基于实验模拟对瓦斯异常的运移规律及浓度变化研究

高 健

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.同煤集团大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037003）

0 引 言

对于矿井瓦斯涌出预测、瓦斯防治及利用等，国内外众多瓦斯研究者一直积极在这方面进行着系统研究，研究成果和成绩斐然[1]。目前比较深入的研究了煤矿瓦斯抽采[2-3]，更多的是对瓦斯基本参数和煤层内瓦斯运移规律的研究[4]。但是对于高度浓度、瓦斯涌出异常时瓦斯气体运移规律、瓦斯浓度变化和瓦斯影响范围方面的研究较少，又特别是在认识瓦斯异常时瓦斯混合气体扩散规律、气体分布较为欠缺。进而就给机电设备确定安装区域带来困难，无法确定安全设置区域；另外就是瓦斯在局部产生灾害，因研究还未掌握其机制规律，无法提前预测，提供有效的信息。为了弥补这方面研究空白，本论文基于实验室模拟对异常涌出瓦斯运移和变化规律进行相应研究，为的是防止瓦斯安全事故发生，这对矿井安全生产具有不可估量的经济效益和重要理论价值。

1 建立模拟实验系统

1）主要实验器材、设备、仪器。为了模拟井下条件，创造与真实工作环境基本相似的状况，实验室采用方形管道、瓦斯浓度采集芯片、气体压强采集芯片和微震信号采集芯片。其他辅助设备及仪器主要有离心风机、各类传感器，比如测定瓦斯浓度的，测定成分的、测定气压的、检测微震信号的，还有风速测定仪及创造瓦斯异常的黑火药。

2）实验系统。根据实验原理和实验内容，实验系统主要由三部分组成，即试验部、采集信号输送部和分析部，整个实验系统示意图如图1所示。

图1 实验系统

3）实验方案。根据实验需要和实验系统设计图1，安装了方形管道、各个传感器、采集器和电脑软件。实验室模拟矿井供风的设备采用离心风机，离心风机可以以压入式给其提供需要的风量。为了能够模拟出异常的瓦斯，采用黑火药爆炸瞬间产生高温高压条件，制造出异常涌出高浓度的瓦斯气体。为了分析异常瓦斯运移规律和浓度变化，在离不同炸药爆炸处进行监测，距离分别设置为 0.35m、1.55m、2.75m、3.95m，实验所用的方形管道整个长10m。起爆黑火药的能量设置了两组，其量大小分为0.1g、0.05g。

4）实验过程。整个实验模拟过程分为三大步骤：实验前、实验中和试验后。

实验前准备：实验设备相互连接，启动离心风机观察是否满足使用要求，为实验创造良好的环境，打开电脑中软件做全面检测；若整个系统运行正常，用风速测量仪进行风速测定，并调节风速达到实验所需的风速。

实验：风机风速保持一定下，依次选择黑火药药量0.1g、黑火药药量0.05g，分别引燃黑火药，记录数据；分别对风机关闭和运行状态情况，进行相应模拟，采用传感器收集数据，并通过数据线传输到电脑进行相应分析，重复进行实验。

实验后：主要是整理实验器材，打扫实验卫生，整理归纳，分析结果。

2 瓦斯异常时运移规律实验研究

2.1 实验模拟冲击气压影响

通过对模拟实验监测黑火药药量为0.1g、0.05g的冲击气压数值，实测部分气压曲线如图2。

图2（a）是药量为0.1g爆炸产生的气压，图中一个较大气压峰值的均值2889.4，对应的气压是1014.9Pa；另一个较大气压峰值的均值为2827.1，对应的气压是991.8Pa。图2（b）是药量为0.05g爆炸产生的气压，较大的气压峰值数值均值有2321.9、2401.5、2280.3， 相 应 气 压 值 为 812.9Pa、840.6Pa、801.2Pa。从距离监测点最近的0.35m来看气压监测的冲击压力，说明0.1g黑火药爆炸后产生气压值在990～1015Pa之间。0.1g黑火药与0.05g黑火药相比，0.05g黑火药产生的气压值相对较小。

