采煤工作面回风巷瓦斯气团漂移现象初探*

崔洪庆，李莹莹

( 1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室(省部共建国家重点实验室培育基地)，河南 焦作 454000；3.中原经济区煤层(页岩)气协同创新中心，河南 焦作 454000)

0　引言

瓦斯是一种无色、无味、无嗅的气体，人们无法直接感知其存在。然而，在煤矿采掘空间里，实实在在到处弥漫着瓦斯气体。如果对采掘空间的瓦斯气体运移特征和规律了解不清，治理不当，瓦斯气体将会威胁人员和生产安全，甚至会发生瓦斯爆炸。因而，采掘空间瓦斯运移问题历来是煤矿安全研究的焦点。

目前，公认瓦斯气体的运移方式和驱动力主要包括：浓度差驱动下的气体扩散、压力差驱动下的气体运动和浮力驱动下的气体漂浮。具体表现为：瓦斯气体总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散[1]，由压力大的地方向压力小的地方运动[2-4]；在空气的作用下，涌入到采掘空间里的瓦斯气体倾向于向上漂浮，易于在巷道(采空区)顶部集聚[5]。

回采工作面回风巷中瓦斯气体的扩散和运移现象可能更为复杂。基于对回采工作面瓦斯浓度监测数据的分析研究，笔者认为，除了浓度差驱动、压力差驱动和浮力驱动下的3种瓦斯气体运移形式外，在煤矿回采工作面回风巷中，还存在一种特殊的瓦斯气体运移形式——气团漂移。尽管这种瓦斯运移形式，在示踪气体和煤与瓦斯突出试验研究中有一些描述[6-7]，但是，正常生产情况下回风巷中的瓦斯气团长距离漂移现象及其安全生产应用价值却很少得到重视。

1　瓦斯浓度监测数据的获取

我国煤矿现已普遍采用瓦斯浓度监测系统，井下瓦斯传感器的配备数量和安装位置等都有严格的规定[8-10]。在回采工作面一般至少布设T1，T2和T3这3个瓦斯传感器探头。T1和T3分别安设在采煤工作面上隅角和下隅角附近，T2布设在距回风巷10～15 m处。T1和T3随采面推进不断改变位置，T2位置始终不变(见图1)。各探头可分别实时监测到各自位置风流中的瓦斯体积分数值(瓦斯浓度)，并可通过瓦斯监测系统传输到井上监测终端。

图1　采煤工作面瓦斯浓度监测探头布设位置示意Fig.1　The layout of gas monitors in coal mining panel

2　回风巷中的瓦斯气团

回采工作面瓦斯涌出量的大小，受煤层瓦斯地质条件、生产条件和生产工序的影响很大，以致回采工作面回风流中的瓦斯浓度(瓦斯体积分数)经常发生变化[11-12]，采煤生产工序割煤或落煤时，会产生大量瓦斯气体[13-14]。通常认为，新产生的瓦斯气体，在通风风流的作用下，很快发生浓度扩散，即使存在瓦斯不均匀分布，也主要表现为瓦斯分层现象，最多经过数十米的距离，新产生的高浓度瓦斯气体即可与空气完全混合而得到稀释，最终被回风风流带出采掘空间[15-16]。

事实上，回采工作面新产生的高浓度瓦斯气体，经过一定程度的稀释后，能够在回风巷中形成瓦斯气团。并且，这种瓦斯气团随回风风流一起，漂移很长距离仍能保持气团内部的浓度结构不变。这一特征，可以通过采煤工作面回风巷中相邻2个瓦斯浓度传感器的监测曲线波形和波幅的相似性得到证实。

图2是根据某矿16021工作面回风巷中，2个相距492 m的瓦斯浓度传感器T1和T2，在24 h内监测的数据绘制的可视化曲线(取值间隔为1 min，图2(b)是图2(a)的局部放大图)。

