崔洪慶，李瑩瑩

( 1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

瓦斯是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅的氣體，人們無(wú)法直接感知其存在。然而，在煤礦采掘空間里，實(shí)實(shí)在在到處彌漫著瓦斯氣體。如果對(duì)采掘空間的瓦斯氣體運(yùn)移特征和規(guī)律了解不清，治理不當(dāng)，瓦斯氣體將會(huì)威脅人員和生產(chǎn)安全，甚至?xí)l(fā)生瓦斯爆炸。因而，采掘空間瓦斯運(yùn)移問(wèn)題歷來(lái)是煤礦安全研究的焦點(diǎn)。

目前，公認(rèn)瓦斯氣體的運(yùn)移方式和驅(qū)動(dòng)力主要包括：濃度差驅(qū)動(dòng)下的氣體擴(kuò)散、壓力差驅(qū)動(dòng)下的氣體運(yùn)動(dòng)和浮力驅(qū)動(dòng)下的氣體漂浮。具體表現(xiàn)為：瓦斯氣體總是由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散[1]，由壓力大的地方向壓力小的地方運(yùn)動(dòng)[2-4]；在空氣的作用下，涌入到采掘空間里的瓦斯氣體傾向于向上漂浮，易于在巷道(采空區(qū))頂部集聚[5]。

回采工作面回風(fēng)巷中瓦斯氣體的擴(kuò)散和運(yùn)移現(xiàn)象可能更為復(fù)雜?；趯?duì)回采工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究，筆者認(rèn)為，除了濃度差驅(qū)動(dòng)、壓力差驅(qū)動(dòng)和浮力驅(qū)動(dòng)下的3種瓦斯氣體運(yùn)移形式外，在煤礦回采工作面回風(fēng)巷中，還存在一種特殊的瓦斯氣體運(yùn)移形式——?dú)鈭F(tuán)漂移。盡管這種瓦斯運(yùn)移形式，在示蹤氣體和煤與瓦斯突出試驗(yàn)研究中有一些描述[6-7]，但是，正常生產(chǎn)情況下回風(fēng)巷中的瓦斯氣團(tuán)長(zhǎng)距離漂移現(xiàn)象及其安全生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值卻很少得到重視。

1　瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取

我國(guó)煤礦現(xiàn)已普遍采用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，井下瓦斯傳感器的配備數(shù)量和安裝位置等都有嚴(yán)格的規(guī)定[8-10]。在回采工作面一般至少布設(shè)T1，T2和T3這3個(gè)瓦斯傳感器探頭。T1和T3分別安設(shè)在采煤工作面上隅角和下隅角附近，T2布設(shè)在距回風(fēng)巷10～15 m處。T1和T3隨采面推進(jìn)不斷改變位置，T2位置始終不變(見(jiàn)圖1)。各探頭可分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到各自位置風(fēng)流中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)值(瓦斯?jié)舛?，并可通過(guò)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測(cè)終端。

圖1　采煤工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)探頭布設(shè)位置示意Fig.1　The layout of gas monitors in coal mining panel

2　回風(fēng)巷中的瓦斯氣團(tuán)

回采工作面瓦斯涌出量的大小，受煤層瓦斯地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件和生產(chǎn)工序的影響很大，以致回采工作面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?瓦斯體積分?jǐn)?shù))經(jīng)常發(fā)生變化[11-12]，采煤生產(chǎn)工序割煤或落煤時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量瓦斯氣體[13-14]。通常認(rèn)為，新產(chǎn)生的瓦斯氣體，在通風(fēng)風(fēng)流的作用下，很快發(fā)生濃度擴(kuò)散，即使存在瓦斯不均勻分布，也主要表現(xiàn)為瓦斯分層現(xiàn)象，最多經(jīng)過(guò)數(shù)十米的距離，新產(chǎn)生的高濃度瓦斯氣體即可與空氣完全混合而得到稀釋?zhuān)罱K被回風(fēng)風(fēng)流帶出采掘空間[15-16]。

事實(shí)上，回采工作面新產(chǎn)生的高濃度瓦斯氣體，經(jīng)過(guò)一定程度的稀釋后，能夠在回風(fēng)巷中形成瓦斯氣團(tuán)。并且，這種瓦斯氣團(tuán)隨回風(fēng)風(fēng)流一起，漂移很長(zhǎng)距離仍能保持氣團(tuán)內(nèi)部的濃度結(jié)構(gòu)不變。這一特征，可以通過(guò)采煤工作面回風(fēng)巷中相鄰2個(gè)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯谋O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)波形和波幅的相似性得到證實(shí)。

