掘進巷道瓦斯涌出規律及通風機參數優選①

2011-12-26 06:22:02李連坡

華北科技學院學報 2011年2期

李連坡

(棗莊礦業集團新安煤業有限公司通巷二區,山東微山 277642)

掘進巷道瓦斯涌出規律及通風機參數優選①

李連坡②

(棗莊礦業集團新安煤業有限公司通巷二區,山東微山 277642)

利用巷道測定法對新安煤礦3上201運輸巷掘進期間煤壁和落煤瓦斯涌出規律進行了現場實測,并通過理論分析建立了掘進煤巷瓦斯涌出量與巷道掘進長度和掘進速度的關系式,測定了煤巷瓦斯排放極限長度并據此計算出掘進巷道在掘進過程中的最大瓦斯涌出量,進而確定了巷道最大需風量,以此為依據進行了巷道局部通風機通風參數的優選。

掘進煤巷;瓦斯涌出;通風參數

0 引言

礦井瓦斯是影響煤礦安全生產的重要危險因素之一,是煤礦“一通三防”工作的重點,瓦斯涌出量是礦井通風管理的主要指標。掘進通風是礦井通風的一個重要組成部分,掘進通風的目的是沖淡并排除井巷掘進時的有害氣體和礦塵,并提供良好的氣候條件。掘進通風的特點在于井巷獨頭部分不能形成循環風流,必須采用導風設施,使新鮮風流與污濁風流隔開,且多數需要專門的動力設備,因而通風管理比較困難。隨著礦井機械化程度的提高,長走向采煤工作面的普及和推廣,高瓦斯、長距離掘進工作面的通風管理已經成為局部通風的主要工作。

1 掘進煤巷瓦斯涌出規律

1.1 綜掘煤巷瓦斯涌出特征

瓦斯預測是瓦斯防治的重要技術環節。由于機械化掘進強度大、速度快,綜掘工作面瓦斯涌出獨具特征,其主要體現在：

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

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

3)相對瓦斯涌出量減小。綜掘工作面掘進速度快,落煤與運煤基本是流水線,加之機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輸機很快地被運出工作面,使煤產量增加的倍數大于瓦斯涌出量增加的倍數。

4)絕對瓦斯涌出量增大。由于綜掘工作面機械設備較多,人員相對也多,空間小;而掘進速度加快,落煤量增加,絕對瓦斯涌出量相應增大。

1.2 掘進巷道瓦斯涌出組成

掘進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)煤壁瓦斯涌出規律。掘進工作面瓦斯涌出量大小主要取決于煤壁的瓦斯涌出強度,通常以每平方米煤壁單位時間內涌出的瓦斯量來表示煤壁瓦斯涌出強度。

煤壁瓦斯涌出強度的大小取決于煤層的瓦斯壓力、煤層的空隙和裂隙結構、煤對瓦斯的吸附性能以及空間條件。當其它條件不變時,煤壁瓦斯涌出強度是暴露時間的函數,可用下式表示：

式中,V1——煤壁經過1+t時間后,單位面積內瓦斯涌出強度,m3/m2·d;V0——煤壁在t=0時的瓦斯解吸強度,m3/m2·d;t——排放瓦斯時間,d;α——瓦斯解吸強度衰減系數。

2)落煤瓦斯涌出規律。掘進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。落煤瓦斯涌出規律可用下式表示：

式中,V1——單位質量煤體經過1+t時間后的瓦斯涌出強度,m3/t·min;V0——采落煤在t=0時的瓦斯解吸強度,m3/t·min;t——落煤暴露時間,min;β——瓦斯解吸強度衰減系數。

2 掘進巷道瓦斯涌出量測定與計算

2.1 煤壁瓦斯涌出量測定

在巷道開挖和掘進過程中,巷道周圍煤體應力狀態發生變化,形成卸壓帶,在煤層卸壓帶內,煤體被壓裂破碎,形成大量裂隙,煤體的滲透性能增大,瓦斯壓力平衡狀態也被破壞,在壓力梯度的作用下,煤體內部的瓦斯向巷道空間涌出,隨著煤壁暴露時間的增長,瓦斯涌出量逐漸降低,為研究煤壁瓦斯涌出量同時間的關系,采用巷道測定法對3上201掘進煤巷煤壁瓦斯涌出強度進行了測定。沿巷道每隔一定的距離設置測點,定期測定各測點的風量和瓦斯濃度,然后根據各測段巷道長度、暴露時間等計算單位時間單位長度巷道煤壁瓦斯涌出強度qt。實測結果見表1。

表1 掘進煤巷瓦斯涌出規律測定結果

根據表1中數據繪制瓦斯涌出強度qt和暴露時間t的關系曲線,見圖1：

圖1 煤壁瓦斯涌出強度與暴露時間關系曲線

由圖1可以看出,煤壁瓦斯涌出強度qt和暴露時間t近似呈雙曲線關系。qt和t的關系可用如下公式表示：

式中,qt——經過時間t后煤壁瓦斯涌出強度, m3/min·m;q0——初始煤壁瓦斯涌出系數,m3/ min·m;t——煤壁暴露時間,d;α——煤壁瓦斯衰減系數,d-1。

采用回歸分析對實測數據進行計算得q0= 0.367,α=1.08。則巷道煤壁瓦斯涌出規律為：

將式(3)中t用l/v代替,則式(3)變為：

式中,l——巷道長度,m;v——掘進速度,m/d。

根據式(5),在微小長度dl內,瓦斯涌出強度可用如下微分方程表示：

令Q1為巷道掘進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律。

2.2 落煤瓦斯涌出量計算

掘進巷道中瓦斯涌出的另一個重要來源是落煤瓦斯涌出,落煤瓦斯涌出可按下式計算：

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。根據實際情況,將實測數據帶入式(9)得：

2.3 掘進巷道總的瓦斯涌出量

掘進巷道瓦斯涌出量包括煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量兩部分之和,即由式(8)和式(10)可得巷道總的瓦斯涌出規律為：

Q——巷道總瓦斯涌出量,m3/min。

3 瓦斯排放極限長度與最大瓦斯涌出量

巷道煤壁瓦斯涌出強度隨時間的延長而衰減,當煤壁暴露一定時間以后可以認為瓦斯不再涌出,即巷道掘進長度達到一定值時,巷道瓦斯涌出量保持最大值,此掘進長度即為瓦斯排放極限長度。瓦斯排放極限長度采用如下方法測得：從掘進工作面起沿巷道長度逐點檢查瓦斯涌出量,其值不再增高的點對應的長度即為極限長度。此次觀測到距迎頭1050m時沒有發現瓦斯值不再增高點,此時瓦斯涌出強度為0.0006m3/min·m,則認為還沒有達到瓦斯排放極限長度。現采用工程精度判斷瓦斯排放極限長度。

根據測值的不同測段單位面積單位時間的瓦斯涌出量計算結果,選取其中最大和最小值,求出其比例關系為：0.0006/0.093=0.6%,0.6%可以說明暴露時間的測點間的煤壁單位時間單位面積的瓦斯涌出能力相對于暴露時間較短的煤壁,其值已經比較小。雖然沒有達到理論上的瓦斯排放極限,但如果能夠滿足人為設定1%的工程要求,則可以近似認為其代表的暴露時間已達到瓦斯排放極限。即可認為瓦斯排放極限長度為1050m。則根據式(11)計算可得3上201掘進煤巷最大瓦斯涌出量為：