煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體影響范圍試驗研究

李成武,楊 威,韋善陽,2,李 騰,遲雷雷

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體影響范圍試驗研究

李成武1,楊 威1,韋善陽1,2,李 騰1,遲雷雷1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

為確定煤與瓦斯突出事故發(fā)生后處于爆炸極限內(nèi)的瓦斯分布區(qū)域,避免在此區(qū)域布置機電設(shè)備,降低突出后發(fā)生瓦斯爆炸的危險性,根據(jù)礦井的實際參數(shù),設(shè)計相似模擬試驗,建立在巷道風流作用下的突出氣體運移擴散模型,并結(jié)合實際煤與瓦斯突出強度和通風條件,分析了突出后高濃度瓦斯的時空分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:各測點監(jiān)測的氣體量與監(jiān)測距離呈負指數(shù)關(guān)系,紊流擴散系數(shù)與實測值基本一致,災(zāi)害氣體到達各測點的初至?xí)r間和監(jiān)測距離均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;風量為648 m3/min,斷面面積為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后,距離突出源563 m以內(nèi)的巷道區(qū)域為瓦斯爆炸危險區(qū)域,0～290 s內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸危險性最大,而在距離突出源563 m以外的區(qū)域布置機電設(shè)備,巷道發(fā)生瓦斯爆炸的危險性較小。

煤與瓦斯突出;運移擴散;時空分布

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的煤巖動力現(xiàn)象,其在極短時間內(nèi)向采掘巷道拋出大量的煤粉,并涌出大量的高濃度瓦斯[1]。煤與瓦斯突出機理較多,但由于煤與瓦斯突出本身的復(fù)雜性,現(xiàn)有理論并不能對其有完全合理的解釋。理論的缺陷導(dǎo)致預(yù)測方法與防治措施不能完全有效地防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。一旦事故發(fā)生,高濃度瓦斯流經(jīng)作業(yè)地區(qū),遇到機電設(shè)備可能產(chǎn)生爆炸,因此預(yù)測高濃度瓦斯擴散的危險區(qū)域分布,將機電設(shè)備布置到高濃度瓦斯擴散危險區(qū)域外,則能夠降低瓦斯爆炸發(fā)生的可能性。研究突出后高濃度瓦斯擴散區(qū)域分布,可為煤礦機電設(shè)備的安全設(shè)置提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)于高濃度氣體團瞬間涌入巷道混合氣體運移規(guī)律國內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究。文獻[2]統(tǒng)計分析39次煤與瓦斯突出事故,認為煤與瓦斯突出后氣體濃度呈現(xiàn)先直線上升后指數(shù)衰減的變化趨勢。文獻[3－6]從理論上推導(dǎo)巷道瓦斯運移微分方程組,建立通用的三維數(shù)學(xué)模型,提出通風網(wǎng)路中災(zāi)害氣體濃度分布的計算方法。文獻[7－11]采用數(shù)值模擬方法研究了高濃度氣體運移規(guī)律。文獻[12－14]分析高濃度毒氣傳播過程,得出適合井下條件的毒氣擴散公式,并對公式中的擴散參數(shù)進行了修正。現(xiàn)有的文獻主要是研究高濃度氣體的擴散規(guī)律,而對巷道各位置災(zāi)害氣體濃度的動態(tài)變化研究較少,尤其是關(guān)于動態(tài)擴散區(qū)域的時空分布規(guī)律研究則更為少見。本文利用煤與瓦斯突出瞬間釋放瓦斯過程和炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生氮氧化物氣體過程具有的相似性來設(shè)計相似試驗系統(tǒng),建立在巷道風流作用下的突出氣體運移擴散模型,分析煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯的時空分布規(guī)律,得出煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體的影響范圍。

1 在巷道風流作用下的突出氣體運移擴散模型的建立

煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯運移擴散過程中濃度變化應(yīng)綜合考慮隨風流移動和分子擴散兩部分因素的影響。在流場中任取一微元,其3個邊長分別為dx,dy和dz。對于一維流動,僅考慮x方向,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,得到一維流動的運移擴散方程為

