掘進(jìn)巷道瓦斯涌出規(guī)律及通風(fēng)機(jī)參數(shù)優(yōu)選①

李連坡

(棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司通巷二區(qū),山東微山 277642)

掘進(jìn)巷道瓦斯涌出規(guī)律及通風(fēng)機(jī)參數(shù)優(yōu)選①

李連坡②

(棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司通巷二區(qū),山東微山 277642)

利用巷道測(cè)定法對(duì)新安煤礦3上201運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間煤壁和落煤瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并通過理論分析建立了掘進(jìn)煤巷瓦斯涌出量與巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度和掘進(jìn)速度的關(guān)系式,測(cè)定了煤巷瓦斯排放極限長(zhǎng)度并據(jù)此計(jì)算出掘進(jìn)巷道在掘進(jìn)過程中的最大瓦斯涌出量,進(jìn)而確定了巷道最大需風(fēng)量,以此為依據(jù)進(jìn)行了巷道局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)參數(shù)的優(yōu)選。

掘進(jìn)煤巷;瓦斯涌出;通風(fēng)參數(shù)

0 引言

礦井瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要危險(xiǎn)因素之一,是煤礦“一通三防”工作的重點(diǎn),瓦斯涌出量是礦井通風(fēng)管理的主要指標(biāo)。掘進(jìn)通風(fēng)是礦井通風(fēng)的一個(gè)重要組成部分,掘進(jìn)通風(fēng)的目的是沖淡并排除井巷掘進(jìn)時(shí)的有害氣體和礦塵,并提供良好的氣候條件。掘進(jìn)通風(fēng)的特點(diǎn)在于井巷獨(dú)頭部分不能形成循環(huán)風(fēng)流,必須采用導(dǎo)風(fēng)設(shè)施,使新鮮風(fēng)流與污濁風(fēng)流隔開,且多數(shù)需要專門的動(dòng)力設(shè)備,因而通風(fēng)管理比較困難。隨著礦井機(jī)械化程度的提高,長(zhǎng)走向采煤工作面的普及和推廣,高瓦斯、長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的通風(fēng)管理已經(jīng)成為局部通風(fēng)的主要工作。

1 掘進(jìn)煤巷瓦斯涌出規(guī)律

1.1 綜掘煤巷瓦斯涌出特征

瓦斯預(yù)測(cè)是瓦斯防治的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。由于機(jī)械化掘進(jìn)強(qiáng)度大、速度快,綜掘工作面瓦斯涌出獨(dú)具特征,其主要體現(xiàn)在：

1)與炮掘工作面相比,掘進(jìn)速度加快,絕對(duì)瓦斯涌出量增大。由于綜掘與炮掘工藝不同,前者比后者掘進(jìn)速度快得多,煤層瓦斯釋放速度加快,而稀釋的時(shí)間又不像炮掘那樣充分,因此,工作面絕對(duì)瓦斯涌出量明顯增加。

2)瓦斯涌出的不均勻性相對(duì)減小。綜掘工作面的綜掘工序有明顯的連續(xù)性,瓦斯涌出量盡管有波動(dòng),但與炮掘工作面相比,不均勻性相對(duì)下降。

3)相對(duì)瓦斯涌出量減小。綜掘工作面掘進(jìn)速度快,落煤與運(yùn)煤基本是流水線,加之機(jī)械落煤的粒度分布均勻,使存在于落煤中的吸附瓦斯未待充分解吸就隨著運(yùn)輸機(jī)很快地被運(yùn)出工作面,使煤產(chǎn)量增加的倍數(shù)大于瓦斯涌出量增加的倍數(shù)。

4)絕對(duì)瓦斯涌出量增大。由于綜掘工作面機(jī)械設(shè)備較多,人員相對(duì)也多,空間小;而掘進(jìn)速度加快,落煤量增加,絕對(duì)瓦斯涌出量相應(yīng)增大。

1.2 掘進(jìn)巷道瓦斯涌出組成

掘進(jìn)煤巷的瓦斯涌出主要來源于煤壁瓦斯和落煤瓦斯,其中煤壁瓦斯包括：巷道煤壁涌出瓦斯和迎頭煤壁涌出瓦斯。

1)煤壁瓦斯涌出規(guī)律。掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大小主要取決于煤壁的瓦斯涌出強(qiáng)度,通常以每平方米煤壁單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量來表示煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度。

煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度的大小取決于煤層的瓦斯壓力、煤層的空隙和裂隙結(jié)構(gòu)、煤對(duì)瓦斯的吸附性能以及空間條件。當(dāng)其它條件不變時(shí),煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度是暴露時(shí)間的函數(shù),可用下式表示：

式中,V1——煤壁經(jīng)過1+t時(shí)間后,單位面積內(nèi)瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/m2·d;V0——煤壁在t=0時(shí)的瓦斯解吸強(qiáng)度,m3/m2·d;t——排放瓦斯時(shí)間,d;α——瓦斯解吸強(qiáng)度衰減系數(shù)。

2)落煤瓦斯涌出規(guī)律。掘進(jìn)巷道的另一部分瓦斯來源是從落煤中涌出的,不同粒度煤的瓦斯放散速度是不同的,粒度越小,瓦斯放散速度越快;粒度越大,瓦斯放散速度越慢。落煤瓦斯涌出規(guī)律可用下式表示：

式中,V1——單位質(zhì)量煤體經(jīng)過1+t時(shí)間后的瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/t·min;V0——采落煤在t=0時(shí)的瓦斯解吸強(qiáng)度,m3/t·min;t——落煤暴露時(shí)間,min;β——瓦斯解吸強(qiáng)度衰減系數(shù)。

2 掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量測(cè)定與計(jì)算

2.1 煤壁瓦斯涌出量測(cè)定

在巷道開挖和掘進(jìn)過程中,巷道周圍煤體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,形成卸壓帶,在煤層卸壓帶內(nèi),煤體被壓裂破碎,形成大量裂隙,煤體的滲透性能增大,瓦斯壓力平衡狀態(tài)也被破壞,在壓力梯度的作用下,煤體內(nèi)部的瓦斯向巷道空間涌出,隨著煤壁暴露時(shí)間的增長(zhǎng),瓦斯涌出量逐漸降低,為研究煤壁瓦斯涌出量同時(shí)間的關(guān)系,采用巷道測(cè)定法對(duì)3上201掘進(jìn)煤巷煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定。沿巷道每隔一定的距離設(shè)置測(cè)點(diǎn),定期測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量和瓦斯?jié)舛?然后根據(jù)各測(cè)段巷道長(zhǎng)度、暴露時(shí)間等計(jì)算單位時(shí)間單位長(zhǎng)度巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度qt。實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 掘進(jìn)煤巷瓦斯涌出規(guī)律測(cè)定結(jié)果

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)繪制瓦斯涌出強(qiáng)度qt和暴露時(shí)間t的關(guān)系曲線,見圖1：

圖1 煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間關(guān)系曲線

由圖1可以看出,煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度qt和暴露時(shí)間t近似呈雙曲線關(guān)系。qt和t的關(guān)系可用如下公式表示：

式中,qt——經(jīng)過時(shí)間t后煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度, m3/min·m;q0——初始煤壁瓦斯涌出系數(shù),m3/ min·m;t——煤壁暴露時(shí)間,d;α——煤壁瓦斯衰減系數(shù),d-1。

采用回歸分析對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得q0= 0.367,α=1.08。則巷道煤壁瓦斯涌出規(guī)律為：

將式(3)中t用l/v代替,則式(3)變?yōu)椋?/p>

式中,l——巷道長(zhǎng)度,m;v——掘進(jìn)速度,m/d。

根據(jù)式(5),在微小長(zhǎng)度dl內(nèi),瓦斯涌出強(qiáng)度可用如下微分方程表示：

令Q1為巷道掘進(jìn)lm后的總瓦斯涌出量,單位是m3/min,則有：

式(8)即為煤壁瓦斯涌出規(guī)律。

2.2 落煤瓦斯涌出量計(jì)算

掘進(jìn)巷道中瓦斯涌出的另一個(gè)重要來源是落煤瓦斯涌出,落煤瓦斯涌出可按下式計(jì)算：

式中,Q2——落煤瓦斯涌出量,m3/min;b——巷道寬度,m;h——每層厚度,m;w0,w1——分別為煤層的原始瓦斯含量與剩余瓦斯含量,m3/m3。根據(jù)實(shí)際情況,將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入式(9)得：

2.3 掘進(jìn)巷道總的瓦斯涌出量

掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量包括煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量?jī)刹糠种?即由式(8)和式(10)可得巷道總的瓦斯涌出規(guī)律為：

