炮掘巷道内CO超限规律及控制对策_胡洋.pdf

青青年年论论坛坛 炮掘巷道内 CO 超限规律及控制对策 胡洋，康怀宇，朱建芳 华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601 ［ 摘 要］为了彻底解决炮掘巷道内放炮后发生的炮烟熏人事故，确定放炮后爆破人员再次进 入工作面作业的安全时间。针对西山煤电屯兰矿一段正在掘进的巷道内 CO 超限规律进行了较为详细 的试验研究。通过改变几组试验条件，得到放炮后巷道内几个观测点处的 CO 浓度走时规律以及 CO 浓度超限的时间分布规律，并在此基础上建立放炮后爆破人员再次进入工作面安全时间的计算模型， 定性给出了巷道内降低 CO 浓度的几点有效措施，对煤矿安全生产均起到了至关重要的作用。 ［ 关键词］超限规律; 控制对策; 安全时间; 事故预防 ［ 中图分类号］ TD711［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201506- 0119- 04 CO Overrun Rule and Control Countermeasures in Blasting Driving Roadway HU Yang，KANG Huai- yu，ZHU Jian- fang Hebei Provincial Key Laboratory of Mine Disaster Prevention，North China Institute of Science ＆ Technology，Beijing 101601，China Abstract In order to confirm safety time of personnel entering driving face after blasting for avoiding poisoning disaster，A test of CO overrun rule was made in a driving roadway of Tunlan Colliery. By changing test conditions，the CO concentration variation and overrun distribution rule was obtained. On the basis of this，a calculation model of safety time of personnel entering driving face was set up. Countermeasures for reducing CO concentration in roadway were put forward which had important significance for safety mining. Keywords overrun rule; control countermeasure; safety time; disaster prevention ［ 收稿日期］ 2015－04－30［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 06. 032 ［ 基金项目］ 中央高校基本科研业务基金资助项目 AQ2013A01 ;华北科技学院煤矿火灾防治新材料及应用技术研究创新团队项目 3142015021 ［ 作者简介］ 胡洋 1979－ ，男，辽宁沈阳人，讲师，从事矿井瓦斯防治工作。 ［ 引用格式］ 胡洋，康怀宇，朱建芳 . 炮掘巷道内 CO 超限规律及控制对策 ［J］ . 煤矿开采，2015，20 6 119－122. 炮掘巷道爆破后产生的有毒有害气团，一部分 直接进入巷道中，与空气相混合，一部分进入巷道 内的破碎矿岩中，还有一部分在爆炸压力作用下被 挤入矿岩裂缝中 ［1－3 ］。随着采矿生产的进行，后两 部分最终将排至井下空气中，这些有毒有害气体均 是造成炮烟熏人事故的直接原因。而煤矿井下掘进 工作面环境十分恶劣，有时巷道长度超过 1000m， 并且巷道存在一定的坡度。当发生炮烟熏人事故 时，事故人员无法及时脱离危险区域得到有效救 治，因此造成了不可挽回的损失。所以，炮掘巷道 爆破作业后 CO 浓度分布规律以及确定工人可以再 次返回工作面作业的安全时间问题成为学者们研究 的重点内容 ［4－7 ］，而本文的工作正是围绕这一问题 展开的。 1试验现场条件概述 1. 1巷道掘进情况概述 本文试验所选用的巷道位于西山煤电屯兰矿南 五盘区的 12501 工作面低位抽采巷，北西为 12501 掘进运煤措施巷，北东为 12501 高抽巷，南西为已 回采的 12503 工作面，南东为 12501 胶带巷。巷道 均为沿 4 号煤层顶板掘进的回采巷道。