采煤工作面回風巷瓦斯氣團漂移現(xiàn)象初探*

崔洪慶，李瑩瑩

( 1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室(省部共建國家重點實驗室培育基地)，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

瓦斯是一種無色、無味、無嗅的氣體，人們無法直接感知其存在。然而，在煤礦采掘空間里，實實在在到處彌漫著瓦斯氣體。如果對采掘空間的瓦斯氣體運移特征和規(guī)律了解不清，治理不當，瓦斯氣體將會威脅人員和生產(chǎn)安全，甚至會發(fā)生瓦斯爆炸。因而，采掘空間瓦斯運移問題歷來是煤礦安全研究的焦點。

目前，公認瓦斯氣體的運移方式和驅(qū)動力主要包括：濃度差驅(qū)動下的氣體擴散、壓力差驅(qū)動下的氣體運動和浮力驅(qū)動下的氣體漂浮。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散[1]，由壓力大的地方向壓力小的地方運動[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]。

回采工作面回風巷中瓦斯氣體的擴散和運移現(xiàn)象可能更為復雜。基于對回采工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究，筆者認為，除了濃度差驅(qū)動、壓力差驅(qū)動和浮力驅(qū)動下的3種瓦斯氣體運移形式外，在煤礦回采工作面回風巷中，還存在一種特殊的瓦斯氣體運移形式——氣團漂移。盡管這種瓦斯運移形式，在示蹤氣體和煤與瓦斯突出試驗研究中有一些描述[6-7]，但是，正常生產(chǎn)情況下回風巷中的瓦斯氣團長距離漂移現(xiàn)象及其安全生產(chǎn)應(yīng)用價值卻很少得到重視。

1　瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

我國煤礦現(xiàn)已普遍采用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(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)在距回風巷10～15 m處。T1和T3隨采面推進不斷改變位置，T2位置始終不變(見圖1)。各探頭可分別實時監(jiān)測到各自位置風流中的瓦斯體積分數(shù)值(瓦斯?jié)舛?，并可通過瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測終端。

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

2　回風巷中的瓦斯氣團

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流中的瓦斯?jié)舛?瓦斯體積分數(shù))經(jīng)常發(fā)生變化[11-12]，采煤生產(chǎn)工序割煤或落煤時，會產(chǎn)生大量瓦斯氣體[13-14]。通常認為，新產(chǎn)生的瓦斯氣體，在通風風流的作用下，很快發(fā)生濃度擴散，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，最終被回風風流帶出采掘空間[15-16]。

事實上，回采工作面新產(chǎn)生的高濃度瓦斯氣體，經(jīng)過一定程度的稀釋后，能夠在回風巷中形成瓦斯氣團。并且，這種瓦斯氣團隨回風風流一起，漂移很長距離仍能保持氣團內(nèi)部的濃度結(jié)構(gòu)不變。這一特征，可以通過采煤工作面回風巷中相鄰2個瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯谋O(jiān)測曲線波形和波幅的相似性得到證實。

圖2是根據(jù)某礦16021工作面回風巷中，2個相距492 m的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱐1和T2，在24 h內(nèi)監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制的可視化曲線(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)測曲線

(b) 0：00—6:00點監(jiān)測曲線圖2　回采工作面16021回風巷瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱐1和T2監(jiān)測曲線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時間之間，回采工作面綜采機組割煤作業(yè)產(chǎn)生了大量瓦斯氣體，T1和T2瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線先后出現(xiàn)了高值段。因為傳感器T1和T2瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線波形和波幅的相似性，可以判斷先后探測到的是同一個瓦斯氣團。該瓦斯氣團從T1所在的巷道位置運動到T2的位置，沿途經(jīng)過492 m，雖然有新源瓦斯涌入和一定程度的濃度擴散，使T2探測到的瓦斯?jié)舛惹€與T1相比較，在基值上有一定變化，但是，T2探測到的瓦斯?jié)舛惹€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)測曲線的整體波形都保持不變。說明傳感器T1探測到的瓦斯氣團，在到達T2之后，沒有與空氣完全均勻混合，仍然保持著氣團在T1位置時的內(nèi)部濃度分布特征，以致傳感器T2探測到的氣團濃度整體變化特征與傳感器T1探測到的特征幾乎完全相同。在17:00—24:00時間之間，也可以看到類似情況，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段，與采煤循環(huán)完全對應(yīng)。

