炮掘巷道内CO超限规律及控制对策

胡　洋，康怀宇，朱建芳

(华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601)



炮掘巷道内CO超限规律及控制对策

胡洋，康怀宇，朱建芳

(华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601)

[摘要]为了彻底解决炮掘巷道内放炮后发生的炮烟熏人事故，确定放炮后爆破人员再次进入工作面作业的安全时间。针对西山煤电屯兰矿一段正在掘进的巷道内CO超限规律进行了较为详细的试验研究。通过改变几组试验条件，得到放炮后巷道内几个观测点处的CO浓度走时规律以及CO浓度超限的时间分布规律，并在此基础上建立放炮后爆破人员再次进入工作面安全时间的计算模型，定性给出了巷道内降低CO浓度的几点有效措施，对煤矿安全生产均起到了至关重要的作用。

[关键词]超限规律；控制对策；安全时间；事故预防

[引用格式]胡洋，康怀宇，朱建芳.炮掘巷道内CO超限规律及控制对策[J].煤矿开采，2015，20(6)：119-122.

炮掘巷道爆破后产生的有毒有害气团,一部分直接进入巷道中，与空气相混合， 一部分进入巷道内的破碎矿岩中， 还有一部分在爆炸压力作用下被挤入矿岩裂缝中[1-3]。随着采矿生产的进行，后两部分最终将排至井下空气中，这些有毒有害气体均是造成炮烟熏人事故的直接原因。而煤矿井下掘进工作面环境十分恶劣，有时巷道长度超过1000m，并且巷道存在一定的坡度。当发生炮烟熏人事故时，事故人员无法及时脱离危险区域得到有效救治，因此造成了不可挽回的损失。所以，炮掘巷道爆破作业后CO浓度分布规律以及确定工人可以再次返回工作面作业的安全时间问题成为学者们研究的重点内容[4-7]，而本文的工作正是围绕这一问题展开的。

1试验现场条件概述

1.1巷道掘进情况概述

本文试验所选用的巷道位于西山煤电屯兰矿南五盘区的12501工作面低位抽采巷，北西为12501掘进运煤措施巷，北东为12501高抽巷，南西为已回采的12503工作面，南东为12501胶带巷。巷道均为沿4号煤层顶板掘进的回采巷道。12501低位抽采巷的施工长度1653.495m，开口沿2号煤顶板施工35m后以-10°坡施工，见4号煤后沿4号煤顶板施工。掘进工作面位于南五盘区，巷道呈矩形断面。12501低位抽采巷净宽4m，净高为3.0m；断面面积为12m2，沿4号煤层顶板掘进。

1.2试验观测点的位置

试验进行过程中，12501工作面已经掘进800m，巷道倾斜角度3～10°，根据试验需要及现场条件，本次试验共选择了巷道的4个断面，每个断面上布置1～2个测试点，测试点均布置在回风流中，4个断面选择为距掘进工作面迎头25m，180m，476m和距离回风口12m处。具体传感器布置如图1所示。

图1　试验中传感器位置布置

1.3试验条件

3组不同试验条件如表1所示。表1中第1组试验条件是爆破作业规程中的标准条件，即风量与炸药量刚好符合要求[8]；第2组试验条件的特点是风量与标准条件相同，一次起爆的炸药量略少；第3组试验条件的特点是一次起爆的炸药量与标准条件相同，而通风量是标准条件的1.38倍。

表1　3组不同试验条件

2试验数据分析

2.1不同观测点的浓度到时曲线

3种不同工况条件下各观测点的CO浓度随时间变化曲线如图2～6所示。

图2　观测点1的CO浓度时间曲线

图3　观测点2的CO浓度时间曲线

图4　观测点3的CO浓度时间曲线

图5　观测点4的CO浓度时间曲线

图6　观测点5的CO浓度时间曲线

以图2为例，对观测点1在3种工况条件下进行分析，可得到如下结论：

(1)工况1和工况2的风量是相同的，工况1的炸药量略大于工况2，风量相同意味着推动含CO混合气团运动的动力近似相同，因此两种情况下观测点1峰值出现的时间相同，均在放炮后62s这个时刻。由于工况1的炸药量略大于工况2，因此生成的CO量较多，所以峰值也较高，在观测点1处工况1的超限峰值为348×10-6，工况2的峰值为325×10-6。

(2)工况1和工况3的炸药量是相同的，工况3的风量大于工况1，风量大意味着推动含CO混合气团的动力就大，气团运动速度就快，因此工况3达到超限峰值的时间要快于工况1和工况2，从试验数据来看，这个时间为19s。工况1和工况3的炸药量相同，意味着CO浓度峰值应该相同[9]，但是试验数据却显示工况3的超限峰值比工况1低了很多，甚至比工况2还要低，这个现象可以由含CO混合气团运动模型来解释[10]，风量在推动含CO混合气团发生平移运动的同时还会增加气团在轴向和横向的扩散速率，因此出现了上面的试验现象。

图3至图6分别给出了观测点2至观测点5在3种不同工况下CO浓度随时间变化的曲线，可以看出几组试验曲线非常相似，爆破后炮掘巷道内CO浓度的变化规律仍然符合上述2点结论。

