炮掘巷道內(nèi)CO超限規(guī)律及控制對(duì)策

胡　洋，康懷宇，朱建芳

(華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601)

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炮掘巷道內(nèi)CO超限規(guī)律及控制對(duì)策

胡洋，康懷宇，朱建芳

(華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601)

[摘要]為了徹底解決炮掘巷道內(nèi)放炮后發(fā)生的炮煙熏人事故，確定放炮后爆破人員再次進(jìn)入工作面作業(yè)的安全時(shí)間。針對(duì)西山煤電屯蘭礦一段正在掘進(jìn)的巷道內(nèi)CO超限規(guī)律進(jìn)行了較為詳細(xì)的試驗(yàn)研究。通過(guò)改變幾組試驗(yàn)條件，得到放炮后巷道內(nèi)幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的CO濃度走時(shí)規(guī)律以及CO濃度超限的時(shí)間分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上建立放炮后爆破人員再次進(jìn)入工作面安全時(shí)間的計(jì)算模型，定性給出了巷道內(nèi)降低CO濃度的幾點(diǎn)有效措施，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)均起到了至關(guān)重要的作用。

[關(guān)鍵詞]超限規(guī)律；控制對(duì)策；安全時(shí)間；事故預(yù)防

[引用格式]胡洋，康懷宇，朱建芳.炮掘巷道內(nèi)CO超限規(guī)律及控制對(duì)策[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(6)：119-122.

炮掘巷道爆破后產(chǎn)生的有毒有害氣團(tuán),一部分直接進(jìn)入巷道中，與空氣相混合， 一部分進(jìn)入巷道內(nèi)的破碎礦巖中， 還有一部分在爆炸壓力作用下被擠入礦巖裂縫中[1-3]。隨著采礦生產(chǎn)的進(jìn)行，后兩部分最終將排至井下空氣中，這些有毒有害氣體均是造成炮煙熏人事故的直接原因。而煤礦井下掘進(jìn)工作面環(huán)境十分惡劣，有時(shí)巷道長(zhǎng)度超過(guò)1000m，并且巷道存在一定的坡度。當(dāng)發(fā)生炮煙熏人事故時(shí)，事故人員無(wú)法及時(shí)脫離危險(xiǎn)區(qū)域得到有效救治，因此造成了不可挽回的損失。所以，炮掘巷道爆破作業(yè)后CO濃度分布規(guī)律以及確定工人可以再次返回工作面作業(yè)的安全時(shí)間問(wèn)題成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)內(nèi)容[4-7]，而本文的工作正是圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)的。

1試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件概述

1.1巷道掘進(jìn)情況概述

本文試驗(yàn)所選用的巷道位于西山煤電屯蘭礦南五盤(pán)區(qū)的12501工作面低位抽采巷，北西為12501掘進(jìn)運(yùn)煤措施巷，北東為12501高抽巷，南西為已回采的12503工作面，南東為12501膠帶巷。巷道均為沿4號(hào)煤層頂板掘進(jìn)的回采巷道。12501低位抽采巷的施工長(zhǎng)度1653.495m，開(kāi)口沿2號(hào)煤頂板施工35m后以-10°坡施工，見(jiàn)4號(hào)煤后沿4號(hào)煤頂板施工。掘進(jìn)工作面位于南五盤(pán)區(qū)，巷道呈矩形斷面。12501低位抽采巷凈寬4m，凈高為3.0m；斷面面積為12m2，沿4號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。

1.2試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)的位置

試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，12501工作面已經(jīng)掘進(jìn)800m，巷道傾斜角度3～10°，根據(jù)試驗(yàn)需要及現(xiàn)場(chǎng)條件，本次試驗(yàn)共選擇了巷道的4個(gè)斷面，每個(gè)斷面上布置1～2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)均布置在回風(fēng)流中，4個(gè)斷面選擇為距掘進(jìn)工作面迎頭25m，180m，476m和距離回風(fēng)口12m處。具體傳感器布置如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)中傳感器位置布置

