掘進工作面放炮后瓦斯涌出與運移規(guī)律研究

李志軍

（中煤平朔集團井東煤業(yè)公司，山西朔州 036800）

掘進工作面放炮后瓦斯涌出與運移規(guī)律研究

李志軍

（中煤平朔集團井東煤業(yè)公司，山西朔州 036800）

針對掘進面放炮以后瓦斯的異常涌出現(xiàn)象，分析了放炮后瓦斯異常涌出的原因，并研究了瓦斯的異常涌出及其在巷道內(nèi)運移衰減的規(guī)律。利用流體數(shù)值分析常用軟件Fluent，采用自定義函數(shù)，定義隨時空變化的速度邊界，并利用模擬結(jié)果分析了異常涌出瓦斯的在掘進巷道內(nèi)的運移衰減過程，為礦井治理掘進面瓦斯在還提供了理論指導。

掘進面；放炮；瓦斯異常涌出；瓦斯運移

瓦斯災害是煤礦眾多災害之一，也是危害最大，影響最嚴重的災害，加強瓦斯治理是煤礦實現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。而掘進巷道是煤礦開采開拓的一項基礎(chǔ)性工作，加強掘進巷內(nèi)瓦斯治理，尤其是煤巷掘進，是提高掘進工作安全性的重要部分。我國巷道掘進目前普遍采用爆破法，爆破往往使得掘進面在放炮后的一段時間內(nèi)瓦斯大量涌出，巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸蓿袝r不規(guī)范的放炮還會誘發(fā)工作面瓦斯燃燒甚至瓦斯爆炸事故[1-3]。因此了解放炮后掘進面放炮后的瓦斯涌出情況及其在風流作用下向巷道外的運移情況，對于掘進面瓦斯的治理有著重要意義。

1 掘進面瓦斯異常涌出原因分析

在煤礦中，掘進是一項必不可少的工作，而目前掘進方法大部分采用的仍是鉆孔爆破法。尤其在煤巷中掘進時，放炮過后巷道內(nèi)瓦斯涌出量會在短期內(nèi)出現(xiàn)較大波動。這主要是由于放炮對于巷道前方及周邊圍巖會產(chǎn)生極大的擾動，一方面它能夠崩落煤體，使得崩落煤體中的瓦斯因泄壓而迅速釋放；另一方面放炮可以改善周邊圍巖的應力分布狀態(tài)，使得應力增高區(qū)向深部移動，那么周邊應力降低區(qū)內(nèi)的瓦斯就會因為泄壓而大量涌出；同時，爆炸將在周邊煤巖體中產(chǎn)生大量裂隙，增大煤體的透氣性，使得深部煤體的瓦斯也不斷向外部運移。因此在放炮的瞬時，會有大量的瓦斯快速的向掘進面涌出，形成高濃瓦斯團或高濃瓦斯區(qū)域[4]。

可見放炮后掘進面的瓦斯異常涌出源主要包含以下兩個部分：一是放炮落煤瓦斯涌出，其大小它主要與煤層瓦斯含量以及單次放炮時掘進進尺量有關(guān)，煤層瓦斯含量越大，單次掘進進尺量越大，落煤量就越大，那么放炮后煤體中的瓦斯涌出量就越大。二是工作面前方煤壁瓦斯涌出，這一方面受煤層原始瓦斯含量以及煤層透氣性影響，同時也與放炮誘導的擴展裂隙發(fā)展情況有關(guān)，一般而言煤層瓦斯含量越大，煤層原始透氣性越好，放炮誘導生成的裂隙越多，放炮時涌出瓦斯量就越大。

然而，實際中瓦斯涌出在時空上一般都是不連續(xù)的，放炮結(jié)束時巷道內(nèi)的瓦斯并不是沿斷面均勻釋放的，裂隙越多的地方，瓦斯涌出的速度越大，同時越靠近裝藥點，放炮對瓦斯的拋擲速度也會越大。所以在有些時候，瓦斯可以看成是從局部地區(qū)集中涌出的，且涌出速度較大，其衰減也較快。此時，在風流的作用下，局部地區(qū)的高瓦斯氣流若遇到眼孔冒火等火焰滯留情況，就會在氣流與風流交匯的表面發(fā)生燃燒，形成工作面噴火現(xiàn)象。