图2 冲击气压曲线

2.2 实验结果分析

图3 相同药量冲击下不同风速氮氧化物情况

为了观察不同风速对异常瓦斯运移规律影响，采用对比思想[5]，每组黑火药药量相同，实验设置了三组不同风速，风速一次设置控制为0.6m/s、0.8m/s和1.0m/s。实验采集点的距离设置了4个距离，每个采集地点距爆源间距和采集氮氧化物浓度随时间变化情况如图3所示。

从图3可以看出，不同风速下，氮氧化物浓度均是从无开始，然后迅速增加，而后下降，最终减至为0。曲线变化趋势有点近似指数衰减变化，上升斜率明显大于衰减阶段；在药量一定下，同一监测点，风速越大，氮氧化物浓度较大，进一步增大风速，氮氧化物浓度增幅不是很明显。

为减少实验误差，控制黑火药药量大小，采用微震进行控制和采集信号。微震信号[6]能量计数类似于黑火药爆炸产生的能量，一般采用均方根电压(Vrms)表示微震信号能量：

式中：Vrms为微震信号能量；T为平均时间；V(t)为信号电压。

根据高数思想和电子学理论，总能量数E正比于均方电压Vms从t1到t2时间内积分：

式中：E为总能量数；Vms为均方电压。

根据公式计算，总能量数结果详见表1。根据表1能够得出，药量相同，微震能量基本一致，药量增加，微震能量也增加，说明能量计数与药量大小成线性关系。

表1 瓦斯异常气体中的氮氧化物和微震信号统计情况

3 瓦斯异常时浓度变化规律

给定约束条件，设置相应参数，模拟瓦斯异常时涌出气体浓度变化和扩散影响范围，划分了瓦斯异常气体扩散区域。模拟瓦斯异常扩散影响范围，以浓度变化为纵坐标，时间和距离作为横坐标，建立的三维模拟如图4所示。

图4 影响范围模拟图

图4 中瓦斯浓度区域的划分，以浓度分布为5%和16%作为界面进行划分，在瓦斯浓度超过16%以上划分为爆炸威胁区，爆炸危险区的瓦斯异常时其浓度为5%～16%，瓦斯异常时其浓度低于5%以下划分为安全区。

为了方便观察模拟结果，把瓦斯浓度与爆炸时距离作为正视图剖出来，瓦斯异常时瓦斯浓度随喷出点的距离变化情况，如图5所示。

图5 瓦斯异常时浓度变化范围

从瓦斯异常时浓度变化范围图得出，在坐标点（339,16%）时瓦斯浓度开始超过16%，距离在0～339m之间区域称之为爆炸威胁区；坐标点（563,5%）是瓦斯浓度处于15%下，距离在339～563m之间区域称之为爆炸危险区；瓦斯爆炸的可能发生区域为距涌出源大于563m称之为安全区。说明在距涌出源0～339m极有可能会发生瓦斯爆炸。而在距涌出源超过563m，瓦斯浓度低于5%，不会发生瓦斯爆炸事故。

4 结论

1）根据实验内容、实验方案、实验设施，建立了实验室模拟瓦斯异常的瓦斯运移规律和浓度变化影响范围的实验系统。

2）实验设置两种不同药量，分别进行了冲击气压下瓦斯气体情况，0.1g黑火药与0.05g黑火药相比，实验表明0.05g黑火药产生的气压值相对较小；实验模拟了不同风速、距爆源间距对异常瓦斯运移规律影响，氮氧化物浓度呈近似指数衰减变化，上升斜率明显大于衰减阶段；从微震技术实验说明，微震能量计数与药量大小成线性关系。

3）根据瓦斯运移扩散影响，分别把瓦斯浓度变化范围依次划分为爆炸威胁区、爆炸危险区和完全区。距涌出源0～339m有可能会发生瓦斯爆炸，瓦斯浓度低于5%，不会发生瓦斯爆炸事故。