12501 低位 抽采巷的施工长度 1653. 495m，开口沿 2 号煤顶板 施工 35m 后以－10坡施工，见 4 号煤后沿 4 号煤 顶板施工。掘进工作面位于南五盘区，巷道呈矩形 断面。12501 低位抽采巷净宽 4m，净高为 3. 0m; 断面面积为 12m2，沿 4 号煤层顶板掘进。 1. 2试验观测点的位置 试验进行过程中，12501 工作面已经掘进 800m，巷道倾斜角度 3～10，根据试验需要及现 场条件，本次试验共选择了巷道的 4 个断面，每个 断面上布置 1～2 个测试点，测试点均布置在回风 流中，4 个断面选择为距掘进工作面迎头 25m， 180m，476m 和距离回风口 12m 处。具体传感器布 置如图 1 所示。 1. 3试验条件 3 组不同试验条件如表 1 所示。表 1 中第 1 组 试验条件是爆破作业规程中的标准条件，即风量与 炸药量刚好符合要求 ［8 ］; 第2 组试验条件的特点是 风量与标准条件相同，一次起爆的炸药量略少; 第 911 第 20 卷 第 6 期 总第 127 期 2015 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 6 Series No. 127 December2015 ChaoXing 图 1试验中传感器位置布置 3 组试验条件的特点是一次起爆的炸药量与标准条 件相同，而通风量是标准条件的 1. 38 倍。 表 1 3 组不同试验条件 序号 风量/ m3 min －1 炸药 种类 药量/ kg 封孔 方式 起爆 方式 测点 数量 工况 1470 工况 2470 工况 3650 三级煤矿 许用乳化 炸药 18. 8 18. 3 18. 8 水泡泥 正向 起爆 5 5 5 2试验数据分析 2. 1不同观测点的浓度到时曲线 3 种不同工况条件下各观测点的 CO 浓度随时 间变化曲线如图 2～6 所示。 图 2观测点 1 的 CO 浓度时间曲线 图 3观测点 2 的 CO 浓度时间曲线 图 4观测点 3 的 CO 浓度时间曲线 以图 2 为例，对观测点 1 在 3 种工况条件下进 行分析，可得到如下结论 图 5观测点 4 的 CO 浓度时间曲线 图 6观测点 5 的 CO 浓度时间曲线 1工况 1 和工况 2 的风量是相同的，工况 1 的炸药量略大于工况 2，风量相同意味着推动含 CO 混合气团运动的动力近似相同，因此两种情况 下观测点 1 峰值出现的时间相同，均在放炮后 62s 这个时刻。由于工况 1 的炸药量略大于工况 2，因 此生成的 CO 量较多，所以峰值也较高，在观测点 1 处工况 1 的超限峰值为 34810 －6 ，工况 2 的峰值 为 32510 －6 。 2工况 1 和工况 3 的炸药量是相同的，工 况 3 的风量大于工况 1，风量大意味着推动含 CO 混合气团的动力就大，气团运动速度就快，因此工 况 3 达到超限峰值的时间要快于工况 1 和工况 2， 从试验数据来看，这个时间为 19s。工况 1 和工况 3 的炸药量相同，意味着 CO 浓度峰值应该相 同 ［9 ］，但是试验数据却显示工况3 的超限峰值比工 况 1 低了很多，甚至比工况 2 还要低，这个现象可 以由含 CO 混合气团运动模型来解释 ［10 ］，风量在 推动含 CO 混合气团发生平移运动的同时还会增加 气团在轴向和横向的扩散速率，因此出现了上面的 试验现象。 图 3 至图 6 分别给出了观测点 2 至观测点 5 在 3 种不同工况下 CO 浓度随时间变化的曲线，可以 看出几组试验曲线非常相似，爆破后炮掘巷道内 CO 浓度的变化规律仍然符合上述 2 点结论。 除此之外，从图 2 至图 6 中还可以看出，炮掘 巷道放炮后 CO 浓度的最高值出现在巷道中距工作 面 25m 左右，25～200m 内 CO 浓度峰值随距离增 加而减小，峰值衰减很快，呈现指数衰减规律; 在 200～800m 之间，CO 浓度峰值始终趋于稳定，浓 度在 120～130 10－6 之间。而本次试验的最后 021 总第 127 期煤矿开采2015 年第 6 期 ChaoXing 一个测点是在距掘进工作面约 800m 处，在这个测 点前包括这个测点，CO 浓度峰值曲线并没有出现 明显的下降趋势或拐点，这个平稳的 CO 浓度峰值 曲线似乎可以外推到足够远处。由这一现象又可得 出下述 2 点结论 1掘进工作面爆破作业后，炮掘巷道内出 现 CO 浓度超限是必然现象，与掘进工作面的通风 量和巷道长度没有关系，仅与炸药本身的特性有 关。因此，用增大掘进工作面通风量的方法来消除 爆破后掘进巷道 CO 浓度超限的现象是不可能实现 的，风量增加只会加快气团的运动速度。 2降低混合气团中 CO 的浓度，直接向气团 中掺入新鲜风流比增加推动气团运移的风量效果更 好。