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掘进巷道停风后瓦斯浓度分布规律探讨 朱红青1,周博潇1,张 彬1,常文杰2,郭 达2,刘宝东2 1 1 中国矿业大学 北京校区,北京 100083 ; 21 开滦集团有限责任公司,河北 唐山 063018 摘 要在巷道掘进中,因检修、停电等原因停风造成瓦斯积聚,巷道内的瓦斯浓度随时间推延沿 巷道径向分布不均匀。利用质量守恒定律,分析并从理论上推导出不同时期沿巷道径向瓦斯浓度的 分布规律,其研究结果有助于掘进巷道瓦斯的排放,有利于在掘进巷道瓦斯爆炸事故的调查中,为 分析爆炸事故瓦斯的积聚原因提供了理论支持。 关键词掘进巷道停风;质量守恒定律;瓦斯浓度;分布规律 中图分类号 TD712152 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2003 02 - 0048 - 03 Discussion on gas density distribution lawafter ventilation fan stopped in mine excavation roadway ZHU Hong2qing1, ZHOU Bo2xiao1, ZHANGBin1, CHANG Wen2jie2, GUO Da2, LIU Bao2dong2 11Beijing Campus ,University of Mining and Technology , Beijing 100083, China;21Kailuan Group Corp1Ltd1, Kailuan 063018, China Abstract During an excavation of mine roadway , ventilation stopped due to the maintenance or electric power shut off could cause gas accumulation in the mine roadway and the gas content in the mine roadway will be distributed unevenly along the mine roadway with the time passed1With the quality constant law , the paper analyzed and calculated the gas content distribution law along the mine roadway with the time passed from the theory1The research results will be favorable to the gas drainage from the mine roadway and favorable to the investigation of a gas explosion occurred in the mine roadway1The results also will be a theoretical support to analysis the gas accu2 mulation causes of a gas explosion1 Key words ventilation stopped in mine excavated roadway; quality constant law ; gas content ; distribution law 基金项目国家自然科学基金重点资助项目50134040 在巷道掘进,特别是煤巷掘进中,有时因检 修、停电等原因出现局部通风机停转而停风,造成 瓦斯积聚,当停风超过一定时间后,积聚的瓦斯浓 度将可能达到瓦斯爆炸上限,一旦处理不当,将引 起瓦斯爆炸。根据煤矿安全规程2001版 [1] 第141条规定,“局部通风机因故停止运转,在恢 复通风前,必须首先检查瓦斯,只有停风区中最高 瓦斯浓度不超过110 和最高二氧化碳浓度不超过 115 ,且符合本规程第一百二十九条开启局部通 风机的条件时,方可人工开启局部通风机,恢复正 常通风” 。 巷道掘进停风时,由于没有作业,瓦斯来源不 包含落煤涌出的瓦斯,此时巷道中瓦斯涌出来源包 括巷道壁帮和掘进工作面。无疑,巷道内的瓦斯浓 度随着时间的推延而上升,且沿巷道径向瓦斯浓度 的分布不是均匀的,影响瓦斯浓度分布规律的因素 包括巷道壁帮和掘进工作面的瓦斯涌出量、巷道断 面积等。 此研究的目的是根据质量守恒定律,从理论上 分析并推导出,在掘进工作面停风的情况下,不同 时期沿巷道径向瓦斯浓度的分布规律,其研究结果 有助于掘进巷道瓦斯排放措施的制订,提高瓦斯排 放过程中的安全性;另一方面,在煤矿事故调查 中,特别是掘进巷道瓦斯爆炸事故中,为如何根据 煤层瓦斯涌出情况、瓦斯爆炸后现场勘察的信息, 分析爆炸事故瓦斯的积聚原因提供了强有力的理论 支持。 1 瓦斯浓度分布规律理论分析 影响掘进巷道瓦斯浓度分布规律的因素,主要 是巷壁瓦斯涌出量和断面积。