Q——巷道總瓦斯涌出量,m3/min。

3 瓦斯排放極限長(zhǎng)度與最大瓦斯涌出量

巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減,當(dāng)煤壁暴露一定時(shí)間以后可以認(rèn)為瓦斯不再涌出,即巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí),巷道瓦斯涌出量保持最大值,此掘進(jìn)長(zhǎng)度即為瓦斯排放極限長(zhǎng)度。瓦斯排放極限長(zhǎng)度采用如下方法測(cè)得：從掘進(jìn)工作面起沿巷道長(zhǎng)度逐點(diǎn)檢查瓦斯涌出量,其值不再增高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度即為極限長(zhǎng)度。此次觀測(cè)到距迎頭1050m時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)瓦斯值不再增高點(diǎn),此時(shí)瓦斯涌出強(qiáng)度為0.0006m3/min·m,則認(rèn)為還沒有達(dá)到瓦斯排放極限長(zhǎng)度。現(xiàn)采用工程精度判斷瓦斯排放極限長(zhǎng)度。

根據(jù)測(cè)值的不同測(cè)段單位面積單位時(shí)間的瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果,選取其中最大和最小值,求出其比例關(guān)系為：0.0006/0.093=0.6%,0.6%可以說明暴露時(shí)間的測(cè)點(diǎn)間的煤壁單位時(shí)間單位面積的瓦斯涌出能力相對(duì)于暴露時(shí)間較短的煤壁,其值已經(jīng)比較小。雖然沒有達(dá)到理論上的瓦斯排放極限,但如果能夠滿足人為設(shè)定1%的工程要求,則可以近似認(rèn)為其代表的暴露時(shí)間已達(dá)到瓦斯排放極限。即可認(rèn)為瓦斯排放極限長(zhǎng)度為1050m。則根據(jù)式(11)計(jì)算可得3上201掘進(jìn)煤巷最大瓦斯涌出量為：

4 局部通風(fēng)機(jī)參數(shù)優(yōu)選

瓦斯涌出巷道所需風(fēng)量的計(jì)算公式為：

式中,Qx——按瓦斯計(jì)算掘進(jìn)巷道需風(fēng)量,m3/ min;Qmax——掘進(jìn)巷道平均瓦斯涌出量,m3/min; Cp——掘進(jìn)井巷回風(fēng)流內(nèi)瓦斯允許濃度,按體積計(jì)算,%,取值為1;Ci——掘進(jìn)井巷進(jìn)風(fēng)流內(nèi)濃度,%,取值為0;K——瓦斯涌出不均勻系數(shù),一般取1.2～1.5,現(xiàn)取1.4。

根據(jù)式(12)計(jì)算最大需風(fēng)量為1147m3/min。

局部扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量由(14)式確定：

式中,Qa——局扇吸入風(fēng)量,m3/min;Pe——有效風(fēng)量率,取80%。

則根據(jù)(13)計(jì)算出最大需風(fēng)量下的局扇風(fēng)量為：Qa=1147/0.8=1434m3/min

5 結(jié)論

1)通過實(shí)測(cè)3上201掘進(jìn)巷道煤壁和落煤的瓦斯涌出規(guī)律,建立了掘進(jìn)煤巷瓦斯涌出量與巷道長(zhǎng)度、掘進(jìn)速度的關(guān)系公式,可以看出,煤壁瓦斯涌出量占巷道總瓦斯涌出量的絕大部分,在掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)暴露煤壁的封閉,以減少瓦斯涌出。

2)測(cè)定并計(jì)算了3上201掘進(jìn)煤巷瓦斯排放極限長(zhǎng)度,并根據(jù)巷道瓦斯涌出公式計(jì)算了巷道最大瓦斯涌出量,依次計(jì)算出巷道最大需風(fēng)量和局扇所需供風(fēng)量,為保證安全生產(chǎn),合理優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)提供依據(jù)。

[1] 于不凡.礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992

[3] 劉程,程云崗.煤巷機(jī)械化快速掘進(jìn)瓦斯涌出規(guī)律分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(2)：26-28

TD712+.53

A

1672-7169(2011)02-0016-03

2011-03-02

李連坡(1978-),男,山東濟(jì)寧人,新安煤礦通防技術(shù)工程師,從事煤礦通防安全技術(shù)與瓦斯治理方面工作。