式中,C為瓦斯?jié)舛?t為監(jiān)測時間;u為巷道平均風速;x為監(jiān)測點距突出源的位置;Dm為瓦斯分子擴散系數(shù);J為由生物、物理、化學(xué)等變化而引起的單位時間和單位體積內(nèi)瓦斯的變化量。

煤與瓦斯突出過程瞬間發(fā)生,突出后高濃度瓦斯團可認為是瞬時源,設(shè)高濃度瓦斯氣體生成量為M,在不考慮生物、物理、化學(xué)等變化而引起的瓦斯含量變化(即J=0)的情況下,由菲克第二定律,得出瞬時源一維運移擴散下瓦斯?jié)舛确植糩5]為

式中,C(x,t)為x位置處t時刻的瓦斯?jié)舛?M為瓦斯氣體生成量;Dt為紊流擴散系數(shù)。

紊流擴散系數(shù)Dt主要是反映巷道斷面上風速分布不均勻及紊流流動等因素的變化程度,關(guān)于其值的確定,文獻[15]提出了紊流擴散系數(shù)Dt的計算公式為

狀系數(shù),矩形巷道c=4.05[16－17]。

突出氣體在實際巷道運移擴散過程中,各地點實際監(jiān)測的瓦斯總量并不是保持不變的,應(yīng)對式(2)中參數(shù)M加以修正。本文將瓦斯運移擴散區(qū)域分為n+1個微小區(qū)域進行分析,建立瓦斯運移擴散幾何模型(圖1),瞬時源的瓦斯氣體量設(shè)為M0。當微小區(qū)域無限小時,可將流經(jīng)該區(qū)域內(nèi)的瓦斯氣體量看成一個常數(shù),設(shè)瓦斯流經(jīng)第i(i=1,2,3,…,n)個微小區(qū)域后,在第i區(qū)域監(jiān)測到的氣體量為Mi。瓦斯運移擴散至第i區(qū)域的初至?xí)r間為t0,i。

圖1 瓦斯運移擴散區(qū)域Fig.1 Turbulent diffusion area of gas

根據(jù)式(2),第i區(qū)域的一維運移擴散濃度分布為

式中,C(xi,t)為第i區(qū)域t時刻的瓦斯?jié)舛?Mi為在第i區(qū)域監(jiān)測到的氣體量;xi為第i區(qū)域距突出源的距離;ui為第i區(qū)域平均風速;t0,i為瓦斯運移擴散至第i區(qū)域的初至?xí)r間,其值和ui,xi及沖擊超壓有關(guān); xr,i為第i區(qū)域瓦斯?jié)舛扔?上升到峰值過程中瓦斯的運移擴散距離;Dt,i為第i區(qū)域紊流擴散系數(shù),按照式(3)計算。

2 在巷道風流作用下的突出氣體運移擴散相似試驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗系統(tǒng)

對于同一種物理現(xiàn)象,對應(yīng)點參數(shù)之間的關(guān)系應(yīng)符合精確相似,精確相似包括幾何相似、時間相似、速度相似、溫度相似,動力學(xué)相似和運動學(xué)相似等[18－19]。本文根據(jù)相似理論和研究的需要,著重考慮幾何尺寸相似﹑運動相似、時間相似和動力相似4種相似條件。設(shè)定幾何相似比kL=30,運動相似比kV=1,時間相似比kT=30,動力相似采用雷諾數(shù)準則,由幾何相似比和速度相似比導(dǎo)出流量相似比kQ=kVk2L=900。

由于僅模擬煤與瓦斯突出后瓦斯運移擴散情況,而不考慮煤粉的運移情況,可選擇起爆黑火藥瞬間產(chǎn)生氣體源代替煤與瓦斯突出氣體源。根據(jù)相似條件,試驗使用的方形管道由16塊壁厚為10 mm的亞克力板組合而成,管道內(nèi)徑尺寸為0.1 m×0.1 m,長度為6 m;氣體濃度采集芯片和微震系統(tǒng)芯片均為自主設(shè)計研發(fā),試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of test system

