基于雙巷掘進(jìn)煤與瓦斯突出運(yùn)移規(guī)律分析

楊 陽

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦 山西 長治 046102)

煤與瓦斯突出是我國礦井生產(chǎn)過程中易發(fā)生的安全事故[1]，不僅影響井下安全高效生產(chǎn)，同時對人員的生命健康帶來極大的危害，當(dāng)突出瓦斯遇明火發(fā)生爆炸時，更易發(fā)生群死群傷的事故[2].因此，煤與瓦斯突出的防治是礦井安全生產(chǎn)研究的重要內(nèi)容。黃振宇等人對突出瓦斯進(jìn)行來源劃分，通過修正風(fēng)量，規(guī)范瓦斯涌出量計量規(guī)則，得出瓦斯涌出量計算方法[3]；孔彪等人基于瓦斯突出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對突出過程中的氣壓變化規(guī)律進(jìn)行深入研究[4]；孫東玲等人基于煤與瓦斯兩相流裝置，得出初始瓦斯氣體速度對煤粉噴出距離的影響規(guī)律[5].不同礦井條件下煤與瓦斯突出顯現(xiàn)特點(diǎn)有較大差異，基于某礦井2201 W工作面實(shí)際情況，開展雙巷掘進(jìn)煤與瓦斯突出對局部通風(fēng)的影響研究。

1 工程背景

某礦2201 W工作面埋深635.5 m，煤層平均厚度6.5 m，煤層近水平分布，為煤與瓦斯突出礦井，工作面采用雙巷通風(fēng)布置。2019年8月20日，2201 W雙巷掘進(jìn)中，工作面回風(fēng)巷與相鄰工作面運(yùn)輸巷間的7#聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生煤與瓦斯突出事故，拋煤量350 t，瓦斯涌出總量8.3萬m3，拋煤最遠(yuǎn)距離43 m，瓦斯涌出具有動力效應(yīng)，涌出氣壓沖倒設(shè)備和工作人員。

2 雙巷掘進(jìn)煤與瓦斯突出分析

2.1 雙巷掘進(jìn)通風(fēng)特點(diǎn)

雙巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)中，通常通過兩巷道間的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行掘進(jìn)頭新鮮風(fēng)流輸送，見圖1，隨著巷道掘進(jìn)長度的增加，可進(jìn)行下一階段聯(lián)絡(luò)巷的布置，同時進(jìn)行通風(fēng)設(shè)置的搬遷，降低工作面過長所帶來的通風(fēng)困難。因此,雙巷掘進(jìn)不僅能提高掘進(jìn)巷道通風(fēng)能力，保證工作面保持安全瓦斯?jié)舛确秶?，同時有效減少了局部通風(fēng)設(shè)施和運(yùn)輸設(shè)施的使用數(shù)量，降低了設(shè)備維修人員的壓力。

圖1 雙巷掘進(jìn)條件下的巷道局部通風(fēng)示意圖

需要注意的是，在雙巷掘進(jìn)過程中，當(dāng)存在某一掘進(jìn)工作面發(fā)生煤與瓦斯突出事故時，其他掘進(jìn)工作面均會受到影響。因此，分析確定煤與瓦斯突出事故對雙巷掘進(jìn)的影響對于雙巷掘進(jìn)煤與瓦斯突出巷道瓦斯突出事故的預(yù)防和控制具有重要作用。

2.2 突出瓦斯運(yùn)移模型分析

瓦斯突出后首先沿風(fēng)流運(yùn)移，且突出點(diǎn)最近的瓦斯?jié)舛入S著距離增加而逐漸下降，同時瓦斯突出開始一段時間內(nèi)保持一定的突出速度，然后涌出速度逐漸遞減，瓦斯?jié)舛入S時間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。需要注意的是不同突出強(qiáng)度及位置，瓦斯?jié)舛?時間的函數(shù)關(guān)系形式會有所不同，但多呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系[6]，見圖2.

圖2 瓦斯?jié)舛扰c時間的冪函數(shù)關(guān)系圖

為方便研究瓦斯運(yùn)移規(guī)律，進(jìn)行模型簡化，即忽略巷道自然瓦斯涌出量，同時假設(shè)瓦斯運(yùn)移過程為恒溫和恒壓過程，且不同地點(diǎn)斷面面積和流體阻力相同[7].