2 掘進工作面瓦斯涌出與衰減規(guī)律分析

2.1 放炮后掘進面的瓦斯涌出規(guī)律

影響放炮后掘進工作面瓦斯涌出的因素主要包括，煤層的透氣性，一次爆破落煤量，以及煤壁瓦斯涌出量。分析可以得出：一是在掘進巷推進過程中的不同掘進循環(huán)里，瓦斯涌出衰減量是基本相同的，也即隨著掘進面向前推進，每次放炮后掘進頭瓦斯涌出的規(guī)律基本是的一樣的，與采掘推進距離沒有明顯的關(guān)系；二是放炮后工作面的瓦斯涌出呈快速衰減狀態(tài)，也即瓦斯氣流基本上是在短期內(nèi)（幾分鐘到十幾分鐘）迅速涌向掘進巷道的。可見，在放炮后的異常瓦斯涌出是在幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)基本完成的，這也是治理瓦斯災害的主要時期，是治理瓦斯燃燒以及控制其向瓦斯爆炸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期[5]。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)得，掘進面放炮后瓦斯涌出量與時間的關(guān)系曲線和放炮后工作面的瓦斯涌出量與時間的關(guān)系見圖1，其函數(shù)近似符合：

放炮后的掘進面的瓦斯涌出量隨時間大致是呈冪指數(shù)衰減變化的，初期瓦斯涌出量比較大，隨著時間的增大，瓦斯涌出強度逐漸衰減，并逐漸達到正常涌出水平。

圖1 放炮后掘進工作面瓦斯涌出量隨時間變化圖

2.2 涌出后瓦斯在巷道內(nèi)的衰減規(guī)律

瓦斯異常涌出在短期內(nèi)完成，從而在工作面形成了高濃瓦斯區(qū)域。一方面，瓦斯氣流與風筒供給的新鮮風流在工作面前方交匯，在風流的作用下瓦斯氣流在被吹向巷道底部的同時被稀釋，工作面前方流場的復雜性決定了這段距離內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植技捌渌p規(guī)律的復雜性。

當瓦斯流過工作面前方渦流區(qū)域后，在很長的一段距離內(nèi)，瓦斯的運移及衰減過程就是在風流作用下的組分運輸過程。有害氣體濃度隨時間的衰減服從復雜的負指數(shù)函數(shù)，而瓦斯在掘進巷中的濃度衰減類似于有害氣體的傳播過程，故也應符合負指數(shù)衰減的規(guī)律。

3 放炮后瓦斯涌出及運移的數(shù)值模擬

簡化后的幾何模型及測點布置，見圖2。將掘進面瓦斯涌出情況抽象為二維空間，其幾何參數(shù)設(shè)置如下：a.長×寬×高=100 m×2 m×2.5 m；b.采用風筒供風，風筒直徑0.4 m，風筒出口距掘進面5 m，風筒入口風速8 m/s；放炮后瓦斯主要涌出區(qū)域位于巷道中部，長度為0.5 m。

本次共布置了三條監(jiān)測線，分別位于距風筒底部0.05 m處（y=0.8），巷道中軸線（y=0），以及距巷道底部0.45 m處（y=-0.8）。共布置兩個測點，分別是掘進面與回風端面與巷道中軸線的交點。

圖2 簡化的幾何模型及測點測線布置圖

3.1 邊界條件的確定

由于相較于放炮以及風流對于瓦斯在巷道內(nèi)流動的影響，瓦斯出流時與巷道內(nèi)空氣的溫差對瓦斯流動的影響可以忽略，故假定瓦斯在傳播過程中與外界無熱量交換。取空氣相對濕度為90%，則20℃時的含濕量可查表得0.01 kg/kg。取瓦斯與空氣混合氣體的粘性系數(shù)為1.725×10-5Pa·s，掘進面溫度20℃，出口處壓力為94 320 Pa。風流進口為固定速度入口，巷道回風口設(shè)為壓力出口。

而放炮后掘進工作面瓦斯的涌出速度，不僅沿巷道壁面分布不均，同時各區(qū)域還隨時間不斷衰減。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拋物狀分布，隨時間成冪指數(shù)衰減。由公式1可推得：

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 掘進巷道風速分布

放炮前工作面各軸線上的風速分布情況見圖3。從圖中看到，風筒出口到掘進面這一段距離內(nèi)，巷道中的風速分布是極不均勻的，也就是在工作面前方形成了渦流區(qū)。巷道中掘進面附近的風速普遍是比較大的，隨著離掘進面的距離增大，風速大小變化較快，但最終均穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，巷道底部與中部的風速基本一致，但明顯大于巷道上部的風速，可見穩(wěn)定區(qū)巷道內(nèi)的風速分布也是不均勻的。