ZDKT－1型煤巖動力災(zāi)害實驗?zāi)M系統(tǒng)(圖3)集成了微震、濃度和氣壓采集芯片。主要采集放炮后氮氧化物濃度數(shù)據(jù),試驗共布置4組氣體濃度傳感器,分別距爆炸點(瞬時源)0.35,1.55,2.75和3.95 m。黑火藥藥量分大(0.20 g)、中(0.08 g)、小(0.02 g)3個層次。氣體濃度傳感器采用City Technology公司生產(chǎn)的4NT CiTiceL傳感器,測量范圍為0～250×10－6,分辨率為0.5×10－6。微震傳感器為加速度計傳感器,其采集頻率為2 560 Hz。氣壓傳感器采用霍尼韋爾公司的絕壓傳感器,量程為0～6.895 kPa。傳感器布置位置如圖4所示。離心風機采用130FLJ5型離心風機。風速測試儀為美國TSI9515風速測量儀。

圖3 采集系統(tǒng)Fig.3 Acquisition system

圖4 傳感器布置Fig.4 Location of sensors

2.2 試驗結(jié)果分析

黑火藥爆炸后產(chǎn)生的氣體除N2和CO2外,還會產(chǎn)生氮氧化物、SO2和CO等氣體。據(jù)測定,大約每1 g黑火藥著火燃燒時,可以產(chǎn)生70 L氣體,本文采用黑火藥爆炸后的氮氧化物氣體量近似模擬突出氣體量。試驗對3種藥量分別進行3組風速(0.80, 1.00和1.20 m/s)條件供風。采集氮氧化物濃度數(shù)據(jù),并進行非線性擬合分析。限于篇幅,本文僅列出藥量為0.08 g,風速為1.20 m/s下不同監(jiān)測距離氮氧化物濃度(CN)擬合曲線,如圖5所示。

根據(jù)試驗結(jié)果,氮氧化物濃度擬合方程見表1。從圖5和表1可以看出,擬合曲線和監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度非常高,R2在0.956～0.989。對比式(4)和表1,統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型各系數(shù)的擬合結(jié)果,見表2。為了說明擬合公式的實際意義,分別對擬合參數(shù)Mi,ui和Dt,i加以分析。

(1)參數(shù)Mi的實際意義。

本文計算了xi處監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)包絡(luò)線下的面積(表2中Ai),Ai代表試驗巷道xi處監(jiān)測到的氣體量,將其與對應(yīng)的擬合氣體量Mi對比分析,如圖6(a)所示。

從圖6(a)可以看出,擬合氣體量Mi和包絡(luò)線下面積Ai呈線性關(guān)系,R2為0.866 7,相關(guān)度較好,說明Mi實際上代表的是氣體量。隨著距離的增大,包絡(luò)線下的面積減小,說明在運移擴散過程中各地點監(jiān)測的氣體量不是固定不變的,而是隨監(jiān)測距離的增大而減小,說明本文提出的氣體運移擴散模型是可靠的。

表1 藥量為0.08 g的氮氧化物濃度擬合方程Table 1 The fitting equation of nitrogen oxide concentration under 0.08 g

表2 試驗參數(shù)和擬合參數(shù)(藥量為0.08 g)Table 2 Experimental parameters and fitting parameters

圖6 擬合參數(shù)分析Fig.6 Analysis of fitting parameters

(2)參數(shù)ui的實際意義。

試驗風速u′i和擬合風速ui之間的關(guān)系如圖6(b)所示。可以看出,擬合風速和試驗風速基本一致,R2為0.985 9,相關(guān)度很好,說明擬合系數(shù)ui的實際意義代表風速。