1.3試驗(yàn)條件

3組不同試驗(yàn)條件如表1所示。表1中第1組試驗(yàn)條件是爆破作業(yè)規(guī)程中的標(biāo)準(zhǔn)條件，即風(fēng)量與炸藥量剛好符合要求[8]；第2組試驗(yàn)條件的特點(diǎn)是風(fēng)量與標(biāo)準(zhǔn)條件相同，一次起爆的炸藥量略少；第3組試驗(yàn)條件的特點(diǎn)是一次起爆的炸藥量與標(biāo)準(zhǔn)條件相同，而通風(fēng)量是標(biāo)準(zhǔn)條件的1.38倍。

表1　3組不同試驗(yàn)條件

2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1不同觀測(cè)點(diǎn)的濃度到時(shí)曲線

3種不同工況條件下各觀測(cè)點(diǎn)的CO濃度隨時(shí)間變化曲線如圖2～6所示。

圖2　觀測(cè)點(diǎn)1的CO濃度時(shí)間曲線

圖3　觀測(cè)點(diǎn)2的CO濃度時(shí)間曲線

圖4　觀測(cè)點(diǎn)3的CO濃度時(shí)間曲線

圖5　觀測(cè)點(diǎn)4的CO濃度時(shí)間曲線

圖6　觀測(cè)點(diǎn)5的CO濃度時(shí)間曲線

以圖2為例，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)1在3種工況條件下進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：

(1)工況1和工況2的風(fēng)量是相同的，工況1的炸藥量略大于工況2，風(fēng)量相同意味著推動(dòng)含CO混合氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力近似相同，因此兩種情況下觀測(cè)點(diǎn)1峰值出現(xiàn)的時(shí)間相同，均在放炮后62s這個(gè)時(shí)刻。由于工況1的炸藥量略大于工況2，因此生成的CO量較多，所以峰值也較高，在觀測(cè)點(diǎn)1處工況1的超限峰值為348×10-6，工況2的峰值為325×10-6。

(2)工況1和工況3的炸藥量是相同的，工況3的風(fēng)量大于工況1，風(fēng)量大意味著推動(dòng)含CO混合氣團(tuán)的動(dòng)力就大，氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度就快，因此工況3達(dá)到超限峰值的時(shí)間要快于工況1和工況2，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，這個(gè)時(shí)間為19s。工況1和工況3的炸藥量相同，意味著CO濃度峰值應(yīng)該相同[9]，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻顯示工況3的超限峰值比工況1低了很多，甚至比工況2還要低，這個(gè)現(xiàn)象可以由含CO混合氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)模型來(lái)解釋[10]，風(fēng)量在推動(dòng)含CO混合氣團(tuán)發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還會(huì)增加氣團(tuán)在軸向和橫向的擴(kuò)散速率，因此出現(xiàn)了上面的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖3至圖6分別給出了觀測(cè)點(diǎn)2至觀測(cè)點(diǎn)5在3種不同工況下CO濃度隨時(shí)間變化的曲線，可以看出幾組試驗(yàn)曲線非常相似，爆破后炮掘巷道內(nèi)CO濃度的變化規(guī)律仍然符合上述2點(diǎn)結(jié)論。

除此之外，從圖2至圖6 中還可以看出，炮掘巷道放炮后CO濃度的最高值出現(xiàn)在巷道中距工作面25m左右，25～200m內(nèi)CO濃度峰值隨距離增加而減小，峰值衰減很快，呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律；在200～800m之間，CO濃度峰值始終趨于穩(wěn)定，濃度在(120～130)×10-6之間。而本次試驗(yàn)的最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)是在距掘進(jìn)工作面約800m處，在這個(gè)測(cè)點(diǎn)前包括這個(gè)測(cè)點(diǎn)， CO濃度峰值曲線并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)或拐點(diǎn)，這個(gè)平穩(wěn)的CO濃度峰值曲線似乎可以外推到足夠遠(yuǎn)處。由這一現(xiàn)象又可得出下述2點(diǎn)結(jié)論：