圖2是根據(jù)某礦16021工作面回風(fēng)巷中，2個(gè)相距492 m的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱐1和T2，在24 h內(nèi)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制的可視化曲線(xiàn)(取值間隔為1 min，圖2(b)是圖2(a)的局部放大圖)。

(a)24 h監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

(b) 0：00—6:00點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖2　回采工作面16021回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱐1和T2監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.2　Gas concentration monitoring curves of sensor T1 and T2 in return airway of coal mining panel 16021

從圖2中可以看到，在0:00—6:00時(shí)間之間，回采工作面綜采機(jī)組割煤作業(yè)產(chǎn)生了大量瓦斯氣體，T1和T2瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)先后出現(xiàn)了高值段。因?yàn)閭鞲衅鱐1和T2瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)波形和波幅的相似性，可以判斷先后探測(cè)到的是同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)。該瓦斯氣團(tuán)從T1所在的巷道位置運(yùn)動(dòng)到T2的位置，沿途經(jīng)過(guò)492 m，雖然有新源瓦斯涌入和一定程度的濃度擴(kuò)散，使T2探測(cè)到的瓦斯?jié)舛惹€(xiàn)與T1相比較，在基值上有一定變化，但是，T2探測(cè)到的瓦斯?jié)舛惹€(xiàn)的波形和波幅與T1具有明顯的相似性，甚至瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)的整體波形都保持不變。說(shuō)明傳感器T1探測(cè)到的瓦斯氣團(tuán)，在到達(dá)T2之后，沒(méi)有與空氣完全均勻混合，仍然保持著氣團(tuán)在T1位置時(shí)的內(nèi)部濃度分布特征，以致傳感器T2探測(cè)到的氣團(tuán)濃度整體變化特征與傳感器T1探測(cè)到的特征幾乎完全相同。在17:00—24:00時(shí)間之間，也可以看到類(lèi)似情況，傳感器T1和T2均出現(xiàn)了波形和波幅相似的高值濃度曲線(xiàn)段，與采煤循環(huán)完全對(duì)應(yīng)。

圖3為某礦14171回采工作面回風(fēng)巷相鄰兩個(gè)傳感器T1和T2在0:00—24:00時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化曲線(xiàn)。同樣可以清楚地看到，T1和T2先后探測(cè)到的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)具有明顯的相似性。

圖3　回采工作面14171回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.3　Gas concentration monitoring curves in return airway of coal mining panel 14171

事實(shí)上，在煤礦正常生產(chǎn)活動(dòng)中，回采工作面回風(fēng)巷相鄰傳感器先后探測(cè)到波形和波幅相似的瓦斯?jié)舛茸兓闆r，比比皆是。

因而，筆者認(rèn)為，如同天空中的云朵隨風(fēng)飄動(dòng)一樣，回采工作面回風(fēng)巷中的瓦斯氣團(tuán)，在通風(fēng)風(fēng)流的攜帶下，同樣能夠以氣團(tuán)的方式，由上游向下游漂移，經(jīng)過(guò)數(shù)百米距離，氣團(tuán)濃度結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化；而且，在回采工作面回風(fēng)巷中，風(fēng)流攜帶氣團(tuán)漂移的瓦斯氣體運(yùn)移形式是一種普遍現(xiàn)象。

3　瓦斯氣團(tuán)漂移速度計(jì)算

3.1　計(jì)算公式

回采工作面回風(fēng)巷中，風(fēng)流攜帶氣團(tuán)漂移的瓦斯運(yùn)移形式，使相鄰的2個(gè)傳感器能夠先后探測(cè)到波形和波幅相似的同一個(gè)氣團(tuán)。瓦斯氣團(tuán)平均漂移速度可以根據(jù)傳感器T1和T2先后探測(cè)到同一氣團(tuán)的時(shí)間差和兩個(gè)傳感器之間的實(shí)際距離計(jì)算出來(lái)。計(jì)算公式為：

V=L/Δt

(1)

式中：V為瓦斯氣團(tuán)平均漂移速度，m/s；L為相鄰傳感器T1和T2之間的距離，m；Δt為相位差，即同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)被T1和T2先后探測(cè)到的時(shí)間差(Δt=t2-t1),t1和t2分別是傳感器T1和T2探測(cè)到同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)的時(shí)間。

3.2　應(yīng)用驗(yàn)證

圖4為根據(jù)某礦16021工作面回風(fēng)巷中T1和T2相鄰2個(gè)傳感器的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)間序列曲線(xiàn)。

圖4　瓦斯氣團(tuán)平均漂移速度計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例Fig.4　An example of calculating average drift velocity of gas mass

