煤與瓦斯突出后上行風巷道并聯支路的風流逆轉探討

馮玉鳳 吳則琪 周愛桃

（中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

煤與瓦斯突出后上行風巷道并聯支路的風流逆轉探討

馮玉鳳 吳則琪 周愛桃

（中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

為了探究煤與瓦斯突出后在上行風巷道引起并聯支路風流逆流的影響因素，對礦井并聯上行風巷道的模型進行假設，并通過對巷道中空氣的受力分析，進行靜態和動態的推導，得出影響風流逆轉發生時間的關系式。從式中得出影響風流逆轉的幾個因素，并從這些因素出發，提出礦井防止瓦斯致逆流的措施。

通風系統 煤與瓦斯突出 風流逆轉

煤與瓦斯突出是在極短時間內向采掘工作面空間噴出大量煤與瓦斯流的現象，不僅摧毀巷道設施，毀壞通風系統，而且使附近區域的井巷全部充滿瓦斯和煤粉，以致煤流埋人，嚴重時還會造成煤塵和瓦斯的爆炸。煤礦發生突出后，瓦斯往往充滿巷道，造成位壓差，可能引起風流紊亂，造成二次災害。

目前，煤與瓦斯突出的發生機理尚未完全清楚，但已經有國內外專家普遍認可的綜合作用假說存在。各種預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識。在數值模擬等手段的幫助下，很多專家對煤與瓦斯突出產生的沖擊波破壞進行了研究，并取得了一定的成就。最近幾年，又有專家把研究重點轉移到突出后瓦斯運移規律上來，通過數學分析、數值模擬、案例統計以及實驗等手段進行了分析。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上探討在上行風巷道中突出動力消失后瓦斯的流動規律。

1 發生瓦斯逆流的因素

1.1 發生瓦斯逆流的原因

當發生煤與瓦斯突出后，根據現場的經驗，往往突出地點附近巷道的瓦斯濃度會突然增高，甚至達到100%。如果該段巷道有一定傾角，原來的通風方向又是由下向上的，那么與它并聯的巷道就可能會因為氣體密度不同產生自然風壓，而發生風流逆轉，從而導致瓦斯從巷道頂端流入。并聯上行風巷道網絡圖見圖1，風流方向如圖中箭頭所示，并聯分支巷道的高差是h。假設w分支是突出后充滿瓦斯的分支，而a分支是它的并聯巷道，如果通風機是關閉的，a中的空氣密度要大于w中的瓦斯密度，a中空氣就會流進巷道w，同時上端w巷道的瓦斯，也會逆流進入a巷道，造成災害的擴大。即使通風機是運行的，如果它的能力過小，也會由于上述原因而形成逆流。

圖1 并聯上行風巷道網絡圖

1.2 風流發生逆轉的條件

1.2.1 靜態推導

由上面的分析可知，風流發生逆轉的動力是由于空氣柱密度不同而產生的位壓差提供的，而阻力是通風機提供的風壓。圖1中，假設空氣的密度是ρ1，瓦斯的密度為ρ2，當地的重力加速度為g，則風流逆轉的動力為 （ρ1-ρ2）gh；假設通風機在這兩條并聯巷道的上下端口提供的風壓為H，則風流發生逆轉的條件為 （ρ1-ρ2）gh＞H。

靜態推導的結果說明：發生煤與瓦斯突出后，瓦斯流能否逆轉與空氣與甲烷的密度差、巷道的高差以及通風機提供的風壓有關。但是，由于以上推導忽略了風流的慣性，所以可能忽略了一些影響風流逆轉的因素。

1.2.2 動態推導

有專家認為，在非穩態分析中，瓦斯逆流與否，還與巷道的長度有關，甚至可能和巷道的風阻有關。如果考慮到風流的慣性問題，慣性是和質量有關的，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阻變化，認為通風機風壓總是不變的，同時，也忽略了瓦斯分層逆流的情況，并認為瓦斯和空氣相互擴散不占主導地位，而且認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該是通風機所提供的壓力，而a分支所受的阻力應該是巷道提供的摩擦阻力和兩條并聯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分支的風速，m／s；

Ra——a分支的風阻，Ns2／m8；

ρ1——a分支中空氣的密度，kg／m3；

ρ2——瓦斯的密度，kg／m3；

g——當地的重力加速度，m／s2；

h——產生自然風壓的巷道高程，m；

H——通風機在a分支上作用的壓力，Pa。

假設a分支中空氣在某段時間d t內的速度變化為d va，根據動量定理：

式中：m——a分支中空氣的質量，kg；

t——突出動力消失后所經歷的時間，s。

雖然由于自然風壓的作用打破了原有的平衡，造成兩條風路的風量不斷變化，但由于通風機的功率不變，總的風量就不變，因此，a分支的風量減少和w分支的風量增加是相等的。據此可以推算出w分支的風速：

