掘進巷道停風期間瓦斯超限應急處置技術研究*

毛俊睿，楊 明,2,3，劉佳佳,2,3，柳 磊，柴 沛

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454003；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003)

0 引言

瓦斯超限在礦井瓦斯管理中被視為事故，同時也是導致瓦斯爆炸的主要根源[1-2]。掘進巷道會因電網檢修、無計劃停電、局部通風機管理不到位、風筒更換時間過長等原因造成臨時停風，從而發生瓦斯積聚，導致瓦斯超限，甚至引起瓦斯爆炸事故發生[3-7]。掘進巷道停風后瓦斯濃度分布規律的研究是進行掘進巷道停風后瓦斯超限應急處置技術研究的基礎和前提。國內外眾多學者對此進行大量的研究：朱紅青等[8]通過對掘進巷道停風后其內部瓦斯濃度分布規律的理論分析，得出掘進巷道內各點的瓦斯濃度隨時間、巷道距離變化的計算公式；李祥春等[9]在分析掘進巷道停風后各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量隨時間變化規律的基礎上，得出掘進巷道停風后某一時刻某一點的瓦斯濃度計算公式，并采用數值模擬的方法得出掘進巷道停風條件下瓦斯濃度的二維分布狀況；艾迪昊等[10]通過詳細分析綜掘工作面瓦斯涌出來源，推導出綜掘工作面停風后其內部瓦斯濃度的變化及分布狀況計算公式。

較多學者圍繞瓦斯超限應急管理處置問題開展大量研究工作，但針對掘進巷道停風期間瓦斯超限應急處置技術的研究成果相對較少，田豐等[11]提出負壓導引通風技術，通過現場調研發現，該技術施工要求條件較多，且存在臨時應急通風耗時較長、可靠性不高、適用性不強等問題。為此，本文在現場調研的基礎上，結合煤礦掘進巷道內現有的設施及裝備，提出1種利用瓦斯抽采管路進行局部抽出式通風的應急處置技術。通過理論分析、數值模擬，對停風期間采取該項應急處置技術前后的掘進巷道瓦斯濃度分布規律進行對比分析與研究，以期得出該項應急處置技術的防治效果。

1 掘進巷道停風期間的瓦斯濃度分布規律

1.1 理論依據

假設掘進巷道停風期間其內部氣體為不可壓縮氣體，氣體在流動運移過程中溫度保持不變；忽略掘進巷道底部遺煤釋放的瓦斯，隨著停風時間的增加，瓦斯在掘進巷道中因濃度差導致的擴散運動需要使用Maxwell-Stefan擴散方程對此種高濃度氣體混合現象進行精確描述[12-14]。同時，瓦斯在掘進巷道中的流動還受到密度差影響。綜上所述，掘進巷道內氣體的流動遵循質量守恒方程、動量守恒方程及Maxwell-Stefan擴散方程。

1)質量守恒方程如式(1)所示：

(1)

式中：ux，uy，uz分別為掘進巷道內氣體在x，y，z方向上的速度分量，m/s。

2)動量守恒方程如式(2)～(4)所示：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；μ為氣體的動力黏度，Pa·s；p為作用于氣體微元體上的壓力，Pa；Sx,Sy,Sz為在x，y，z方向上的廣義源項。

3)Maxwell-Stefan擴散方程(為簡化計算，引用等效Fick擴散系數)如式(5)～(9)所示：

(5)

ji=jc,i-ρDi

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：下標c，k，i為各組分氣體編號；ω為氣體質量分數；j為氣體的質量通量，kg/(m2·s)；R為廣義源項；D為氣體的菲克擴散系數，m2/s；M為氣體的摩爾質量，kg/mol；Mn為氣體的平均摩爾質量，kg/mol；O為氣體的摩爾分數；t為時間，s。

1.2 掘進巷道的模型構建

掘進巷道內瓦斯傳感器處的瓦斯濃度達到0.8%會導致瓦斯預警，超過1%會發生瓦斯超限事故，其整體空間的瓦斯濃度達到5%會達到瓦斯爆炸下限，極易導致瓦斯爆炸事故發生。因此，本文以掘進巷道內瓦斯傳感器處、整體空間的瓦斯濃度達到0.8%，1%，5% 3個代表性瓦斯濃度值的時間是否有效延長作為評價瓦斯超限應急處置技術是否有效的依據。

