基于實驗模擬對瓦斯異常的運移規律及濃度變化研究

高 健

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.同煤集團大斗溝煤業有限公司，山西 大同 037003）

0 引 言

對于礦井瓦斯涌出預測、瓦斯防治及利用等，國內外眾多瓦斯研究者一直積極在這方面進行著系統研究，研究成果和成績斐然[1]。目前比較深入的研究了煤礦瓦斯抽采[2-3]，更多的是對瓦斯基本參數和煤層內瓦斯運移規律的研究[4]。但是對于高度濃度、瓦斯涌出異常時瓦斯氣體運移規律、瓦斯濃度變化和瓦斯影響范圍方面的研究較少，又特別是在認識瓦斯異常時瓦斯混合氣體擴散規律、氣體分布較為欠缺。進而就給機電設備確定安裝區域帶來困難，無法確定安全設置區域；另外就是瓦斯在局部產生災害，因研究還未掌握其機制規律，無法提前預測，提供有效的信息。為了彌補這方面研究空白，本論文基于實驗室模擬對異常涌出瓦斯運移和變化規律進行相應研究，為的是防止瓦斯安全事故發生，這對礦井安全生產具有不可估量的經濟效益和重要理論價值。

1 建立模擬實驗系統

1）主要實驗器材、設備、儀器。為了模擬井下條件，創造與真實工作環境基本相似的狀況，實驗室采用方形管道、瓦斯濃度采集芯片、氣體壓強采集芯片和微震信號采集芯片。其他輔助設備及儀器主要有離心風機、各類傳感器，比如測定瓦斯濃度的，測定成分的、測定氣壓的、檢測微震信號的，還有風速測定儀及創造瓦斯異常的黑火藥。

2）實驗系統。根據實驗原理和實驗內容，實驗系統主要由三部分組成，即試驗部、采集信號輸送部和分析部，整個實驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統

3）實驗方案。根據實驗需要和實驗系統設計圖1，安裝了方形管道、各個傳感器、采集器和電腦軟件。實驗室模擬礦井供風的設備采用離心風機，離心風機可以以壓入式給其提供需要的風量。為了能夠模擬出異常的瓦斯，采用黑火藥爆炸瞬間產生高溫高壓條件，制造出異常涌出高濃度的瓦斯氣體。為了分析異常瓦斯運移規律和濃度變化，在離不同炸藥爆炸處進行監測，距離分別設置為 0.35m、1.55m、2.75m、3.95m，實驗所用的方形管道整個長10m。起爆黑火藥的能量設置了兩組，其量大小分為0.1g、0.05g。

4）實驗過程。整個實驗模擬過程分為三大步驟：實驗前、實驗中和試驗后。

實驗前準備：實驗設備相互連接，啟動離心風機觀察是否滿足使用要求，為實驗創造良好的環境，打開電腦中軟件做全面檢測；若整個系統運行正常，用風速測量儀進行風速測定，并調節風速達到實驗所需的風速。

實驗：風機風速保持一定下，依次選擇黑火藥藥量0.1g、黑火藥藥量0.05g，分別引燃黑火藥，記錄數據；分別對風機關閉和運行狀態情況，進行相應模擬，采用傳感器收集數據，并通過數據線傳輸到電腦進行相應分析，重復進行實驗。

實驗后：主要是整理實驗器材，打掃實驗衛生，整理歸納，分析結果。

2 瓦斯異常時運移規律實驗研究

2.1 實驗模擬沖擊氣壓影響

通過對模擬實驗監測黑火藥藥量為0.1g、0.05g的沖擊氣壓數值，實測部分氣壓曲線如圖2。

圖2（a）是藥量為0.1g爆炸產生的氣壓，圖中一個較大氣壓峰值的均值2889.4，對應的氣壓是1014.9Pa；另一個較大氣壓峰值的均值為2827.1，對應的氣壓是991.8Pa。圖2（b）是藥量為0.05g爆炸產生的氣壓，較大的氣壓峰值數值均值有2321.9、2401.5、2280.3， 相 應 氣 壓 值 為 812.9Pa、840.6Pa、801.2Pa。從距離監測點最近的0.35m來看氣壓監測的沖擊壓力，說明0.1g黑火藥爆炸后產生氣壓值在990～1015Pa之間。0.1g黑火藥與0.05g黑火藥相比，0.05g黑火藥產生的氣壓值相對較小。