(3)參數(shù)Dt,i的實際意義。

實驗室巷道模型斷面邊長為0.1 m,水力半徑r為0.025 m。根據(jù)3種藥量下Dt,i和風速ui的擬合結(jié)果,按照式(3)反算3組藥量下巷道通風摩擦阻力系數(shù)α(共36組數(shù)據(jù)),如圖6(c)所示。除去個別異常值,3組藥量下α基本上在60×10－4N·s2/m4基準線上下浮動。按照標準[20]測定了實驗室巷道模型通風摩擦阻力系數(shù)試驗,測點選在圖2中1號和4號傳感器位置上。試驗巷道通風摩擦阻力系數(shù)實測范圍大致為38×10－4～86×10－4N·s2/m4,其值和式(3)推算的通風摩擦阻力系數(shù)范圍大致相同。說明按照式(3)計算紊流擴散系數(shù)是可靠的。

由以上分析可知,根據(jù)式(4)對監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合,參數(shù)Mi,ui和Dt,i均具有很好的實際意義,因此,選用式(4)分析一維運移擴散濃度分布具有合理性。

3 煤與瓦斯突出災(zāi)變影響范圍的確定

本文建立的運移擴散模型和公式推導(dǎo)過程均與氣體本身性質(zhì)無關(guān),且煤與瓦斯突出瞬間釋放瓦斯的過程和爆炸瞬間產(chǎn)生氮氧化物氣體的過程具有相似性。因此,上文分析的爆炸后氮氧化物運移擴散規(guī)律可用于煤與瓦斯突出后高濃度瓦斯團瞬間涌入巷道的運移擴散規(guī)律。假定煤與瓦斯突出后瞬間產(chǎn)生10 000 m3瓦斯,巷道為斷面3 m×3 m的方形巷道,長度為1 000 m,突出后局部通風機仍持續(xù)供風,巷道內(nèi)平均風速為1.20 m/s,則巷道風量為648 m3/min。以下對一維運移擴散濃度分布模型中各參數(shù)進行確定。

(1)實際氣體量M′的確定。

根據(jù)相似條件,將實驗室測定的3種藥量下氣體量M轉(zhuǎn)換成模擬實際的氣體量M′,M′=900M。模擬實際監(jiān)測距離x′和實驗室測得的監(jiān)測距離x的關(guān)系: x′=30x。計算后的模擬實際氣體量M′和模擬實際監(jiān)測距離x′的關(guān)系擬合曲線如圖7所示。

圖7 M′和x′擬合關(guān)系Fig.7 Fitting relationship between M′and x′

3種藥量下氣體量M′與監(jiān)測距離x′呈近似負指數(shù)變化關(guān)系,R2分別為0.973 3,0.702 2和0.676 3。說明隨著藥量的增大,氣體量和監(jiān)測距離的關(guān)系越接近指數(shù)衰減的變化規(guī)律。同時,3種藥量的氣體量隨監(jiān)測距離的衰減系數(shù)大致相等,為－0.004～－0.006,而M′幅值差別較大,其值與瞬時源氣體產(chǎn)生量有關(guān)。由于實驗藥量和監(jiān)測距離有限,擬合出的衰減系數(shù)并不能完全代表井下實際情況,需根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)對其進一步考察和修正。暫取衰減系數(shù)為－0.005,由假定煤與瓦斯突出后瞬間產(chǎn)生10 000 m3瓦斯,則M′=10 000e－0.005x′。

(2)實際紊流擴散系數(shù)Dt′的確定。

文獻[21]實測不同支護形式下巷道通風摩擦阻力系數(shù),掘進工作面巷道為錨噴支護、光面爆破,凹凸度小于150時,其摩擦阻力系數(shù)為68×10－4～75× 10－4N·s2/m4,取平均值為70×10－4N·s2/m4,水力半徑為0.741 m,由式(3)計算得出Dt′=4.500。

