煤與瓦斯突出后上行風(fēng)巷道并聯(lián)支路的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)探討

馮玉鳳 吳則琪 周愛桃

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤與瓦斯突出后上行風(fēng)巷道并聯(lián)支路的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)探討

馮玉鳳 吳則琪 周愛桃

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

為了探究煤與瓦斯突出后在上行風(fēng)巷道引起并聯(lián)支路風(fēng)流逆流的影響因素，對礦井并聯(lián)上行風(fēng)巷道的模型進(jìn)行假設(shè)，并通過對巷道中空氣的受力分析，進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的推導(dǎo)，得出影響風(fēng)流逆轉(zhuǎn)發(fā)生時間的關(guān)系式。從式中得出影響風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的幾個因素，并從這些因素出發(fā)，提出礦井防止瓦斯致逆流的措施。

通風(fēng)系統(tǒng) 煤與瓦斯突出 風(fēng)流逆轉(zhuǎn)

煤與瓦斯突出是在極短時間內(nèi)向采掘工作面空間噴出大量煤與瓦斯流的現(xiàn)象，不僅摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，而且使附近區(qū)域的井巷全部充滿瓦斯和煤粉，以致煤流埋人，嚴(yán)重時還會造成煤塵和瓦斯的爆炸。煤礦發(fā)生突出后，瓦斯往往充滿巷道，造成位壓差，可能引起風(fēng)流紊亂，造成二次災(zāi)害。

目前，煤與瓦斯突出的發(fā)生機(jī)理尚未完全清楚，但已經(jīng)有國內(nèi)外專家普遍認(rèn)可的綜合作用假說存在。各種預(yù)測突出危險性的方法和各種防突措施的采用正逐步完善人們對突出的認(rèn)識。在數(shù)值模擬等手段的幫助下，很多專家對煤與瓦斯突出產(chǎn)生的沖擊波破壞進(jìn)行了研究，并取得了一定的成就。最近幾年，又有專家把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到突出后瓦斯運(yùn)移規(guī)律上來，通過數(shù)學(xué)分析、數(shù)值模擬、案例統(tǒng)計以及實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行了分析。但前人在這方面的研究仍然不夠全面，本文將在前人的基礎(chǔ)上探討在上行風(fēng)巷道中突出動力消失后瓦斯的流動規(guī)律。

1 發(fā)生瓦斯逆流的因素

1.1 發(fā)生瓦斯逆流的原因

當(dāng)發(fā)生煤與瓦斯突出后，根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)，往往突出地點(diǎn)附近巷道的瓦斯?jié)舛葧蝗辉龈?，甚至達(dá)到100%。如果該段巷道有一定傾角，原來的通風(fēng)方向又是由下向上的，那么與它并聯(lián)的巷道就可能會因?yàn)闅怏w密度不同產(chǎn)生自然風(fēng)壓，而發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致瓦斯從巷道頂端流入。并聯(lián)上行風(fēng)巷道網(wǎng)絡(luò)圖見圖1，風(fēng)流方向如圖中箭頭所示，并聯(lián)分支巷道的高差是h。假設(shè)w分支是突出后充滿瓦斯的分支，而a分支是它的并聯(lián)巷道，如果通風(fēng)機(jī)是關(guān)閉的，a中的空氣密度要大于w中的瓦斯密度，a中空氣就會流進(jìn)巷道w，同時上端w巷道的瓦斯，也會逆流進(jìn)入a巷道，造成災(zāi)害的擴(kuò)大。即使通風(fēng)機(jī)是運(yùn)行的，如果它的能力過小，也會由于上述原因而形成逆流。

圖1 并聯(lián)上行風(fēng)巷道網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 風(fēng)流發(fā)生逆轉(zhuǎn)的條件

1.2.1 靜態(tài)推導(dǎo)

由上面的分析可知，風(fēng)流發(fā)生逆轉(zhuǎn)的動力是由于空氣柱密度不同而產(chǎn)生的位壓差提供的，而阻力是通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓。圖1中，假設(shè)空氣的密度是ρ1，瓦斯的密度為ρ2，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，則風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的動力為 （ρ1-ρ2）gh；假設(shè)通風(fēng)機(jī)在這兩條并聯(lián)巷道的上下端口提供的風(fēng)壓為H，則風(fēng)流發(fā)生逆轉(zhuǎn)的條件為 （ρ1-ρ2）gh＞H。

