,瓦斯浓度超过16%,具有爆炸威胁;掘进巷道中间一段瓦斯浓度在瓦斯爆炸范围之内,具有爆炸危险性;距离较远的一段到回风巷,瓦斯浓度处于安全区。

图4 瓦斯浓度随着距离掘进头距离变化过程

根据柯瓦德爆炸三角形理论,把瓦斯浓度按5%和16%分为安全区、爆炸危险区和爆炸威胁区。同时按照理论计算公式,得到掘进巷道停风后瓦斯的时空分布情况,如图5所示,随着时间推移,瓦斯逐渐涌出,原来的安全区变为爆炸危险区,可能最终变为爆炸威胁区。从图5可以看出离掘进头不同距离巷道在停风后瓦斯浓度随时间的变化过程,从而为掘进巷道排瓦斯提供理论参考。

图5 停风后瓦斯时空分布

4 结论

(1)分析了综掘工作面瓦斯涌出源的涌出过程,对停风后巷道中瓦斯浓度进行理论分析与计算,预测停风后巷道中瓦斯浓度分布规律。

(2)利用实测数据对理论分析公式进行验证,同时对计算结果进行了分析,说明该理论计算公式具有一定的实用性。

(3)利用理论计算结果,分析了掘进巷道停风后瓦斯浓度的时空分布,求出掘进巷道某段极限瓦斯浓度,划分某时间瓦斯爆炸危险区域。

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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,辽宁抚顺人,中国矿业大学(北京)在读硕士,研究方向为煤与瓦斯突出监测与预测。

(责任编辑 张艳华)

国家自然科学基金项目(51274206),中央高校基本科研业务费专项资金(2010YZ05)