(a)24 h监测曲线

(b) 0：00—6:00点监测曲线图2　回采工作面16021回风巷瓦斯浓度传感器T1和T2监测曲线Fig.2　Gas concentration monitoring curves of sensor T1 and T2 in return airway of coal mining panel 16021

从图2中可以看到，在0:00—6:00时间之间，回采工作面综采机组割煤作业产生了大量瓦斯气体，T1和T2瓦斯浓度监测曲线先后出现了高值段。因为传感器T1和T2瓦斯浓度监测曲线波形和波幅的相似性，可以判断先后探测到的是同一个瓦斯气团。该瓦斯气团从T1所在的巷道位置运动到T2的位置，沿途经过492 m，虽然有新源瓦斯涌入和一定程度的浓度扩散，使T2探测到的瓦斯浓度曲线与T1相比较，在基值上有一定变化，但是，T2探测到的瓦斯浓度曲线的波形和波幅与T1具有明显的相似性，甚至瓦斯浓度监测曲线的整体波形都保持不变。说明传感器T1探测到的瓦斯气团，在到达T2之后，没有与空气完全均匀混合，仍然保持着气团在T1位置时的内部浓度分布特征，以致传感器T2探测到的气团浓度整体变化特征与传感器T1探测到的特征几乎完全相同。在17:00—24:00时间之间，也可以看到类似情况，传感器T1和T2均出现了波形和波幅相似的高值浓度曲线段，与采煤循环完全对应。

图3为某矿14171回采工作面回风巷相邻两个传感器T1和T2在0:00—24:00时间内监测数据的可视化曲线。同样可以清楚地看到，T1和T2先后探测到的瓦斯浓度监测曲线具有明显的相似性。

图3　回采工作面14171回风巷瓦斯浓度监测曲线Fig.3　Gas concentration monitoring curves in return airway of coal mining panel 14171

事实上，在煤矿正常生产活动中，回采工作面回风巷相邻传感器先后探测到波形和波幅相似的瓦斯浓度变化情况，比比皆是。

因而，笔者认为，如同天空中的云朵随风飘动一样，回采工作面回风巷中的瓦斯气团，在通风风流的携带下，同样能够以气团的方式，由上游向下游漂移，经过数百米距离，气团浓度结构没有发生明显变化；而且，在回采工作面回风巷中，风流携带气团漂移的瓦斯气体运移形式是一种普遍现象。

3　瓦斯气团漂移速度计算

3.1　计算公式

回采工作面回风巷中，风流携带气团漂移的瓦斯运移形式，使相邻的2个传感器能够先后探测到波形和波幅相似的同一个气团。瓦斯气团平均漂移速度可以根据传感器T1和T2先后探测到同一气团的时间差和两个传感器之间的实际距离计算出来。计算公式为：

V=L/Δt

(1)

式中：V为瓦斯气团平均漂移速度，m/s；L为相邻传感器T1和T2之间的距离，m；Δt为相位差，即同一个瓦斯气团被T1和T2先后探测到的时间差(Δt=t2-t1),t1和t2分别是传感器T1和T2探测到同一个瓦斯气团的时间。

3.2　应用验证

图4为根据某矿16021工作面回风巷中T1和T2相邻2个传感器的瓦斯浓度监测数据绘制的瓦斯浓度变化时间序列曲线。

图4　瓦斯气团平均漂移速度计算的应用实例Fig.4　An example of calculating average drift velocity of gas mass

在此期间，T1和T2两个传感器相距630 m，先后探测到了波形和波幅相似的瓦斯浓度变化曲线，表明多个高浓度瓦斯气团先后被T1和T2监测到。为了计算瓦斯气团平均漂移速度，可以分别从T1和T2监测曲线上，选取一个相同气团的曲线特征点(如波峰)，读取相位差Δt。此例中Δt=5 min，T1和T2之间的距离L=630 m。 根据公式(1)，计算该瓦斯气团在T1和T2间的平均漂移速度为2.1 m·s-1,计算过程如下：