掘進巷道的長、寬、高分別為50,4,5.5 m，其內部的初始瓦斯濃度設為0.4%，將左、右巷幫及掘進頭向掘進巷道內涌入的瓦斯量分別設為1,3 m3/min，在COMSOL中構建的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 掘進巷道模型Fig.1 Model of excavation roadway

圖1模型中，1號瓦斯傳感器布設在距掘進頭5 m，距巷道頂部300 mm，位于左右巷幫的中心處(即距任意巷幫2 m)；2號瓦斯傳感器布設在距掘進巷道入口10 m，距巷道頂部300 mm，位于左右巷幫的中心處。

1.3 掘進巷道內的瓦斯濃度分布規律

通過對式(1)～(9)的聯立計算，可得掘進巷道在第0，1，2，3，6，12 min的瓦斯濃度分布狀況，如圖2所示。

由圖2可得，前1 min內，掘進巷道中的瓦斯主要集中于掘進頭上方附近，掘進巷道其他區域中的瓦斯濃度變化較小。1～6 min內隨時間增加，掘進巷道頂部附近的瓦斯濃度不斷升高，巷道頂部的瓦斯濃度變化趨勢為自掘進巷道入口至掘進頭方向不斷增加。6 min后，掘進巷道內瓦斯濃度的主要變化趨勢為自巷道頂部至底部方向不斷增加。

圖2 不同時間掘進巷道內瓦斯濃度的分布狀況Fig.2 Distribution of gas concentration in excavation roadway at different time

1號瓦斯傳感器位置處YZ剖面的瓦斯濃度分布狀況如圖3所示。由圖3可知1號瓦斯傳感器分別在24，27，71 s時監測到瓦斯濃度達到0.8%，1%，5%；同理可得，2號瓦斯傳感器分別在125，153，179 s時監測到瓦斯濃度達到0.8%，1%，5%。掘進巷道內瓦斯濃度分布狀況如圖4所示。通過判斷掘進巷道整體空間中各點的瓦斯濃度是否均大于等于上述3個代表性瓦斯濃度值，得到掘進巷道的整體空間分別在345，354，692 s時瓦斯濃度達到0.8%，1%，5%。

圖3 1號瓦斯傳感器位置處YZ剖面的瓦斯濃度分布狀況Fig.3 Gas concentration distribution of YZ profile at the position of No.1 gas sensor

圖4 掘進巷道內瓦斯濃度分布狀況Fig.4 Gas concentration distribution in excavation roadway

綜上所述，掘進巷道在停風24 s時，瓦斯傳感器就會監測到瓦斯濃度超限。由于本文的掘進巷道模型長度為50 m，因而在接近12 min時掘進巷道整體空間的瓦斯濃度均達到瓦斯爆炸下限。而隨著掘進巷道距離的增加，一般情況下其整體空間瓦斯濃度達到爆炸下限的時間必然會不斷延長。但可根據計算結果得出，較短時間內掘進頭臨近區域整體空間極易發生瓦斯爆炸事故。因此，有必要采取相應的應急處置技術措施用以延緩和控制上述現象發生。

2 掘進巷道停風期間瓦斯超限應急處置技術

由于掘進巷道停風屬極小概率事件，綜合考慮成本、效益及掘進巷道內現有的設施及裝備，提出利用掘進巷道內現有瓦斯抽采管路的方法，在停風狀況下通過快速打開管路末端法蘭盤，利用瓦斯抽采管路中的負壓實現臨時抽出式通風的應急處置技術。該項技術具有操作快捷簡單、成本低、可靠性高、應急響應速度快、適用性強等優點。

為研究上述應急處置技術在掘進巷道停風期間的應用效果，對其進行數值模擬分析。

2.1 理論依據

負壓通風條件下，掘進巷道內瓦斯的流動形式為湍流和擴散2種。其中，瓦斯的擴散流動仍遵循1.1節的流動規律；湍流流動符合標準k-ε湍流模型，其計算公式如式(10)～(13)所示。

(10)

(11)

(12)

Pk=μT[u:(u+(u)T)]

(13)