(3)實際初至?xí)r間t′0的確定。

由于時間相似系數(shù)和位移相似系數(shù)均為30,則實驗室條件下初至?xí)r間t0,i和監(jiān)測距離xi的擬合關(guān)系即為實際情況下的初至?xí)r間t′0和監(jiān)測距離x′的擬合關(guān)系。統(tǒng)計分析不同藥量和風速下的初至?xí)r間t0隨監(jiān)測距離x的變化規(guī)律,可以看出,兩者均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖8列出實驗室條件、風速為1.20 m/s下初至?xí)r間t0,i和監(jiān)測距離xi的線性擬合關(guān)系:t0,i= 0.478xi+0.349。則實際情況下,風速為1.20 m/s下的初至?xí)r間t′0和監(jiān)測距離x′擬合關(guān)系為:t′0= 0.478x′+0.349。

圖8 t0和x的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between t0,iand xi

(4)實際上升時間t′r的確定。

取3種藥量下風速為1.20 m/s時上升階段持續(xù)時間tr,i的平均值作為上升時間,經(jīng)計算為0.749 s。由于時間的相似比KT=30,則實際上升時間t′r= 0.749×30=22.47 s,各區(qū)域內(nèi)瓦斯氣體濃度由0上升到峰值過程中瓦斯的實際運移擴散距離x′r按實際上升時間和實際風速的乘積得出,本次為22.47× 1.20=26.964 m。

(5)高濃度瓦斯瞬間涌入巷道瓦斯影響范圍的確定。

根據(jù)以上分析結(jié)果,采用運移擴散模型,按照上文假定突出條件,得出高濃度瓦斯氣體團瞬間涌入巷道實際瓦斯?jié)舛菴′與實際時間t′和距突出源實際監(jiān)測距離x′之間的關(guān)系,如圖9所示。瓦斯?jié)舛确植挤秶?%和16%兩個界面劃分,16%截面以上區(qū)域為混入新鮮空氣后爆炸區(qū),5%～16%范圍內(nèi)區(qū)域為瓦斯爆炸區(qū),5%截面以下區(qū)域為非爆炸區(qū)。

圖9 影響范圍分布三維圖Fig.9 Three-dimensional distribution of influence scope

為了便于觀察,將圖9的實際瓦斯?jié)舛菴′和距突出源的實際距離x′關(guān)系(正視圖)、實際瓦斯?jié)舛菴′和實際時間t′關(guān)系(左視圖)分別導(dǎo)出,如圖10,11所示。

圖10 實際瓦斯?jié)舛菴′和距突出源的實際距離x′關(guān)系Fig.10 The relationship between actual gas concentration C′and distance from outburst source x′

圖11 實際瓦斯?jié)舛菴′和實際時間t′關(guān)系Fig.11 The relationship between actual gasconcentration C′and time t′

從圖10,11可以看出,風量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后,瓦斯?jié)舛冗_到16%的坐標點為(339,182,16%),5%的坐標點為(563,290,5%)。在距突出源0～339 m區(qū)域,當混入新鮮空氣后可發(fā)生瓦斯爆炸;339～563 m遇明火可直接發(fā)生瓦斯爆炸,因此,瓦斯爆炸的可能發(fā)生區(qū)域為距突出源0～563 m,時間為0～290 s。而在距突出源563 m以外的巷道,瓦斯?jié)舛染?%以下,瓦斯爆炸危險性小。按照上述分析,現(xiàn)場機電設(shè)備應(yīng)布置距突出源563 m以外的區(qū)域。本文僅對風量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后高濃度瓦斯影響范圍進行分析,對于其他條件下的瓦斯影響范圍研究可參照此方法進行。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)流體力學(xué)理論和菲克定律,建立了瞬時源一維運移擴散幾何模型,改進了現(xiàn)有的運移擴散數(shù)學(xué)模型。相似試驗結(jié)果和災(zāi)害氣體運移擴散模型吻合度高,且擬合參數(shù)均具有實際意義,驗證了所建的運移擴散模型用于分析高濃度氣體團瞬間涌入巷道混合氣體擴散規(guī)律的合理性。