由于影响掘进巷道瓦 斯涌出量的因素很多,要非常精确地计算出掘进巷 道的瓦斯涌出不仅十分困难,现场也难以应用,而 且往往没有必要,所以在能满足煤矿现场工程误差 84 第31卷第2期 煤 炭 科 学 技 术 2003年2月 的允许要求下,利用近似的计算方法计算瓦斯的涌 出。 以单巷掘进为例,对于全部切开煤层的水平巷 道,为了计算起见,把巷道瓦斯涌出源分为两个单 向流动,其中巷道帮壁的瓦斯涌出量为QT、掘进 工作面迎头的瓦斯涌出量为Qm,则沿巷道长度方 向煤壁的瓦斯涌出变化如图1[2]所示。 图1 巷道壁瓦斯涌出量变化示意 为了研究瓦斯浓度的分布规律,建立径向坐标 系,即沿巷道径向为轴,巷道长度l为坐标,O 为原点,如图2所示。在某一微元体积Δl A 内,以瓦斯量为研究分析对象,根据质量守恒定 律,从掘进工作面、巷道壁帮进入微元体积内的瓦 斯涌出量和从微元内逸出的瓦斯量,造成了微元体 积内瓦斯浓度的变化。 图2 掘进巷道停风时瓦斯积聚分析 为了简化分析,作如下假设 1瓦斯从巷壁涌出到微元中,瓦斯量和微元 内空气均匀混合;掘进巷道中,由掘进工作面到巷 道口的风流量单向。 2实际情况下的巷道壁帮瓦斯涌出量如图1 所示,在此假设巷道帮壁和掘进工作面瓦斯涌出在 时空上是均匀涌出。 由于在矿井整个通风系统中,掘进巷道口的风 压值不变,则由掘进巷道内进入外部通风系统的风 流量等于煤壁进入到掘进巷道的瓦斯涌出量。 由煤壁涌入微元内的瓦斯流量即等于由微元内 向外涌出的风量,可得在Δt时间段内,微元内的 瓦斯量满足质量守恒定律[3 ,4],即 QmΔt kΔlΔt c0AΔl - c QmΔt kΔlΔt cAΔl 1 式中 c 微元体积内的瓦斯浓度, ; c0 微元体积内的初始瓦斯浓度, ,且 c0 1; Qm 掘进工作面的瓦斯涌出量, m3/ min ; QT 巷道帮壁的瓦斯涌出量, m3/ min ; k 由巷道壁帮 ΔL内涌出的单位长度瓦 斯流量, m3/ min m ; A 巷道断面积, m; Δl 微元沿巷道方向的长度, m; Δt 时间, min。 由式1得 QmΔt kΔlΔt c0AΔl c QmΔt kΔlΔt AΔ l 2 将有限增量Δl和Δt用微分表示[5],可得 Qmdt kdldt c0Adl c Qmdt kdldt Ad l 3 对式3两边同时积分,可得 ∫ Qmdt κkdldt ∫c0Adl ∫ cQmdt κckdldt ∫cAdl 即 Qmt klt c0Al c Qmt klt Al 则沿巷道径向瓦斯浓度c的分布为 c Qmt klt c0Al Qmt klt Al 4 根据式4可知,瓦斯浓度c是时间t和巷 道长度l的函数。 2 瓦斯浓度随时间和巷道距离的变化规律 211 瓦斯浓度随时间的变化规律分析 为了研究某一点瓦斯浓度随时间的变化规律, 此时l为常数。 则式4可以变为 c t Qm kl c0Al t Qm kl Al t c0Al Qm kl t Al Qm kl 94 第31卷第2期 煤 炭 科 学 技 术 2003年2月 可得 c t c0k1 t k1 1- 1- c0 k 1 t k1 5 式中,k1 c0Al Qm kl 。 根据式5可知,c与t成正比关系,随着 时间延长,c越大,且c与t成反双曲线关系,双 曲线的原点在- 1,-k1,所以式5可变为 c - 1 t k1 - 1- c0 k 1 6 212 瓦斯浓度随巷道距离的变化规律 为了研究某一点瓦斯浓度随巷道距离的变化规 律,此时t为常数,则式4可以变为 c Qmt l kt c0 A Qmt l kt A Qmt lk2 Qmt lk3 7 式中,k2 kt c0A , k3 kt A。 由于c0 1 ,所以k2νk3,所以式7化 解为 c Qmt Qmt lk3 Qmt/ k3 l Qmt/ k3 8 根据式8可知,在某一时间点,c与L成 反比关系,随着L延长,c越小,且c与L成正 双曲线关系,双曲线的原点在0,-Qmt/ k3。 3 在事故调查中的应用 某矿系单一煤层,煤层厚度为4～6 m ,工作 面绝对瓦斯涌出量011 m3/ min ,相对瓦斯涌出量 6155 m3/ t ,煤尘爆炸指数为3114 ,自然发火期 6个月。 年 月,由于井下停电, 04掘进工 作面停风,造成瓦斯积聚,由于违规放炮,放炮火 焰引燃瓦斯,引起瓦斯爆炸。 在事故调查中,为了认定瓦斯来源及积聚原 因,经事故后经现场勘察, 04掘进巷道开门往里 40 m风筒完好,由此认定事故前04掘进工作面处 于停风状态,因而造成瓦斯积聚,停风时间为220 min ,由于爆炸点在5 m处,巷道实测断面412 m2,根据公式4进行简单计算,可知在爆炸点 处瓦斯浓度积聚爆炸浓度具备的5 所需要的时间 为128 min ,小于停风时间,说明巷壁瓦斯涌出完 全可以造成瓦斯爆炸所需的瓦斯浓度。 参考文献 [1] 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[ M].北京煤炭工 业出版社, 2001. 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