圖2 沖擊氣壓曲線

2.2 實驗結果分析

圖3 相同藥量沖擊下不同風速氮氧化物情況

為了觀察不同風速對異常瓦斯運移規律影響，采用對比思想[5]，每組黑火藥藥量相同，實驗設置了三組不同風速，風速一次設置控制為0.6m/s、0.8m/s和1.0m/s。實驗采集點的距離設置了4個距離，每個采集地點距爆源間距和采集氮氧化物濃度隨時間變化情況如圖3所示。

從圖3可以看出，不同風速下，氮氧化物濃度均是從無開始，然后迅速增加，而后下降，最終減至為0。曲線變化趨勢有點近似指數衰減變化，上升斜率明顯大于衰減階段；在藥量一定下，同一監測點，風速越大，氮氧化物濃度較大，進一步增大風速，氮氧化物濃度增幅不是很明顯。

為減少實驗誤差，控制黑火藥藥量大小，采用微震進行控制和采集信號。微震信號[6]能量計數類似于黑火藥爆炸產生的能量，一般采用均方根電壓(Vrms)表示微震信號能量：

式中：Vrms為微震信號能量；T為平均時間；V(t)為信號電壓。

根據高數思想和電子學理論，總能量數E正比于均方電壓Vms從t1到t2時間內積分：

式中：E為總能量數；Vms為均方電壓。

根據公式計算，總能量數結果詳見表1。根據表1能夠得出，藥量相同，微震能量基本一致，藥量增加，微震能量也增加，說明能量計數與藥量大小成線性關系。

表1 瓦斯異常氣體中的氮氧化物和微震信號統計情況

3 瓦斯異常時濃度變化規律

給定約束條件，設置相應參數，模擬瓦斯異常時涌出氣體濃度變化和擴散影響范圍，劃分了瓦斯異常氣體擴散區域。模擬瓦斯異常擴散影響范圍，以濃度變化為縱坐標，時間和距離作為橫坐標，建立的三維模擬如圖4所示。

圖4 影響范圍模擬圖

圖4 中瓦斯濃度區域的劃分，以濃度分布為5%和16%作為界面進行劃分，在瓦斯濃度超過16%以上劃分為爆炸威脅區，爆炸危險區的瓦斯異常時其濃度為5%～16%，瓦斯異常時其濃度低于5%以下劃分為安全區。

為了方便觀察模擬結果，把瓦斯濃度與爆炸時距離作為正視圖剖出來，瓦斯異常時瓦斯濃度隨噴出點的距離變化情況，如圖5所示。

圖5 瓦斯異常時濃度變化范圍

從瓦斯異常時濃度變化范圍圖得出，在坐標點（339,16%）時瓦斯濃度開始超過16%，距離在0～339m之間區域稱之為爆炸威脅區；坐標點（563,5%）是瓦斯濃度處于15%下，距離在339～563m之間區域稱之為爆炸危險區；瓦斯爆炸的可能發生區域為距涌出源大于563m稱之為安全區。說明在距涌出源0～339m極有可能會發生瓦斯爆炸。而在距涌出源超過563m，瓦斯濃度低于5%，不會發生瓦斯爆炸事故。

4 結論

1）根據實驗內容、實驗方案、實驗設施，建立了實驗室模擬瓦斯異常的瓦斯運移規律和濃度變化影響范圍的實驗系統。

2）實驗設置兩種不同藥量，分別進行了沖擊氣壓下瓦斯氣體情況，0.1g黑火藥與0.05g黑火藥相比，實驗表明0.05g黑火藥產生的氣壓值相對較??；實驗模擬了不同風速、距爆源間距對異常瓦斯運移規律影響，氮氧化物濃度呈近似指數衰減變化，上升斜率明顯大于衰減階段；從微震技術實驗說明，微震能量計數與藥量大小成線性關系。

3）根據瓦斯運移擴散影響，分別把瓦斯濃度變化范圍依次劃分為爆炸威脅區、爆炸危險區和完全區。距涌出源0～339m有可能會發生瓦斯爆炸，瓦斯濃度低于5%，不會發生瓦斯爆炸事故。