(2)各監(jiān)測點監(jiān)測的氣體量隨監(jiān)測距離的增大呈負指數(shù)衰減;紊流擴散系數(shù)與巷道通風摩擦阻力系數(shù)、水力半徑和風速有關(guān);各監(jiān)測點濃度變化的初至?xí)r間和監(jiān)測距離均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

(3)根據(jù)相似試驗結(jié)果確定運移擴散數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù),分析了風量為648 m3/min,斷面為9 m2條件下,突出10 000 m3瓦斯后突出高濃度瓦斯時空分布規(guī)律。結(jié)果表明在巷道通風設(shè)施不損壞的條件下,發(fā)生瓦斯爆炸的可能區(qū)域為距突出源0～563 m,時間發(fā)生在0～290 s。而距突出源563 m以外的巷道區(qū)域瓦斯?jié)舛染?%以下,瓦斯爆炸危險性小。

(4)受實驗室藥量和監(jiān)測點數(shù)目的限制,各點監(jiān)測氣體量隨監(jiān)測距離變化的衰減系數(shù)需根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)進一步考察和修正,上升階段時間和監(jiān)測距離之間的關(guān)系有待進一步分析。

[1] 李成武,何學(xué)秋.工作面煤與瓦斯突出危險程度預(yù)測技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,34(1):71－76.

Li Chengwu,He Xueqiu.Prediction method of coal and gas outburst dangerous level in coal roadway face[J].Journal of China University of Mining&Technology,2005,34(1):71－76.

[2] Noack K.煤與沼氣突出對礦井通風的影響[J].煤礦安全,1988 (4):14.

Noack K.The impact of coal and gas outburst on the mine ventilation [J].Safety in Coal Mine,1988(4):14.

[3] 梁 棟,王繼仁,王樹剛,等.巷道風流中瓦斯逆流機理及其實驗研究[J].煤炭學(xué)報,1998,23(5):476－479.Liang Dong,Wang Jiren,Wang Shugang,et al.The mechanism and test research of gas adverse current in roadway air flow[J].Journal of China Coal Society,1998,23(5):476－479.

[4] 王恩元,梁 棟,柏發(fā)松.巷道瓦斯運移機理及運移過程的研究[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1996,14(2):130－135.

Wang Enyuan,Liang Dong,Bai Fasong.Study on the mechanism and process of the methane movement it the tunnel[J].Shanxi Mining Institute Learned Journal,1996,14(2):130－135.

[5] 鹿廣利,李崇山,辛嵩.集中有害氣體在通風網(wǎng)路中傳播規(guī)律的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,19(2):120－122.

Lu Guangli,Li Chongshan,Xin Song.Study on the law of concentrative harmful gas spreading in ventilation networks[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Nature Science), 2000,19(2):120－122.

[6] He Liwen,Song Yi,Shi Shiliang,et al.Research on time structure characteristic of gas concentration sequence in the working face[J].Journal of Coal Science and Engineering(China),2011,17(3): 311－315.

[7] Li Chengwu,Yang Wei,Xie Beijing,et al.Numerical simulation on hazardous area distribution after gas outburst in coal uncovering construction of hydropower station[J].Applied Mechanics and Materials,2012,212－213:989－997.

[8] 孫東玲,胡千庭,苗法田.煤與瓦斯突出過程中煤－瓦斯兩相流的運動狀態(tài)[J].煤炭學(xué)報,2012,37(3):452－458.

Sun Dongling,Hu Qianting,Miao Fatian.Motion state of coal-gas flow in the process of outburst[J].Journal of China Coal Society, 2012,37(3):452－458.

[9] Wang Kai,Zhou Aitao,Zhang Jianfang,et al.Real-time numerical simulations and experimental research for the propagation character-istics of shock waves and gas flow during coal and gas outburst[J].Safety Science,2012,50(4):835－841.

[10] Zhang Jianrang,Wang Chunqiao,Dong Dingwen.Numerical simulation study of gob air leakage field and gas migration regularity in downlink ventilation[J].Journal of Coal Science and Engineering (China),2011,17(3):316－320.