靜態(tài)推導(dǎo)的結(jié)果說明：發(fā)生煤與瓦斯突出后，瓦斯流能否逆轉(zhuǎn)與空氣與甲烷的密度差、巷道的高差以及通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓有關(guān)。但是，由于以上推導(dǎo)忽略了風(fēng)流的慣性，所以可能忽略了一些影響風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的因素。

1.2.2 動態(tài)推導(dǎo)

有專家認(rèn)為，在非穩(wěn)態(tài)分析中，瓦斯逆流與否，還與巷道的長度有關(guān)，甚至可能和巷道的風(fēng)阻有關(guān)。如果考慮到風(fēng)流的慣性問題，慣性是和質(zhì)量有關(guān)的，如果把兩條巷道中的氣體看成是兩個圓柱體的空氣柱，就可以從這方面來討論。這里忽略了由于空氣密度變化而引起的風(fēng)阻變化，認(rèn)為通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓總是不變的，同時，也忽略了瓦斯分層逆流的情況，并認(rèn)為瓦斯和空氣相互擴(kuò)散不占主導(dǎo)地位，而且認(rèn)為空氣和瓦斯的密度在這段時間里都沒有較大變化。仍以圖1為例，a分支中的氣體所受的動力應(yīng)該是通風(fēng)機(jī)所提供的壓力，而a分支所受的阻力應(yīng)該是巷道提供的摩擦阻力和兩條并聯(lián)分支的壓力差所組成的合力。所以a分支所受的合力為：

式中：F——a分支所受的合力，N；

sa——a分支的斷面積，m2；

va——a分支的風(fēng)速，m／s；

Ra——a分支的風(fēng)阻，Ns2／m8；

ρ1——a分支中空氣的密度，kg／m3；

ρ2——瓦斯的密度，kg／m3；

g——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，m／s2；

h——產(chǎn)生自然風(fēng)壓的巷道高程，m；

H——通風(fēng)機(jī)在a分支上作用的壓力，Pa。

假設(shè)a分支中空氣在某段時間d t內(nèi)的速度變化為d va，根據(jù)動量定理：

式中：m——a分支中空氣的質(zhì)量，kg；

t——突出動力消失后所經(jīng)歷的時間，s。

雖然由于自然風(fēng)壓的作用打破了原有的平衡，造成兩條風(fēng)路的風(fēng)量不斷變化，但由于通風(fēng)機(jī)的功率不變，總的風(fēng)量就不變，因此，a分支的風(fēng)量減少和w分支的風(fēng)量增加是相等的。據(jù)此可以推算出w分支的風(fēng)速：

式中：vw——w分支的風(fēng)速，m／s；v0——a分支的初始風(fēng)速，m／s；vw0——w分支的初始風(fēng)速，m／s；sw——w分支的斷面積，m2。

由于w分支的瓦斯不斷地被通風(fēng)機(jī)排出，w分支的下部流入正?？諝?，所以產(chǎn)生自然風(fēng)壓的高差h在不斷減小，假設(shè)它在d t時間內(nèi)的減小量為d h，則：

將式 （1）、（2）、（3）、（4）聯(lián)立，就可以建立方程組，解方程組就可以得到a分支的風(fēng)速va以及產(chǎn)生自然風(fēng)壓的高差h隨時間t的變化關(guān)系。若某一時刻，va先減小為0，而h尚未減小為0，則說明w分支中的瓦斯還沒有被完全排出，而a分支的風(fēng)速即將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的發(fā)生將使得w分支中的部分瓦斯逆流入a分支，造成災(zāi)害擴(kuò)大。反之，若產(chǎn)生自然風(fēng)壓的高差h先減小為0，而此時a分支中風(fēng)速va還大于0，就說明不會發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。需要指出的是，以上的討論是基于風(fēng)流逆轉(zhuǎn)之前的狀態(tài)，風(fēng)流發(fā)生逆轉(zhuǎn)后，由于災(zāi)害的擴(kuò)大，自然風(fēng)壓變得復(fù)雜，這里不再討論。