(1)掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后，炮掘巷道內(nèi)出現(xiàn)CO濃度超限是必然現(xiàn)象，與掘進(jìn)工作面的通風(fēng)量和巷道長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系，僅與炸藥本身的特性有關(guān)。因此，用增大掘進(jìn)工作面通風(fēng)量的方法來(lái)消除爆破后掘進(jìn)巷道CO濃度超限的現(xiàn)象是不可能實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)量增加只會(huì)加快氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度。

(2)降低混合氣團(tuán)中CO的濃度，直接向氣團(tuán)中摻入新鮮風(fēng)流比增加推動(dòng)氣團(tuán)運(yùn)移的風(fēng)量效果更好。因此，建議采用分段通風(fēng)的方式來(lái)降低巷道內(nèi)CO濃度超限的問(wèn)題。

2.2不同位置CO濃度隨時(shí)間分布

圖7的3條試驗(yàn)曲線清晰顯示出如下規(guī)律：

圖7　工況1時(shí)CO運(yùn)移時(shí)間曲線

(1)掘進(jìn)工作面放炮后沿巷道軸線方向不同斷面上開(kāi)始出現(xiàn)CO氣體的時(shí)間，與該巷道斷面距工作面的距離呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。

(2)掘進(jìn)工作面放炮后沿巷道軸線方向不同斷面上CO濃度降低到某一特定值的時(shí)間，也與該巷道斷面距工作面的距離呈現(xiàn)同樣近似的線性關(guān)系。

(3)掘進(jìn)巷道軸線方向不同斷面上開(kāi)始出現(xiàn)CO的時(shí)間曲線與CO濃度降低到某一特定數(shù)值的時(shí)間曲線，不僅均近似為直線，而且2條直線近似平行。這是關(guān)于CO氣團(tuán)在巷道風(fēng)流中運(yùn)移過(guò)程非常具有價(jià)值的結(jié)論。

圖8為工況1時(shí)CO超限時(shí)長(zhǎng)分布圖。根據(jù)圖8可知，各測(cè)點(diǎn)CO濃度超過(guò)24×10-6的時(shí)間長(zhǎng)度為10～15.4min，超過(guò)100×10-6時(shí)間長(zhǎng)度為3～5min，掘進(jìn)巷道的任何斷面處都會(huì)出現(xiàn)10～15.4min的CO濃度超過(guò)24×10-6的現(xiàn)象。同理，掘進(jìn)巷道的任何斷面處都會(huì)出現(xiàn)3～5min的CO濃度超過(guò)100×10-6的現(xiàn)象。掘進(jìn)工作面風(fēng)流，爆破后經(jīng)過(guò)10～15.4min的時(shí)間，CO濃度就低于24×10-6了，符合《煤礦安全規(guī)程》對(duì)作業(yè)環(huán)境的規(guī)定要求。也就是說(shuō)，爆破后經(jīng)過(guò)10～15.4min的時(shí)間，人員就可以再次進(jìn)入工作面作業(yè)了。而在巷道內(nèi)行走，進(jìn)入掘進(jìn)工作面的過(guò)程中，是否會(huì)經(jīng)過(guò)CO濃度超過(guò)24×10-6的區(qū)域，這正是下面要研究回答的安全時(shí)間問(wèn)題。