在此期間，T1和T2兩個(gè)傳感器相距630 m，先后探測(cè)到了波形和波幅相似的瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)，表明多個(gè)高濃度瓦斯氣團(tuán)先后被T1和T2監(jiān)測(cè)到。為了計(jì)算瓦斯氣團(tuán)平均漂移速度，可以分別從T1和T2監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)上，選取一個(gè)相同氣團(tuán)的曲線(xiàn)特征點(diǎn)(如波峰)，讀取相位差Δt。此例中Δt=5 min，T1和T2之間的距離L=630 m。 根據(jù)公式(1)，計(jì)算該瓦斯氣團(tuán)在T1和T2間的平均漂移速度為2.1 m·s-1,計(jì)算過(guò)程如下：

V=L/Δt=630/5×60=2.1(m·s-1)

應(yīng)用上述方法，伴隨某礦16021回采工作面回采進(jìn)程(T2位置不變，T1向T2逐步靠近)，在相鄰傳感器T1和T2的間距分別為642，539，482，435，230 m時(shí)，對(duì)回風(fēng)巷中瓦斯氣團(tuán)漂移速度進(jìn)行了計(jì)算，并與巷道中風(fēng)速傳感器探測(cè)到的風(fēng)速值進(jìn)行了比較(見(jiàn)表1)。結(jié)果表明： 兩者的絕對(duì)誤差小于0.29 m·s-1，相對(duì)誤差小于13.6%。

表1　瓦斯氣團(tuán)漂移速度計(jì)算值與巷道風(fēng)速監(jiān)測(cè)值對(duì)比Table 1　The comparison of calculating migration velocityof gas mass with monitoring air flow rate

4　應(yīng)用價(jià)值

就煤礦安全生產(chǎn)而言，對(duì)回風(fēng)巷中瓦斯氣團(tuán)的研究，有3個(gè)方面的重要應(yīng)用：

1)在礦井災(zāi)害防治方面，有助于消除高濃度瓦斯氣團(tuán)可能帶來(lái)的隱患?；仫L(fēng)風(fēng)流中瓦斯氣團(tuán)的存在，特別是出現(xiàn)了高濃度瓦斯氣團(tuán)，可能具有使人窒息和發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，需要嚴(yán)加監(jiān)控，并采取特殊的輔助通風(fēng)措施，使其盡快與空氣混合稀釋?zhuān)苊飧邼舛韧咚箽鈭F(tuán)滯留致災(zāi)，確保人員和生產(chǎn)安全。

2)在通風(fēng)管理方面，瓦斯氣團(tuán)漂移現(xiàn)象為安全生產(chǎn)管理人員提供了一種井上實(shí)時(shí)測(cè)定回風(fēng)巷中瓦斯運(yùn)移速度的新手段?？梢岳猛咚?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)井下2個(gè)相鄰?fù)咚節(jié)舛葌鞲衅魈綔y(cè)到同一瓦斯氣團(tuán)的時(shí)間差和2個(gè)傳感器之間的實(shí)際距離，在井上實(shí)時(shí)計(jì)算回風(fēng)巷中瓦斯氣體平均運(yùn)移速度。通過(guò)計(jì)算瓦斯氣體運(yùn)移速度，并與井下通風(fēng)風(fēng)流現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行比較分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)人工風(fēng)速觀(guān)測(cè)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，使礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。并且有助于優(yōu)化回采工作面通風(fēng)設(shè)計(jì)。

3)由于瓦斯氣團(tuán)漂移現(xiàn)象的存在，相鄰?fù)咚節(jié)舛葌鞲衅髂軌蛳群筇綔y(cè)到同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)，相鄰?fù)咚節(jié)舛葌鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)具有波形和波幅相似的特點(diǎn)。據(jù)此關(guān)聯(lián)性可以比較準(zhǔn)確地判斷瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯墓ぷ鳡顟B(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器自身故障和隨意改變傳感器位置等違章行為。

5　結(jié)論

1)采煤工作面產(chǎn)生的高濃度瓦斯氣體，可能在回風(fēng)巷中形成瓦斯氣團(tuán)，在回風(fēng)風(fēng)流的攜帶下發(fā)生整體漂移?；仫L(fēng)風(fēng)流中發(fā)現(xiàn)高濃度瓦斯氣團(tuán)時(shí)，需要采取特殊的輔助通風(fēng)措施，使其與空氣混合稀釋?zhuān)皶r(shí)消除隱患。

2)采煤工作面回風(fēng)巷中，相鄰的瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂軌蛱綔y(cè)到同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)。同一個(gè)瓦斯氣團(tuán)經(jīng)過(guò)相鄰2個(gè)傳感器時(shí)，2個(gè)傳感器探測(cè)到的瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化的曲線(xiàn)特征具有波形和波幅相似性。

3)利用同一瓦斯氣團(tuán)被相鄰2個(gè)傳感器探測(cè)到的時(shí)間差和2個(gè)傳感器之間的實(shí)際距離，能夠計(jì)算回采工作面回風(fēng)巷中瓦斯氣團(tuán)平均漂移速度。這種方法提供了一種極為便捷的采煤工作面回風(fēng)巷瓦斯運(yùn)移狀況井上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段。

[1]王恩元，梁棟，柏發(fā)松，巷道瓦斯運(yùn)移機(jī)理及運(yùn)移過(guò)程的研究[J]， 山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，14(2):130-135.