式中：vw——w分支的風速，m／s；v0——a分支的初始風速，m／s；vw0——w分支的初始風速，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機排出，w分支的下部流入正常空氣，所以產生自然風壓的高差h在不斷減小，假設它在d t時間內的減小量為d h，則：

將式 （1）、（2）、（3）、（4）聯立，就可以建立方程組，解方程組就可以得到a分支的風速va以及產生自然風壓的高差h隨時間t的變化關系。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分支的風速即將發生逆轉，風流逆轉的發生將使得w分支中的部分瓦斯逆流入a分支，造成災害擴大。反之，若產生自然風壓的高差h先減小為0，而此時a分支中風速va還大于0，就說明不會發生風流逆轉。需要指出的是，以上的討論是基于風流逆轉之前的狀態，風流發生逆轉后，由于災害的擴大，自然風壓變得復雜，這里不再討論。

根據上面的推導，可以由風流發生逆轉所用的時間長短來表示災害擴大的可能性，即發生逆轉所用的時間越短，越容易發生災害擴大。因此，根據以上的分析，影響風流逆轉的因素，除了靜態分析的3個因素，還應包括兩條巷道的初始風速、巷道斷面積、a分支的風阻和巷道長度。但風流逆轉與否與巷道的其它條件沒有直接關系。

1.2.3 動態分析因素

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分支的初始風速取1 m／s，分支w的初始風速取2 m／s。初始條件取va=1 m／s，h=200 m，用matlab數學軟件進行數值計算，得出兩條曲線，a分支風速和高差隨時間變化的曲線見圖2。

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

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

圖4 改變風阻后a分支風速和高差隨時間變化的曲線

圖4中a分支的風阻取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，風流逆轉時間幾乎不變；圖5（b）中，增加a分支的斷面，逆轉時間增加到7 s。

圖6 a分支長度變化后，a分支風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，風流逆轉時間加快到1～2 s；圖6（b）中a分支長度增加到700 m時，風流逆轉的時間提高到5 s以上。

對比圖2和圖3，a分支初始風速的增加能使風流逆轉所用時間明顯加長，而w分支的初始風速變化對風流逆轉的影響不大；對比圖2和圖4，通過改變風阻系數或斷面周長的方法減小并聯巷道a的風阻，對改變風流逆轉的時間稍有影響，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流逆轉所用時間明顯加長，分支w的斷面積變化對風流逆轉的影響不大；對比圖2和圖6，加長a分支的長度對防止風流逆轉效果明顯。

2 案例分析

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

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

將表1中的數據帶入公式 （1）、 （2）、 （3）、（4）計算。其中的初始風速取幾條串聯巷道關于空氣質量的加權平均值，斷面取關于長度的加權平均值。計算結果見圖7。

在突出動力消失后，直到發生風流逆轉的時刻，a分支和分支w頂端瓦斯濃度是最高的，而突出動力存在時可能就有瓦斯涌向總回風巷。所以總回風巷中，從檢測到瓦斯到瓦斯濃度達到峰值的時間應該比突出動力消失后到風流逆轉的時間稍長。當加權平均速度為-0.45 m／s時，15011回風聯巷中風流開始逆轉，此時距突出動力消失的時間大約為85 s。突出動力消失后，總回風巷從檢測到瓦斯超限、到瓦斯濃度達到峰值的時間大約是110 s。這說明，運用該方法計算的風流逆轉時間是比較可靠的。但計算結果和實測數據還是存在一定的差距，造成誤差的原因可能是在簡化通風系統時忽略了一些風阻較大的角聯巷道。

表1 巷道參數表

圖7 突出案例風流逆轉時間圖

3 防止瓦斯逆流的措施

根據以上分析，影響瓦斯逆流的主要因素有通風機風壓、巷道高差、初始風速、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）減小總進風巷或總回風巷的風阻。減小這些主要巷道的風阻，可以改變通風機的風壓分配，使得容易受突出災害影響的上行風巷道及其并聯巷道兩端的初始風壓更大。同時在主要通風機能力不變的情況下，有助于增加總的風量，提高了風流的動量，使逆流變得更難。

（2）增大傾斜巷道的風量。可以通過增加巷道的風速或者斷面達到這一目的，其實質是增加了巷道中空氣的質量或者增加了空氣的慣性，這樣風流逆轉就更難發生。

（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果增加了巷道的長度，這樣的結果增加了空氣的質量，有助于防止風流逆轉。

以上措施不僅在防止瓦斯逆流方面有積極作用，對于礦井通風和運輸往往也是有利的。另外還能發現許多預防瓦斯逆流的方法，但基本原理也是改變影響瓦斯風流逆轉的這5個因素，從本質上說沒有明顯區別。

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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，內蒙古赤峰人，中國礦業大學 （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。

（責任編輯 張艷華）