因此，建议采用分段通风的方式来降低巷道内 CO 浓度超限的问题。 2. 2不同位置 CO 浓度随时间分布 图 7 的 3 条试验曲线清晰显示出如下规律 图 7工况 1 时 CO 运移时间曲线 1掘进工作面放炮后沿巷道轴线方向不同 断面上开始出现 CO 气体的时间，与该巷道断面距 工作面的距离呈现近似的线性关系。 2掘进工作面放炮后沿巷道轴线方向不同 断面上 CO 浓度降低到某一特定值的时间，也与该 巷道断面距工作面的距离呈现同样近似的线性关 系。 3掘进巷道轴线方向不同断面上开始出现 CO 的时间曲线与 CO 浓度降低到某一特定数值的 时间曲线，不仅均近似为直线，而且 2 条直线近似 平行。这是关于 CO 气团在巷道风流中运移过程非 常具有价值的结论。 图 8 为工况 1 时 CO 超限时长分布图。根据图 8 可知，各测点 CO 浓度超过 2410 －6 的时间长度 为 10 ～ 15. 4min，超过 100 10 －6 时间长度为 3 ～ 5min，掘 进 巷 道 的 任 何 断 面 处 都 会 出 现 10 ～ 15. 4min 的 CO 浓度超过2410 －6 的现象。同理，掘 进巷道的任何断面处都会出现 3～5min 的 CO 浓度 超过 10010 －6 的现象。掘进工作面风流，爆破后 经过 10～15. 4min 的时间，CO 浓度就低于 2410 －6 了，符合 煤矿安全规程对作业环境的规定要 求。也就是说，爆破后经过 10 ～ 15. 4min 的时间， 人员就可以再次进入工作面作业了。而在巷道内行 走，进入掘进工作面的过程中，是否会经过 CO 浓 度超过 2410 －6 的区域，这正是下面要研究回答的 安全时间问题。 图 8工况 1 时 CO 超限时长分布 3安全时间的计算模型 从图 8 分析可知，假设放炮后作业人员从距离 放炮作业工作面 100m 处的硐室或者联络巷进入该 掘进工作面，按照作业规程规定的巷道可以施工最 高 CO 允许浓度为 2410 －6 的要求，开始进入掘进 巷道的时间应该是放炮后 CO 到达的时间，约 2. 377min，与该断面处 CO 浓度超过 2410 －6 的持 续时间约 15. 4min 之和，即放炮后作业人员从距离 放炮作业工作面 100m 处进入该掘进工作面的开始 时间为 18min。经过数学推导，可得出如下 2 个近 似计算公式作为爆破作业人员放炮后再次进入工作 面作业的安全时间判据。 在标准试验条件下 Tj 0. 0317L 14. 607 1 在非标准试验条件下 Tj 0. 0317L － 0. 793 C 2 式中，Tj为爆破后距工作面 L m 位置处，爆破 作业人员可以开始再次进入炮掘巷道的安全时间， min; L 为爆破作业人员放炮后再次进入炮掘巷道 入口处距掘进工作面的距离，m; C 为爆破作业人 员进入炮掘巷道入口处的 CO 浓度等于或超过 24 10 －6 的最长持续时间，min。 在公式 1和 2推导过程中假定了当测 试系统启动时，L 25m，实际上按照炮烟抛掷理 论公式计算 ［8 ］，此时，L15G/5 18. 76m，而不 是计算模型中的 25m，因为在试验中放炮时间是爆 破作业人员在井下记录的，数据采集过程则是监测 系统自动记录的，没有办法统一起来，因此模型中 把第 1 个测点，即到工作面 25m 的距离看成是炮 121 胡洋等 炮掘巷道内 CO 超限规律及控制对策2015 年第 6 期 ChaoXing 烟抛掷距离了，这样出现了一点很小的误差，造成 测点 1 到测点 3 的直线方程斜率比测点 1 与其他观 测点构建线性方程的斜率偏大，计算出来的 CO 到 达时间也更迟了一点，不过从爆破作业人员的安全 角度考虑是有重大意义的。 4结论 本文的研究目的在于解决放炮后巷道内 CO 超 限而造成炮烟熏人这一热点问题。通过试验的方法 总结了巷道内 CO 气团的运移规律，并且定量地给 出了放炮后爆破作业人员再次返回工作面作业的安 全时间计算方法。这些研究成果为煤矿安全生产提 供合理的理论依据。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 李敬民 . 煤矿井下爆破气体的危害及其预防 ［J］ . 华北科技 学院学报，2005 2 34－36. ［ 2］ 王坚 . 爆破有毒烟雾的预测 ［J］ . 世界采矿快报，1992 7 10－11. ［ 3］ 王英敏 . 矿井通风与防尘 ［M］ . 北京冶金工业出版社， 1993. ［ 4］ 王晓珍，蒋仲安，王善文，等 . 煤巷掘进过程中粉尘浓度分 布规律的数值模拟 ［J］ . 煤炭学报，2007，32 4 386－ 390. ［ 5］ 丁信伟，王淑兰，徐国庆 . 可燃及毒性气体泄漏扩散研究综 述 ［ J］ . 