WANG Enyuan, LIANG Dong, BAI Fasong. Study on the mechanism and process of the methane movement in the tunnel[J]. Shanxi Mining Institute Learned Journal, 1996,14(2):130-135.

[2]王春曉，陳開(kāi)巖，司俊鴻，等，綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2011,39(11):77-81.

WANG Chunxiao, CHEN Kaiyan, SI Junhong, et al. Analysis on gas emission law of fully mechanized top coal caving mining face[J]. Coal Science and Technology, 2011,39(11):77-81.

[3]李東印，許燦榮，熊祖強(qiáng)，采煤工作面瓦斯流動(dòng)模型及COMSOL數(shù)值解算[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2012,37(6):967-971.

LI Dongyin, XU Canrong, XIONG Zuqiang. Gas flowing model of mining face and solve it using COMSOL[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(6): 967-971.

[4]韋善陽(yáng)，瓦斯異常涌出氣體運(yùn)移規(guī)律及影響范圍研究[D]．北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2013.

[5]何磊,楊勝?gòu)?qiáng),孫祺,等. Y型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及治理研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(2):50-54.

HE Lei, YANG Shengqiang, SUN Qi, et al. Study on gas transportation principle and control in goaf with Y shape ventilation system[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011, 7(2):50-54.

[6]孫曉元，董利輝，孫英峰，等，掘進(jìn)工作面突出瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散特性模擬研究[J]. 中國(guó)煤炭,2015,41(4):107-113.

SUN Xiaoyuan, DONG Lihui，SUN Yingfeng , et al．Numerical simulation of diffusion characteristic of outburst gas at working face[J]. China Coal, 2015,41(4):107-113.

[7]陳開(kāi)巖，李尚國(guó)，張作華，等.示蹤氣體測(cè)風(fēng)方法有關(guān)理論問(wèn)題的研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(1):10-14.

CHEN Kaiyan, LI Shangguo, ZHANG Zuohua, et al. Theoretic Research Related to the Method of Measuring Air Quantity by Means of a Tracing Gas[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008,37(1):10-14.

[8]李繼林.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭技術(shù)，2008，27(11)：3-5．

LI Jilin. Present Situation and Development of Coal Mine Safety Monitoring System[J]. Coal Technology, 2008,27(11)：3-5.

[9]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范:AQ 1029—2007[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[10]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求:AQ 6201—2006[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[11]俞啟香，王凱，楊勝?gòu)?qiáng).中國(guó)采煤工作面瓦斯涌出規(guī)律及其控制研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(1):9-14.

YU Qixiang, WANG Kai, YANG Shengqiang. Study on Pattern and Control of Gas Emission at Coal Face in China[J]. Journal of China University of Mining & Technology， 2000(1):9-14.

[12]魯忠良，魏震，李玉江，等，采煤工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律研究[J]．河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，35(6):771-774.

LU Zhongliang，WEI Zhen，LI Yujiang，et al．Study on the coal mining working face spatial of gas concentration distribution[J]．Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science)，2016，35(6):771-774.

[13]何利文，施式亮，宋譯，等，回采工作面瓦斯涌出量的復(fù)雜性及其度量[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(5)：547-550．

HE Liwen，SHI Shiliang，SONG Yi，et al．Complexity and measurement of complex degree of gas gush in heading faces of coal mine[J]． Journal of China Coal Society，2008，33(5)：547-550．

[14]王志亮，陳學(xué)習(xí)，楊濤，采煤工作面落煤瓦斯涌出量測(cè)定方法及應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)煤炭,2016,42(10):92-96，118.

WANG Zhiliang, CHEN Xuexi, YANG Tao. Study on measuring and application of gas emission quantity from dropped coal at mining working face[J]. China Coal, 2016,42(10):92-96，118.

[15]聞德蓀，李兆年，黃正華.工程流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社， 2004: 214-235.

[16]張磊，李永福，孫杰，等，瓦斯隧道施工通風(fēng)流場(chǎng)及瓦斯遷移研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(1):184-190.

ZHANG Lei, LI Yongfu, SUN Jie, et al. Research on Flow Field and Gas Transportation of Construction Ventilation in Gas Tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014,10(1):184-190.