圖8　工況1時(shí)CO超限時(shí)長(zhǎng)分布

3安全時(shí)間的計(jì)算模型

從圖8分析可知，假設(shè)放炮后作業(yè)人員從距離放炮作業(yè)工作面100m處的硐室或者聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入該掘進(jìn)工作面，按照作業(yè)規(guī)程規(guī)定的巷道可以施工最高CO 允許濃度為24×10-6的要求，開(kāi)始進(jìn)入掘進(jìn)巷道的時(shí)間應(yīng)該是放炮后CO到達(dá)的時(shí)間，約2.377min，與該斷面處CO濃度超過(guò)24×10-6的持續(xù)時(shí)間約15.4min之和，即放炮后作業(yè)人員從距離放炮作業(yè)工作面100m處進(jìn)入該掘進(jìn)工作面的開(kāi)始時(shí)間為18min。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得出如下2個(gè)近似計(jì)算公式作為爆破作業(yè)人員放炮后再次進(jìn)入工作面作業(yè)的安全時(shí)間判據(jù)。

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下：

Tj=0.0317L+14.607

(1)

在非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下：

Tj=0.0317L-0.793+C

(2)

式中，Tj為爆破后距工作面L(m)位置處，爆破作業(yè)人員可以開(kāi)始再次進(jìn)入炮掘巷道的安全時(shí)間，min；L為爆破作業(yè)人員放炮后再次進(jìn)入炮掘巷道入口處距掘進(jìn)工作面的距離，m；C為爆破作業(yè)人員進(jìn)入炮掘巷道入口處的CO濃度等于或超過(guò)24×10-6的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，min。

在公式(1)和(2)推導(dǎo)過(guò)程中假定了當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，L=25m，實(shí)際上按照炮煙拋擲理論公式計(jì)算[8]，此時(shí)，L=15+G/5=18.76m，而不是計(jì)算模型中的25m，因?yàn)樵谠囼?yàn)中放炮時(shí)間是爆破作業(yè)人員在井下記錄的，數(shù)據(jù)采集過(guò)程則是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)記錄的，沒(méi)有辦法統(tǒng)一起來(lái)，因此模型中把第1個(gè)測(cè)點(diǎn)，即到工作面25m的距離看成是炮煙拋擲距離了，這樣出現(xiàn)了一點(diǎn)很小的誤差，造成測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)3的直線方程斜率比測(cè)點(diǎn)1與其他觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)建線性方程的斜率偏大，計(jì)算出來(lái)的CO到達(dá)時(shí)間也更遲了一點(diǎn)，不過(guò)從爆破作業(yè)人員的安全角度考慮是有重大意義的。

4結(jié)論

本文的研究目的在于解決放炮后巷道內(nèi)CO超限而造成炮煙熏人這一熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)的方法總結(jié)了巷道內(nèi)CO氣團(tuán)的運(yùn)移規(guī)律，并且定量地給出了放炮后爆破作業(yè)人員再次返回工作面作業(yè)的安全時(shí)間計(jì)算方法。這些研究成果為煤礦安全生產(chǎn)提供合理的理論依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

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CO Overrun Rule and Control Countermeasures in Blasting Driving Roadway

HU Yang，KANG Huai-yu，ZHU Jian-fang

(Hebei Provincial Key Laboratory of Mine Disaster Prevention，North China Institute of Science & Technology，Beijing 101601，China)

Abstract：In order to confirm safety time of personnel entering driving face after blasting for avoiding poisoning disaster，A test of CO overrun rule was made in a driving roadway of Tunlan Colliery.By changing test conditions，the CO concentration variation and overrun distribution rule was obtained.On the basis of this，a calculation model of safety time of personnel entering driving face was set up.Countermeasures for reducing CO concentration in roadway were put forward which had important significance for safety mining.

Keywords：overrun rule；control countermeasure；safety time；disaster prevention

[作者簡(jiǎn)介]胡洋(1979-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，講師，從事礦井瓦斯防治工作。

[基金項(xiàng)目]中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)基金資助項(xiàng)目(AQ2013A01)；華北科技學(xué)院煤礦火災(zāi)防治新材料及應(yīng)用技術(shù)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(3142015021)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.032

[收稿日期]2015-04-30

[中圖分類號(hào)]TD711

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0119-04