掘进巷道瓦斯涌出规律及通风机参数优选①

2011-12-26李连坡

华北科技学院学报 2011年2期

关键词：煤巷煤壁风量

李连坡

(枣庄矿业集团新安煤业有限公司通巷二区,山东微山 277642)

掘进巷道瓦斯涌出规律及通风机参数优选①

李连坡②

(枣庄矿业集团新安煤业有限公司通巷二区,山东微山 277642)

利用巷道测定法对新安煤矿3上201运输巷掘进期间煤壁和落煤瓦斯涌出规律进行了现场实测,并通过理论分析建立了掘进煤巷瓦斯涌出量与巷道掘进长度和掘进速度的关系式,测定了煤巷瓦斯排放极限长度并据此计算出掘进巷道在掘进过程中的最大瓦斯涌出量,进而确定了巷道最大需风量,以此为依据进行了巷道局部通风机通风参数的优选。

掘进煤巷;瓦斯涌出;通风参数

0 引言

矿井瓦斯是影响煤矿安全生产的重要危险因素之一,是煤矿“一通三防”工作的重点,瓦斯涌出量是矿井通风管理的主要指标。掘进通风是矿井通风的一个重要组成部分,掘进通风的目的是冲淡并排除井巷掘进时的有害气体和矿尘,并提供良好的气候条件。掘进通风的特点在于井巷独头部分不能形成循环风流,必须采用导风设施,使新鲜风流与污浊风流隔开,且多数需要专门的动力设备,因而通风管理比较困难。随着矿井机械化程度的提高,长走向采煤工作面的普及和推广,高瓦斯、长距离掘进工作面的通风管理已经成为局部通风的主要工作。

1 掘进煤巷瓦斯涌出规律

1.1 综掘煤巷瓦斯涌出特征

瓦斯预测是瓦斯防治的重要技术环节。由于机械化掘进强度大、速度快,综掘工作面瓦斯涌出独具特征,其主要体现在：

1)与炮掘工作面相比,掘进速度加快,绝对瓦斯涌出量增大。由于综掘与炮掘工艺不同,前者比后者掘进速度快得多,煤层瓦斯释放速度加快,而稀释的时间又不像炮掘那样充分,因此,工作面绝对瓦斯涌出量明显增加。

2)瓦斯涌出的不均匀性相对减小。综掘工作面的综掘工序有明显的连续性,瓦斯涌出量尽管有波动,但与炮掘工作面相比,不均匀性相对下降。

3)相对瓦斯涌出量减小。综掘工作面掘进速度快,落煤与运煤基本是流水线,加之机械落煤的粒度分布均匀,使存在于落煤中的吸附瓦斯未待充分解吸就随着运输机很快地被运出工作面,使煤产量增加的倍数大于瓦斯涌出量增加的倍数。

4)绝对瓦斯涌出量增大。由于综掘工作面机械设备较多,人员相对也多,空间小;而掘进速度加快,落煤量增加,绝对瓦斯涌出量相应增大。

1.2 掘进巷道瓦斯涌出组成

掘进煤巷的瓦斯涌出主要来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头煤壁涌出瓦斯。

1)煤壁瓦斯涌出规律。掘进工作面瓦斯涌出量大小主要取决于煤壁的瓦斯涌出强度,通常以每平方米煤壁单位时间内涌出的瓦斯量来表示煤壁瓦斯涌出强度。

煤壁瓦斯涌出强度的大小取决于煤层的瓦斯压力、煤层的空隙和裂隙结构、煤对瓦斯的吸附性能以及空间条件。当其它条件不变时,煤壁瓦斯涌出强度是暴露时间的函数,可用下式表示：

式中,V1——煤壁经过1+t时间后,单位面积内瓦斯涌出强度,m3/m2·d;V0——煤壁在t=0时的瓦斯解吸强度,m3/m2·d;t——排放瓦斯时间,d;α——瓦斯解吸强度衰减系数。

2)落煤瓦斯涌出规律。掘进巷道的另一部分瓦斯来源是从落煤中涌出的,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。落煤瓦斯涌出规律可用下式表示：

式中,V1——单位质量煤体经过1+t时间后的瓦斯涌出强度,m3/t·min;V0——采落煤在t=0时的瓦斯解吸强度,m3/t·min;t——落煤暴露时间,min;β——瓦斯解吸强度衰减系数。