(1)

式中：

i—初始突出源強(qiáng)度；

j—常數(shù)；

t1—第一階段持續(xù)時間；

t2—第二階段持續(xù)時間。

2.3 突出瓦斯運(yùn)移模型模擬研究

數(shù)值模擬采用Fluent軟件依據(jù)式(1)進(jìn)行瓦斯突出條件設(shè)置，模擬具體物理模型建立圖3，各監(jiān)測點(diǎn)位于巷道界面中心位置，point1—point6在x軸方向與運(yùn)輸平巷突出點(diǎn)距離分別為152 m、456 m、169 m、520 m、858 m和75 m，其中point3為防突風(fēng)門的位置，該點(diǎn)可監(jiān)測瓦斯?jié)舛群蜌鈮?，point2為聯(lián)絡(luò)巷處設(shè)置有臨時風(fēng)門。同時point5為巷道入口，point6為point3—point6所處進(jìn)風(fēng)巷的中軸線L1的起點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)巷全長704 m.

圖3 突出瓦斯運(yùn)移物理監(jiān)測模型圖

基于文獻(xiàn)[6]可知，不同強(qiáng)度瓦斯突出量和突出參數(shù)見表1，表2.

基于雙巷瓦斯突出實(shí)際情況，并結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，設(shè)置瓦斯涌出量為 25萬 m3，且煤與瓦斯突出后防突風(fēng)門及時關(guān)閉，聯(lián)絡(luò)巷臨時風(fēng)門被摧毀，通過模擬獲得特大型瓦斯突出500 s時運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷瓦斯?jié)舛确植紙D，見圖4.

表1 不同強(qiáng)度瓦斯突出量表

表2 不同強(qiáng)度瓦斯突出參數(shù)表

圖4 特大型瓦斯突出500 s時瓦斯?jié)舛确植紙D

分析圖4a)可知，運(yùn)輸平巷瓦斯突出發(fā)生后沿運(yùn)輸平巷開始大量涌出，一部分破壞臨時風(fēng)門后，沿聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入回風(fēng)平巷，由于防突風(fēng)門作用，突出瓦斯只在回風(fēng)平巷部分區(qū)域發(fā)生運(yùn)移；另一部分瓦斯沿運(yùn)輸平巷直接涌出工作面外，運(yùn)輸平巷瓦斯逆流影響范圍約470 m.

分析圖4b)可知，回風(fēng)平巷發(fā)生瓦斯突出后，突出瓦斯沿運(yùn)輸平巷大量向工作面外涌出，另一部分破壞聯(lián)絡(luò)巷臨時風(fēng)門，進(jìn)入回風(fēng)平巷，收到回風(fēng)平巷防突風(fēng)門阻隔，瓦斯沒有實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)巷和聯(lián)合巷間的貫通。因此，在防突風(fēng)門周邊區(qū)域呈現(xiàn)出亮暗相間的顏色，運(yùn)輸平巷瓦斯逆流影響范圍約425 m.

上述結(jié)果表明，相同情況下，無論是回風(fēng)平巷還是運(yùn)輸平巷發(fā)生瓦斯突出事件，運(yùn)輸平巷瓦斯運(yùn)移速度都較回風(fēng)平巷更快，瓦斯突出對運(yùn)輸平巷破壞力更大，同時運(yùn)輸平巷發(fā)生瓦斯突出后，其對聯(lián)絡(luò)巷臨時風(fēng)門的破壞力更大，因此在瓦斯突出預(yù)防時，應(yīng)及時做好運(yùn)輸平巷的預(yù)防。

3 結(jié) 論

結(jié)合某礦地質(zhì)條件進(jìn)行雙巷掘進(jìn)下的煤與瓦斯突出研究，通過建立突出瓦斯運(yùn)移物理監(jiān)測模型，并進(jìn)行雙巷形式下的瓦斯運(yùn)移模擬，確定在同等條件下，運(yùn)輸平巷瓦斯突出較回風(fēng)平巷影響更大，因此需加強(qiáng)對運(yùn)輸平巷煤與瓦斯突出的預(yù)防。