圖3 放炮前工作面各軸線上的風速分布圖

3.2.2 掘進面瓦斯涌出速度分布及其衰減

由圖4可以看出，放炮結(jié)束后工作面的瓦斯涌出在巷道局部集中發(fā)生，其大小沿巷道呈拋物線分布。而涌出速度隨時間變化，初期的瓦斯涌出速度很大，能達到近30 m/s左右，隨后便快速衰減，大小在幾秒內(nèi)便降低至3 m/s左右。可見，放炮結(jié)束后瓦斯的異常涌出是在短期內(nèi)集中發(fā)生的，隨后的過程主要就是高濃瓦斯在巷道內(nèi)隨風流的衰減運移了。

圖4 放炮后瓦斯涌出速度沿掘進面分布曲線圖

3.2.3 高濃瓦斯氣流排出巷道的時間

測點2處的瓦斯監(jiān)測濃度變化曲線，見圖5。可以看出，在接近60 s時監(jiān)測點2處濃度已經(jīng)開始下降，說明此時高濃瓦斯氣流已經(jīng)流過了巷道尾端。

圖5 巷道出口處瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線

而由于瓦斯在巷道內(nèi)穩(wěn)定區(qū)的運移主要受風流的影響，所以高濃瓦斯氣流流出巷道的時間與巷道內(nèi)的風流速度有很大關(guān)系。隨后，巷道尾端的瓦斯?jié)舛壤^續(xù)緩慢下降，其下降趨勢與掘進面瓦斯涌出速度相似。不過此時瓦斯?jié)舛热员３至讼鄬^高值，這主要是因為此時掘進面瓦斯異常涌出還未停止，不過涌出速度應經(jīng)降至了較小的值。可見瓦斯運移出巷道的時的濃度與瓦斯涌出量（速度）有很大的關(guān)系。

4 結(jié)論

1）掘進工作面放炮后，會誘發(fā)高濃瓦斯氣流沿工作面向巷道內(nèi)涌出，涌出速度是時間與空間的函數(shù)，局部地區(qū)的速度較大，而其他地方的涌出速度相對較小，且初始時刻的瓦斯涌出速度較大，然后隨時間快速衰減。

2）隨著掘進面瓦斯的異常涌出，巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛戎饾u增大。由于瓦斯涌出速度衰減較快，所以涌出的瓦斯在巷道內(nèi)的運移主要受風流的影響。涌出的瓦斯隨風流向巷道外部運移的同時，不斷向上部運移，沿著風流前進的方向，瓦斯?jié)舛确逯挡粩嗨p[6-7]。

3）高濃瓦斯氣流涌出巷道的時間與風速有很大關(guān)系，且瓦斯氣流流出巷道時的濃度與瓦斯涌出量有一定關(guān)系。

4）在放炮結(jié)束后的幾分鐘內(nèi)，巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛容^大，是發(fā)生燃爆事故的主要時期，故加強放炮后前期的瓦斯治理是掘進面瓦斯治理的關(guān)鍵。

[1]高建良,候三中.掘進工作面動態(tài)瓦斯壓力分布及涌出規(guī)律[J].煤炭學報,2007(11)：1127-1131.

[2]李廣勇.掘進面放炮后瓦斯涌出規(guī)律及預防爆炸措施[J].山西焦煤科技,2011(1):34-37.

[3]賈智偉,景國勛.瓦斯爆炸事故有毒氣體擴散及危險區(qū)域分析[J].中國安全科學學報,2007(1):57-59.

[4]楊乃時.礦井掘進工作面瓦斯涌出規(guī)律分析[J].能源技術(shù)與管理,2012(1):13-15.

[5]胡千庭.對煤巷掘進工作面放炮后瓦斯涌出指標的探討[J].煤炭工程師,1996(4):37-41.

[6]任克斌,鄭丹.煤巷掘進工作面瓦斯涌出規(guī)律的研究[J].淮南職業(yè)技術(shù)學院學報,2004(1):34-36.

[7]劉銀志,梅文澤.長距離大斷面掘進巷道的通風安全管理[J].中國煤炭,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

（編輯：薄小玲）

2015-04-16

李志軍（1976-），男，山西朔州人，大學本科，工程師，從事煤礦開采技術(shù)管理工作。