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

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

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

因而，筆者認為，如同天空中的云朵隨風飄動一樣，回采工作面回風巷中的瓦斯氣團，在通風風流的攜帶下，同樣能夠以氣團的方式，由上游向下游漂移，經(jīng)過數(shù)百米距離，氣團濃度結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化；而且，在回采工作面回風巷中，風流攜帶氣團漂移的瓦斯氣體運移形式是一種普遍現(xiàn)象。

3　瓦斯氣團漂移速度計算

3.1　計算公式

回采工作面回風巷中，風流攜帶氣團漂移的瓦斯運移形式，使相鄰的2個傳感器能夠先后探測到波形和波幅相似的同一個氣團。瓦斯氣團平均漂移速度可以根據(jù)傳感器T1和T2先后探測到同一氣團的時間差和兩個傳感器之間的實際距離計算出來。計算公式為：

V=L/Δt

(1)

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

3.2　應(yīng)用驗證

圖4為根據(jù)某礦16021工作面回風巷中T1和T2相鄰2個傳感器的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的瓦斯?jié)舛茸兓瘯r間序列曲線。

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

在此期間，T1和T2兩個傳感器相距630 m，先后探測到了波形和波幅相似的瓦斯?jié)舛茸兓€，表明多個高濃度瓦斯氣團先后被T1和T2監(jiān)測到。為了計算瓦斯氣團平均漂移速度，可以分別從T1和T2監(jiān)測曲線上，選取一個相同氣團的曲線特征點(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)，計算該瓦斯氣團在T1和T2間的平均漂移速度為2.1 m·s-1,計算過程如下：

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，對回風巷中瓦斯氣團漂移速度進行了計算，并與巷道中風速傳感器探測到的風速值進行了比較(見表1)。結(jié)果表明： 兩者的絕對誤差小于0.29 m·s-1，相對誤差小于13.6%。

表1　瓦斯氣團漂移速度計算值與巷道風速監(jiān)測值對比Table 1　The comparison of calculating migration velocityof gas mass with monitoring air flow rate

4　應(yīng)用價值

就煤礦安全生產(chǎn)而言，對回風巷中瓦斯氣團的研究，有3個方面的重要應(yīng)用：

1)在礦井災害防治方面，有助于消除高濃度瓦斯氣團可能帶來的隱患。回風風流中瓦斯氣團的存在，特別是出現(xiàn)了高濃度瓦斯氣團，可能具有使人窒息和發(fā)生爆炸的危險，需要嚴加監(jiān)控，并采取特殊的輔助通風措施，使其盡快與空氣混合稀釋，避免高濃度瓦斯氣團滯留致災，確保人員和生產(chǎn)安全。

2)在通風管理方面，瓦斯氣團漂移現(xiàn)象為安全生產(chǎn)管理人員提供了一種井上實時測定回風巷中瓦斯運移速度的新手段。可以利用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)井下2個相鄰瓦斯?jié)舛葌鞲衅魈綔y到同一瓦斯氣團的時間差和2個傳感器之間的實際距離，在井上實時計算回風巷中瓦斯氣體平均運移速度。通過計算瓦斯氣體運移速度，并與井下通風風流現(xiàn)場實測風速進行比較分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)人工風速觀測可能產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，使礦井通風數(shù)據(jù)更加準確可靠。并且有助于優(yōu)化回采工作面通風設(shè)計。

3)由于瓦斯氣團漂移現(xiàn)象的存在，相鄰瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂軌蛳群筇綔y到同一個瓦斯氣團，相鄰瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞅O(jiān)測到的瓦斯?jié)舛茸兓€具有波形和波幅相似的特點。據(jù)此關(guān)聯(lián)性可以比較準確地判斷瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯墓ぷ鳡顟B(tài)，及時發(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，可能在回風巷中形成瓦斯氣團，在回風風流的攜帶下發(fā)生整體漂移?；仫L風流中發(fā)現(xiàn)高濃度瓦斯氣團時，需要采取特殊的輔助通風措施，使其與空氣混合稀釋，及時消除隱患。

2)采煤工作面回風巷中，相鄰的瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂軌蛱綔y到同一個瓦斯氣團。同一個瓦斯氣團經(jīng)過相鄰2個傳感器時，2個傳感器探測到的瓦斯?jié)舛入S時間變化的曲線特征具有波形和波幅相似性。

3)利用同一瓦斯氣團被相鄰2個傳感器探測到的時間差和2個傳感器之間的實際距離，能夠計算回采工作面回風巷中瓦斯氣團平均漂移速度。這種方法提供了一種極為便捷的采煤工作面回風巷瓦斯運移狀況井上實時監(jiān)測手段。

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