[11] Lü Wensheng,He Lei,Yang Peng.Simulation study of blast fume diffusion characters of driving face[J].Journal of Coal Science& Engineering(China),2011,17(1):47－51.

[12] Hideki Okamoto,Yasushiro Gomi.Empirical research on diffusion behavior of leaked gas in the ground[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2011,24:531－540.

[13] 劉永立,陳海波.礦井瓦斯爆炸毒害氣體傳播規(guī)律[J].煤炭學(xué)報,2009,34(6):788－791.

Liu Yongli,Chen Haibo.Poison gases propagation rules of methane explosion in coal mine[J].Journal of China Coal Society,2009,34 (6):788－791.

[14] 賈智偉,景國勛,張 強.瓦斯爆炸事故有毒氣體擴散及危險區(qū)域分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17(1):91－95.

Jia Zhiwei,Jing Guoxun,Zhang Qiang.Analysis on the diffusion of toxic gases from gas explosion and the determination of risk area [J].China Safety Science Journal,2007,17(1):91－95.

[15] 王英敏.礦內(nèi)空氣動力學(xué)與礦井通風系統(tǒng)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.

[16] 張國樞.通風安全學(xué)(第2版)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[17] 王春新.井巷斷面形狀系數(shù)新探[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2003, 30(6):35－41.

Wang Chunxin.An new investigation on coefficient of mine sectional form[J].Mining Safety&Environmental Protection,2003,30 (6):35－41.

[18] 周美立.相似工程學(xué)[M].北京:機械工程出版社,1998:12－15.

[19] 蔣曙光,王省身.綜放采場流場及瓦斯運移三維模型試驗[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,24(4):85－91.

Jiang Shuguang,Wang Xingshen.Study on 3－D modelling of air flow and methane transfer in top-coal drawing fields[J].Journal of China University of Mining&Technology,1995,24(4):85－91.

[20] MT/T 635—1996,礦井巷道通風摩擦阻力系數(shù)測定方法[S].

[21] 胡漢華.礦井通風系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

Experimental research of influence scope of disaster gas after coal and gas outburst

LI Cheng-wu1,YANG Wei1,WEI Shan-yang1,2,LI Teng1,CHI Lei-lei1
(1.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Safety Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

To determine distribution area of gas which lies in explosion limits and avoid electromechanical equipment’s arranging in the area can reduce the risk of gas explosion after coal and gas outburst accident,based on actual parameters of mine,similar simulation test was designed and the model of migration and diffusion of gas along with air flow after outburst was put forward.Combining with the actual strength of coal and gas outburst and atmospheric conditions,space-time distribution of high concentration gas after coal and gas outburst was analyzed.The results show that the gas amount of each monitoring point has a negative exponent relation with monitoring distance.Turbulent diffusion coefficient is identical with the actually measured value.The first break time at which disaster gas reaches each monitoring point has good linear relationship with each monitoring distance.Under the air volume of 648 m3/min and sectional area of 9 m2,gas explosion more likely occurs in the area within 563 m from outburst source and during the time of 0－290 s after 10 000 m3gas extrudes.The occurrence probability of gas explosion is small when electromechanical equipments arrange beyond 563 m from outburst source.

coal and gas outburst;migration and diffusion;space-time distribution

TD712

A

0253－9993(2014)03－0478－08

李成武,楊 威,韋善陽,等.煤與瓦斯突出后災(zāi)害氣體影響范圍試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(3):478－485.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0441

Li Chengwu,Yang Wei,Wei Shanyang,et al.Experimental research of influence scope of disaster gas after coal and gas outburst[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):478－485.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0441

2013－04－09 責任編輯:張曉寧

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274206)

李成武(1969—),男,黑龍江延壽人,研究員,博士生導(dǎo)師。E－mail:lcw@cumtb.edu.cn。通訊作者:楊 威(1986—),男,河南信陽人,博士研究生。E－mail:ywbj2008@126.com