化学工业与工程，1999，2 16 118－122. ［ 6］ 李学军 . 化学毒性气体事故泄漏扩散的数值模拟及评价 ［J］ . 山东化工，2003，32 3 21－27. ［ 7］ 王文娟，刘剑锋 . 危险气体泄漏扩散数学模拟研究 ［J］ . 工 业安全与环保，2006，32 11 23－25. ［ 8］ 王继峰 . 爆破掘进工作面千克炸药需风量初探 ［J］ . 煤矿爆 破，2006 4 4－7. ［ 9］ 赵晓丽，王继峰 . 炸药爆炸产生有毒气体的原因及其防治 ［ J］ . 煤矿爆破，2007 2 23－26. ［ 10］ 梁冰 . 采场风流流动瓦斯浓度分布规律的研究 ［D］ . 阜 新 辽宁工程技术大学，2000.［责任编辑 邹正立］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 96 页 ［ 4］ 原国政 . 矿压监测在顶板安全管理中的应用 ［ J］ . 煤炭工程， 2006，38 12 54－55. ［ 5］ 姜福兴，曲效成，于正兴，等 . 冲击地压实时监测预警技术 及发展趋势 ［J］ . 煤炭科学技术，2011，39 2 54－64. ［ 6］ 邹德蕴，刘志刚，姚树阳 . 采场矿压监测与数据信息融合技 术应用研究 ［J］ . 煤炭科学技术，2011，39 8 15－18. ［ 7］ 付东波，徐刚，毛德兵，等 . 采煤工作面顶板灾害监测系 统的应用 ［J］ . 煤矿开采，2012，17 6 82－85. ［ 8］ 尹希文，张会军，卢振龙 . 煤矿顶板灾害监测预警平台的研 究与应用 ［ A］ . 全国煤炭行业两化深度融合型智能矿山现场 会议论文集 ［ C］ . 2014. ［ 9］ 安泽，张江云 . 煤矿综采工作面顶板灾害预警指标及应用 研究 ［J］ . 煤炭科学技术，2015，43 5 37－41. ［ 10］ 付东波 . 基于 CAN 总线的矿山压力监测远程传输解决方案 ［J］ . 煤矿开采，2010，15 4 121－124. ［责任编辑 潘俊锋］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 107 页 工作面在开采前及过程中，采用顺层钻孔预抽本煤 层瓦斯、采空区埋管抽采采空区瓦斯、高抽巷及穿 层钻孔抽采采空区裂缝带及上邻近层卸压瓦斯。各 抽采措施的对比表明高抽巷的瓦斯抽采效果最好， 浓度是顺层钻孔的 3 倍左右，纯量远高于顺层钻孔 和采空区埋管的抽采纯量。 2对高变质低透气性煤层，穿层钻孔的抽 采困难较多。高抽巷是五轮山煤矿低渗透高变质煤 层的最佳瓦斯治理措施，配合工作面顺层钻孔抽采 瓦斯，能够解决该种煤层的瓦斯超限问题。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 熊孟辉，秦勇 . 五轮山矿区煤层气赋存规律及其资源潜力 ［J］ . 中国煤层气，2007 3 38－42. ［ 2］ 朱炎铭，赵洪，闫庆磊，等 . 贵州五轮山井田构造演化与 煤层气成藏 ［J］ . 中国煤炭地质，2008 10 38－41. ［ 3］ 毕德纯，张树江，任玉贵 . 采空区及上隅角瓦斯抽放效果分 析 ［J］ . 煤矿安全，2007，38 11 13－15. ［ 4］ 吴疆 . 贵州某煤矿瓦斯预抽效果分析 ［J］ . 煤炭技术， 2009，29 10 102－103. ［ 5］ 陈锐 . 提高突出煤层预抽瓦斯效果的途径 ［J］ . 煤炭工程 师，1990 5 1－7. ［ 6］ 孙丽娟 . 不同煤阶软硬煤的吸附－解吸规律及应用 ［D］ . 北 京 中国矿业大学 北京 ，2013. ［ 7］ 于明科 . 无烟煤瓦斯解吸特征及矿井防突应用研究 ［D］ . 西 安 西安科技大学，2013. ［ 8］ 郭立稳，王月红，张九零，等 . 低阶烟煤对 CO 的吸附特性及 影响因素 ［ J］ . 中国矿业大学学报，2008，37 6 763－ 768. ［ 9］ 许满贵，林海飞，李树刚，等 . 钻孔预抽煤层瓦斯影响规律 研究 ［J］ . 矿业安全与环保，2010，37 5 1－3，10. ［ 10］ 贾亚杰 . 煤巷条带穿层割缝钻孔布置优化及应用 ［D］ . 重 庆 重庆大学，2013. ［ 11］潘霄 . 高瓦斯厚煤层采空区瓦斯抽采技术研究 ［D］ . 阜 新 辽宁工程技术大学，2011. ［ 12］ 何磊，田伟，刘 营 . 高抽巷位置对瓦斯抽采效果的数 值模拟 ［ J］ . 能源技术与管理，2014，39 4 26－28. ［ 13］ 李一波，郑万成，王凤双 . 顶板走向高抽巷瓦斯抽采效果分 析 ［ J］ . 矿业安全与环保，2013，40 3 74－76. ［责任编辑 施红霞］ 221 总第 127 期煤矿开采2015 年第 6 期 ChaoXing