式中：k代表湍流動能，m2/s2；σk，σε，Cε1，Cε2，Cμ均為常數，分別取1.0，1.3，1.44，1.92，0.09；Pk為因平均速度梯度引起的湍流動能,m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/m3；μT為湍流動力黏滯系數，Pa·s。

通過式(1)～(13)之間雙向的反應流及流動耦合來描述負壓通風情況下掘進巷道內瓦斯的流動情況。

2.2 負壓通風情況下掘進巷道的模型構建

瓦斯抽采管路的直徑為400 mm，布置在距右巷幫200 mm，距掘進頭5 m，距巷道底部1 m處。考慮到掘進巷道入口的外部為回風巷，因而在負壓通風情況下，假設自掘進巷道入口流入掘進巷道空氣中的瓦斯濃度為0.3%。保持1.2節中掘進巷道內瓦斯濃度、左右巷幫及掘進頭的瓦斯涌出量不變，構建的三維幾何模型如圖5所示。

圖5 負壓通風情況下的掘進巷道模型Fig.5 Model of excavation roadway under negative pressure ventilation

2.3 不同負壓通風量情況下瓦斯傳感器處的瓦斯濃度分布規律

在瓦斯抽采管路以5，15，30 m3/min的負壓通風量進行臨時應急通風的情況下，對掘進巷道內1，2號瓦斯傳感器位置處達到0.8%，1%，5% 3個代表性瓦斯濃度值的時間進行分析，不同負壓通風量下1，2號瓦斯傳感器監測到各瓦斯濃度值的時間對比如圖6所示(掘進巷道在有負壓通風的情況下，2號瓦斯傳感器位置處均未監測到瓦斯濃度大于等于5%的情況出現)。

由圖6可得，當瓦斯抽采管路提供的負壓通風量為5 m3/min時，1號瓦斯傳感器監測到0.8%，1% 2個瓦斯濃度的時間相對最長，分別為35，37 s；當瓦斯抽采管路提供的負壓通風量為15 m3/min時，2號瓦斯傳感器監測到0.8%，1% 2個瓦斯濃度的時間相對最長，分別為264，297 s；當瓦斯抽采管路提供的負壓通風量為30 m3/min時，1號瓦斯傳感器監測到瓦斯濃度達到5.0%的時間相對最長，為586 s。同時，通過提取不同負壓通風量情況下2號瓦斯傳感器位置處YZ剖面的瓦斯濃度分布狀況得出，在負壓通風量為30 m3/min的情況下，12 min時2號瓦斯傳感器監測到的瓦斯濃度為3個負壓通風量下的最小值。這說明，停風37 s內較小的負壓通風量(5 m3/min)對瓦斯傳感器前期監測到瓦斯濃度超限的延緩作用效果最好。即掘進巷道若能在37 s內恢復正常通風，采用較小的負壓通風量進行臨時通風，便可滿足瓦斯傳感器不會發出超限報警。停風超過37 s，較大的負壓通風量(>5 m3/min)對瓦斯傳感器后期監測到瓦斯濃度超過5%的延緩作用效果最好，但不能避免瓦斯傳感器發出超限報警。

圖6 1，2號瓦斯傳感器監測到各瓦斯濃度值的時間對比Fig.6 Time comparison of gas concentration values detected by No.1 gas sensor and No.2 gas sensor

通過繪制掘進巷道在20，200 s時各負壓通風量情況下流線及流速的具體情況，對負壓通風量在5,15 m3/min情況下瓦斯傳感器報警時間的延緩效果最好這一現象進行詳細分析。20，200 s時不同負壓通風量情況下掘進巷道內的流線及流速分布狀況如圖7～8所示。由圖7可得，與其他負壓通風量相比，負壓通風量為5 m3/min時，掘進巷道前期的主要湍流漩渦位于掘進頭與瓦斯抽采管路之間，負壓通風延緩瓦斯濃度升高的主要作用區域為掘進頭附近，而掘進巷道中60%的瓦斯來源于掘進頭，因而此時1號瓦斯傳感器監測到瓦斯濃度預警、超限時間的延緩效果最好。由圖8可知，與其他負壓通風量相比，負壓通風量為15 m3/min時，掘進頭大部分涌出的瓦斯在未流動到達2號瓦斯傳感器位置之前便會再次改變流動方向，向瓦斯抽采管路末端的負壓通風口處流動，因而此時2號瓦斯傳感器監測到瓦斯濃度預警、超限時間的延緩效果最好。