根據(jù)上面的推導(dǎo)，可以由風(fēng)流發(fā)生逆轉(zhuǎn)所用的時間長短來表示災(zāi)害擴(kuò)大的可能性，即發(fā)生逆轉(zhuǎn)所用的時間越短，越容易發(fā)生災(zāi)害擴(kuò)大。因此，根據(jù)以上的分析，影響風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的因素，除了靜態(tài)分析的3個因素，還應(yīng)包括兩條巷道的初始風(fēng)速、巷道斷面積、a分支的風(fēng)阻和巷道長度。但風(fēng)流逆轉(zhuǎn)與否與巷道的其它條件沒有直接關(guān)系。

1.2.3 動態(tài)分析因素

對以上分析所用到的條件賦值，a分支斷面取7 m2，分支w斷面取6 m2；a分支的長度取500 m，分支w取200 m；a分支的風(fēng)阻取0.23 Ns2／m8，空氣的密度取1.29 kg／m3，瓦斯的密度取0.72 kg／m3，重力加速度取9.8 m／s2，a分支的初始風(fēng)速取1 m／s，分支w的初始風(fēng)速取2 m／s。初始條件取va=1 m／s，h=200 m，用matlab數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值計算，得出兩條曲線，a分支風(fēng)速和高差隨時間變化的曲線見圖2。

從圖2可以看出，以上條件造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的時間在4 s左右。下面對兩條巷道的初始風(fēng)速、巷道斷面積、a分支的風(fēng)阻和巷道長度分別進(jìn)行變化，其它變量的取值同圖2，得到的結(jié)果見圖3～圖6所示。

圖3（a）中，a分支的初始風(fēng)速取2 m／s時，逆轉(zhuǎn)時間達(dá)到了8 s；圖3（b）w分支的初始風(fēng)速增加到4 m／s時，逆轉(zhuǎn)時間基本沒有變化。

圖4 改變風(fēng)阻后a分支風(fēng)速和高差隨時間變化的曲線

圖4中a分支的風(fēng)阻取0.4 Ns2／m8，其它變量的取值同圖2，其中瓦斯逆流的時間和圖2相差不大，都在4 s左右。

圖5 改變斷面后，a分支風(fēng)速和高差隨時間變化的曲線

圖5（a）中，增加w分支的斷面，風(fēng)流逆轉(zhuǎn)時間幾乎不變；圖5（b）中，增加a分支的斷面，逆轉(zhuǎn)時間增加到7 s。

圖6 a分支長度變化后，a分支風(fēng)速和高差隨時間變化的曲線

圖6（a）中a分支長度減短到200 m，風(fēng)流逆轉(zhuǎn)時間加快到1～2 s；圖6（b）中a分支長度增加到700 m時，風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的時間提高到5 s以上。

對比圖2和圖3，a分支初始風(fēng)速的增加能使風(fēng)流逆轉(zhuǎn)所用時間明顯加長，而w分支的初始風(fēng)速變化對風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響不大；對比圖2和圖4，通過改變風(fēng)阻系數(shù)或斷面周長的方法減小并聯(lián)巷道a的風(fēng)阻，對改變風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的時間稍有影響，但效果不明顯；對比圖2和圖5，增大a分支的斷面積能使風(fēng)流逆轉(zhuǎn)所用時間明顯加長，分支w的斷面積變化對風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的影響不大；對比圖2和圖6，加長a分支的長度對防止風(fēng)流逆轉(zhuǎn)效果明顯。

2 案例分析

以焦煤九里山礦15采區(qū)的突出案例為例，該案例中發(fā)生了突出動力消失后的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。其中，15回風(fēng)下山是煤礦采取的專用回風(fēng)下山，突出發(fā)生后，瓦斯充滿了這條巷道。15011回風(fēng)聯(lián)巷由上區(qū)段運(yùn)輸巷道改造而成，是15011回采工作面的回風(fēng)巷道與15回風(fēng)下山之間的聯(lián)巷，突出動力消失后，15回風(fēng)下山中的瓦斯通過15011回風(fēng)巷逆流至15011回采工作面。這里的15011回采工作面是指包括15011運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道以及備用采煤工作面的一組串聯(lián)巷道，其中備用工作面長120 m，傾角14°。