2 掘进巷道瓦斯涌出量测定与计算

2.1 煤壁瓦斯涌出量测定

在巷道开挖和掘进过程中,巷道周围煤体应力状态发生变化,形成卸压带,在煤层卸压带内,煤体被压裂破碎,形成大量裂隙,煤体的渗透性能增大,瓦斯压力平衡状态也被破坏,在压力梯度的作用下,煤体内部的瓦斯向巷道空间涌出,随着煤壁暴露时间的增长,瓦斯涌出量逐渐降低,为研究煤壁瓦斯涌出量同时间的关系,采用巷道测定法对3上201掘进煤巷煤壁瓦斯涌出强度进行了测定。沿巷道每隔一定的距离设置测点,定期测定各测点的风量和瓦斯浓度,然后根据各测段巷道长度、暴露时间等计算单位时间单位长度巷道煤壁瓦斯涌出强度qt。实测结果见表1。

表1 掘进煤巷瓦斯涌出规律测定结果

根据表1中数据绘制瓦斯涌出强度qt和暴露时间t的关系曲线,见图1：

图1 煤壁瓦斯涌出强度与暴露时间关系曲线

由图1可以看出,煤壁瓦斯涌出强度qt和暴露时间t近似呈双曲线关系。qt和t的关系可用如下公式表示：

式中,qt——经过时间t后煤壁瓦斯涌出强度, m3/min·m;q0——初始煤壁瓦斯涌出系数,m3/ min·m;t——煤壁暴露时间,d;α——煤壁瓦斯衰减系数,d-1。

采用回归分析对实测数据进行计算得q0= 0.367,α=1.08。则巷道煤壁瓦斯涌出规律为：

将式(3)中t用l/v代替,则式(3)变为：

式中,l——巷道长度,m;v——掘进速度,m/d。

根据式(5),在微小长度dl内,瓦斯涌出强度可用如下微分方程表示：

令Q1为巷道掘进lm后的总瓦斯涌出量,单位是m3/min,则有：

式(8)即为煤壁瓦斯涌出规律。

2.2 落煤瓦斯涌出量计算

掘进巷道中瓦斯涌出的另一个重要来源是落煤瓦斯涌出,落煤瓦斯涌出可按下式计算：

式中,Q2——落煤瓦斯涌出量,m3/min;b——巷道宽度,m;h——每层厚度,m;w0,w1——分别为煤层的原始瓦斯含量与剩余瓦斯含量,m3/m3。根据实际情况,将实测数据带入式(9)得：

2.3 掘进巷道总的瓦斯涌出量

掘进巷道瓦斯涌出量包括煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量两部分之和,即由式(8)和式(10)可得巷道总的瓦斯涌出规律为：

Q——巷道总瓦斯涌出量,m3/min。

3 瓦斯排放极限长度与最大瓦斯涌出量

巷道煤壁瓦斯涌出强度随时间的延长而衰减,当煤壁暴露一定时间以后可以认为瓦斯不再涌出,即巷道掘进长度达到一定值时,巷道瓦斯涌出量保持最大值,此掘进长度即为瓦斯排放极限长度。瓦斯排放极限长度采用如下方法测得：从掘进工作面起沿巷道长度逐点检查瓦斯涌出量,其值不再增高的点对应的长度即为极限长度。此次观测到距迎头1050m时没有发现瓦斯值不再增高点,此时瓦斯涌出强度为0.0006m3/min·m,则认为还没有达到瓦斯排放极限长度。现采用工程精度判断瓦斯排放极限长度。

根据测值的不同测段单位面积单位时间的瓦斯涌出量计算结果,选取其中最大和最小值,求出其比例关系为：0.0006/0.093=0.6%,0.6%可以说明暴露时间的测点间的煤壁单位时间单位面积的瓦斯涌出能力相对于暴露时间较短的煤壁,其值已经比较小。虽然没有达到理论上的瓦斯排放极限,但如果能够满足人为设定1%的工程要求,则可以近似认为其代表的暴露时间已达到瓦斯排放极限。即可认为瓦斯排放极限长度为1050m。则根据式(11)计算可得3上201掘进煤巷最大瓦斯涌出量为：