除此之外，从图2至图6 中还可以看出，炮掘巷道放炮后CO浓度的最高值出现在巷道中距工作面25m左右，25～200m内CO浓度峰值随距离增加而减小，峰值衰减很快，呈现指数衰减规律；在200～800m之间，CO浓度峰值始终趋于稳定，浓度在(120～130)×10-6之间。而本次试验的最后一个测点是在距掘进工作面约800m处，在这个测点前包括这个测点， CO浓度峰值曲线并没有出现明显的下降趋势或拐点，这个平稳的CO浓度峰值曲线似乎可以外推到足够远处。由这一现象又可得出下述2点结论：

(1)掘进工作面爆破作业后，炮掘巷道内出现CO浓度超限是必然现象，与掘进工作面的通风量和巷道长度没有关系，仅与炸药本身的特性有关。因此，用增大掘进工作面通风量的方法来消除爆破后掘进巷道CO浓度超限的现象是不可能实现的，风量增加只会加快气团的运动速度。

(2)降低混合气团中CO的浓度，直接向气团中掺入新鲜风流比增加推动气团运移的风量效果更好。因此，建议采用分段通风的方式来降低巷道内CO浓度超限的问题。

2.2不同位置CO浓度随时间分布

图7的3条试验曲线清晰显示出如下规律：

图7　工况1时CO运移时间曲线

(1)掘进工作面放炮后沿巷道轴线方向不同断面上开始出现CO气体的时间，与该巷道断面距工作面的距离呈现近似的线性关系。

(2)掘进工作面放炮后沿巷道轴线方向不同断面上CO浓度降低到某一特定值的时间，也与该巷道断面距工作面的距离呈现同样近似的线性关系。

(3)掘进巷道轴线方向不同断面上开始出现CO的时间曲线与CO浓度降低到某一特定数值的时间曲线，不仅均近似为直线，而且2条直线近似平行。这是关于CO气团在巷道风流中运移过程非常具有价值的结论。

图8为工况1时CO超限时长分布图。根据图8可知，各测点CO浓度超过24×10-6的时间长度为10～15.4min，超过100×10-6时间长度为3～5min，掘进巷道的任何断面处都会出现10～15.4min的CO浓度超过24×10-6的现象。同理，掘进巷道的任何断面处都会出现3～5min的CO浓度超过100×10-6的现象。掘进工作面风流，爆破后经过10～15.4min的时间，CO浓度就低于24×10-6了，符合《煤矿安全规程》对作业环境的规定要求。也就是说，爆破后经过10～15.4min的时间，人员就可以再次进入工作面作业了。而在巷道内行走，进入掘进工作面的过程中，是否会经过CO浓度超过24×10-6的区域，这正是下面要研究回答的安全时间问题。

图8　工况1时CO超限时长分布

3安全时间的计算模型

从图8分析可知，假设放炮后作业人员从距离放炮作业工作面100m处的硐室或者联络巷进入该掘进工作面，按照作业规程规定的巷道可以施工最高CO 允许浓度为24×10-6的要求，开始进入掘进巷道的时间应该是放炮后CO到达的时间，约2.377min，与该断面处CO浓度超过24×10-6的持续时间约15.4min之和，即放炮后作业人员从距离放炮作业工作面100m处进入该掘进工作面的开始时间为18min。经过数学推导，可得出如下2个近似计算公式作为爆破作业人员放炮后再次进入工作面作业的安全时间判据。

在标准试验条件下：

Tj=0.0317L+14.607

(1)

在非标准试验条件下：

Tj=0.0317L-0.793+C

(2)

式中，Tj为爆破后距工作面L(m)位置处，爆破作业人员可以开始再次进入炮掘巷道的安全时间，min；L为爆破作业人员放炮后再次进入炮掘巷道入口处距掘进工作面的距离，m；C为爆破作业人员进入炮掘巷道入口处的CO浓度等于或超过24×10-6的最长持续时间，min。

在公式(1)和(2)推导过程中假定了当测试系统启动时，L=25m，实际上按照炮烟抛掷理论公式计算[8]，此时，L=15+G/5=18.76m，而不是计算模型中的25m，因为在试验中放炮时间是爆破作业人员在井下记录的，数据采集过程则是监测系统自动记录的，没有办法统一起来，因此模型中把第1个测点，即到工作面25m的距离看成是炮烟抛掷距离了，这样出现了一点很小的误差，造成测点1到测点3的直线方程斜率比测点1与其他观测点构建线性方程的斜率偏大，计算出来的CO到达时间也更迟了一点，不过从爆破作业人员的安全角度考虑是有重大意义的。

4结论

本文的研究目的在于解决放炮后巷道内CO超限而造成炮烟熏人这一热点问题。通过试验的方法总结了巷道内CO气团的运移规律，并且定量地给出了放炮后爆破作业人员再次返回工作面作业的安全时间计算方法。这些研究成果为煤矿安全生产提供合理的理论依据。

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[10]梁冰.采场风流流动瓦斯浓度分布规律的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2000.

[责任编辑：邹正立]

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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

[作者简介]胡洋(1979-)，男，辽宁沈阳人，讲师，从事矿井瓦斯防治工作。

[基金项目]中央高校基本科研业务基金资助项目(AQ2013A01)；华北科技学院煤矿火灾防治新材料及应用技术研究创新团队项目(3142015021)

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

[收稿日期]2015-04-30

[中图分类号]TD711

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0119-04