為了方便計算，對該通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了一些簡化，忽略了其中一些風(fēng)阻比較大的角聯(lián)巷道。受到影響的巷道參數(shù)見表1。表1中的某些參數(shù)與突出發(fā)生前不同 （例如風(fēng)量有所減少），是由于煤流阻塞了一些巷道所致。

將表1中的數(shù)據(jù)帶入公式 （1）、 （2）、 （3）、（4）計算。其中的初始風(fēng)速取幾條串聯(lián)巷道關(guān)于空氣質(zhì)量的加權(quán)平均值，斷面取關(guān)于長度的加權(quán)平均值。計算結(jié)果見圖7。

在突出動力消失后，直到發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的時刻，a分支和分支w頂端瓦斯?jié)舛仁亲罡叩模怀鰟恿Υ嬖跁r可能就有瓦斯涌向總回風(fēng)巷。所以總回風(fēng)巷中，從檢測到瓦斯到瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值的時間應(yīng)該比突出動力消失后到風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的時間稍長。當(dāng)加權(quán)平均速度為-0.45 m／s時，15011回風(fēng)聯(lián)巷中風(fēng)流開始逆轉(zhuǎn)，此時距突出動力消失的時間大約為85 s。突出動力消失后，總回風(fēng)巷從檢測到瓦斯超限、到瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值的時間大約是110 s。這說明，運(yùn)用該方法計算的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)時間是比較可靠的。但計算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)還是存在一定的差距，造成誤差的原因可能是在簡化通風(fēng)系統(tǒng)時忽略了一些風(fēng)阻較大的角聯(lián)巷道。

表1 巷道參數(shù)表

圖7 突出案例風(fēng)流逆轉(zhuǎn)時間圖

3 防止瓦斯逆流的措施

根據(jù)以上分析，影響瓦斯逆流的主要因素有通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、巷道高差、初始風(fēng)速、巷道長度和巷道斷面積。其中，巷道高差的增大能使瓦斯逆流變得容易，其它4個因素的增大有助于防止瓦斯逆流。

（1）減小總進(jìn)風(fēng)巷或總回風(fēng)巷的風(fēng)阻。減小這些主要巷道的風(fēng)阻，可以改變通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓分配，使得容易受突出災(zāi)害影響的上行風(fēng)巷道及其并聯(lián)巷道兩端的初始風(fēng)壓更大。同時在主要通風(fēng)機(jī)能力不變的情況下，有助于增加總的風(fēng)量，提高了風(fēng)流的動量，使逆流變得更難。

（2）增大傾斜巷道的風(fēng)量?？梢酝ㄟ^增加巷道的風(fēng)速或者斷面達(dá)到這一目的，其實(shí)質(zhì)是增加了巷道中空氣的質(zhì)量或者增加了空氣的慣性，這樣風(fēng)流逆轉(zhuǎn)就更難發(fā)生。

（3）減小傾斜巷道的傾角。在改變巷道高差不方便的情況下，減小巷道傾角的直接結(jié)果增加了巷道的長度，這樣的結(jié)果增加了空氣的質(zhì)量，有助于防止風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

以上措施不僅在防止瓦斯逆流方面有積極作用，對于礦井通風(fēng)和運(yùn)輸往往也是有利的。另外還能發(fā)現(xiàn)許多預(yù)防瓦斯逆流的方法，但基本原理也是改變影響瓦斯風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的這5個因素，從本質(zhì)上說沒有明顯區(qū)別。

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Flow reversals in bypass branch of ascensionally ventilated roadway after coal and gas outburst

Feng Yufeng，Wu Zeqi，Zhou Aitao
（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to study factors on flow reversals in bypass branch of ascensionally ventilated roadway after coal-and-gas outburst.Assumptions are made in the model of parallel roadways.Through force analysis on air in roadways，and derivation of static and dynamic models，equality including when the reversal happens is concluded.There is some factors influenting the reversal from the equality.Proposing measures to prevent reversals is based on these factors.

ventilatim system，coal and gas outburst，flow reversal

TD713

A

馮玉鳳 （1988-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，中國礦業(yè)大學(xué) （北京）在讀碩士研究生，主要從事礦井瓦斯突出、煤層瓦斯含量測定研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）