圖7 20 s時不同負壓通風量情況下掘進巷道內的流線及流速分布狀況Fig.7 Distribution of streamlines and velocity in excavation roadway under different negative pressure ventilation conditions at 20 s

圖8 200 s時不同負壓通風量情況下掘進巷道內的流線及流速分布狀況Fig.8 Distribution of streamlines and velocity in excavation roadway under different negative pressure ventilation conditions at 200 s

2.4 不同負壓通風量情況下掘進巷道整體空間的瓦斯濃度分布規律

以未負壓通風情況下掘進巷道整體空間的瓦斯濃度達到0.8%，1%，5% 3個代表性瓦斯濃度值及對應的時間(345，354，692 s)作為參照，對3種不同負壓通風量情況下掘進巷道整體空間的瓦斯濃度分布狀況進行對比分析。代表性瓦斯濃度值為0.8%，1%，5%時，不同負壓通風量情況下掘進巷道整體空間的瓦斯濃度分布狀況如圖9～11所示，其中，圖例數值為1的區域表示其瓦斯濃度超過相應的代表性瓦斯濃度值，圖例數值小于1的區域表示其瓦斯濃度低于相應的代表性瓦斯濃度值。

圖9 不同負壓通風量情況下掘進巷道在345 s時瓦斯濃度超過0.8%的區域分布狀況Fig.9 Regional distribution of excavation roadway with gas concentration exceeding 0.8% at 345 s under different negative pressure ventilation conditions

圖10 不同負壓通風量情況下掘進巷道在354 s時瓦斯濃度超過1%的區域分布狀況Fig.10 Regional distribution of excavation roadway with gas concentration exceeding 1% at 354 s under different negative pressure ventilation conditions

由圖9～10可得，掘進巷道在未負壓通風條件下整體空間瓦斯濃度達到0.8%，1%時，存在負壓通風的掘進巷道內瓦斯濃度小于0.8%，1%的空間主要位于自掘進巷道入口至掘進頭方向，巷道的中下部區域。由圖11可得，掘進巷道在未負壓通風條件下整體空間瓦斯濃度達到5%時，存在負壓通風的掘進巷道內瓦斯濃度大于等于5%的空間主要位于掘進頭附近，巷道的上部區域。由圖9～圖11對比分析可得，在負壓通風量一定的情況下，掘進巷道內負壓通風的時間越長，延緩瓦斯濃度升高的效果越顯著；同一時間掘進巷道整體空間的瓦斯濃度與負壓通風量、負壓通風時間呈負相關。這說明，掘進巷道在停風超過37 s仍不能恢復正常通風，不能避免瓦斯傳感器發出超限報警的情況下，應保證采用較大的負壓通風量(>5 m3/min)進行臨時通風，以延緩掘進巷道整體空間瓦斯濃度的不斷升高。

圖11 不同負壓通風量情況下掘進巷道在692 s時瓦斯濃度超過5%的區域分布狀況Fig.11 Regional distribution of excavation roadway with gas concentration exceeding 5% at 692 s under different negative pressure ventilation conditions

3 結論

1)掘進巷道在停風24 s時，瓦斯傳感器就會發出超限報警；接近12 min時，掘進頭臨近區域整體空間的瓦斯濃度就會達到瓦斯爆炸下限，極易發生瓦斯爆炸事故。

2)利用掘進巷道內瓦斯抽采管路實現臨時抽出式通風是掘進巷道停風期間的1種有效的預防瓦斯超限的應急處置技術，其具有操作快捷簡單、成本低、可靠性高、應急響應速度快、適用性強等優點。

3)同一時間掘進巷道整體空間的瓦斯濃度與負壓通風量、負壓通風時間呈負相關。負壓通風量的大小應根據生產現場的實際狀況及需求進行確定。掘進巷道若能在37 s內恢復正常通風，采用較小的負壓通風量(5 m3/min)進行臨時通風即可滿足瓦斯傳感器不會發出超限報警；掘進巷道若超過37 s仍不能恢復正常通風，則應保證采用較大的負壓通風量(>5 m3/min)進行臨時通風，盡量延緩掘進巷道整體空間瓦斯濃度的不斷升高。