V=L/Δt=630/5×60=2.1(m·s-1)

应用上述方法，伴随某矿16021回采工作面回采进程(T2位置不变，T1向T2逐步靠近)，在相邻传感器T1和T2的间距分别为642，539，482，435，230 m时，对回风巷中瓦斯气团漂移速度进行了计算，并与巷道中风速传感器探测到的风速值进行了比较(见表1)。结果表明： 两者的绝对误差小于0.29 m·s-1，相对误差小于13.6%。

表1　瓦斯气团漂移速度计算值与巷道风速监测值对比Table 1　The comparison of calculating migration velocityof gas mass with monitoring air flow rate

4　应用价值

就煤矿安全生产而言，对回风巷中瓦斯气团的研究，有3个方面的重要应用：

1)在矿井灾害防治方面，有助于消除高浓度瓦斯气团可能带来的隐患。回风风流中瓦斯气团的存在，特别是出现了高浓度瓦斯气团，可能具有使人窒息和发生爆炸的危险，需要严加监控，并采取特殊的辅助通风措施，使其尽快与空气混合稀释，避免高浓度瓦斯气团滞留致灾，确保人员和生产安全。

2)在通风管理方面，瓦斯气团漂移现象为安全生产管理人员提供了一种井上实时测定回风巷中瓦斯运移速度的新手段。可以利用瓦斯浓度监测系统，根据井下2个相邻瓦斯浓度传感器探测到同一瓦斯气团的时间差和2个传感器之间的实际距离，在井上实时计算回风巷中瓦斯气体平均运移速度。通过计算瓦斯气体运移速度，并与井下通风风流现场实测风速进行比较分析，能够及时发现人工风速观测可能产生的错误数据，使矿井通风数据更加准确可靠。并且有助于优化回采工作面通风设计。

3)由于瓦斯气团漂移现象的存在，相邻瓦斯浓度传感器能够先后探测到同一个瓦斯气团，相邻瓦斯浓度传感器监测到的瓦斯浓度变化曲线具有波形和波幅相似的特点。据此关联性可以比较准确地判断瓦斯浓度传感器的工作状态，及时发现传感器自身故障和随意改变传感器位置等违章行为。

5　结论

1)采煤工作面产生的高浓度瓦斯气体，可能在回风巷中形成瓦斯气团，在回风风流的携带下发生整体漂移。回风风流中发现高浓度瓦斯气团时，需要采取特殊的辅助通风措施，使其与空气混合稀释，及时消除隐患。

2)采煤工作面回风巷中，相邻的瓦斯浓度传感器能够探测到同一个瓦斯气团。同一个瓦斯气团经过相邻2个传感器时，2个传感器探测到的瓦斯浓度随时间变化的曲线特征具有波形和波幅相似性。

3)利用同一瓦斯气团被相邻2个传感器探测到的时间差和2个传感器之间的实际距离，能够计算回采工作面回风巷中瓦斯气团平均漂移速度。这种方法提供了一种极为便捷的采煤工作面回风巷瓦斯运移状况井上实时监测手段。

[1]王恩元，梁栋，柏发松，巷道瓦斯运移机理及运移过程的研究[J]， 山西矿业学院学报，1996，14(2):130-135.

WANG Enyuan, LIANG Dong, BAI Fasong. Study on the mechanism and process of the methane movement in the tunnel[J]. Shanxi Mining Institute Learned Journal, 1996,14(2):130-135.

[2]王春晓，陈开岩，司俊鸿，等，综放工作面瓦斯涌出规律分析[J]. 煤炭科学技术, 2011,39(11):77-81.

WANG Chunxiao, CHEN Kaiyan, SI Junhong, et al. Analysis on gas emission law of fully mechanized top coal caving mining face[J]. Coal Science and Technology, 2011,39(11):77-81.

[3]李东印，许灿荣，熊祖强，采煤工作面瓦斯流动模型及COMSOL数值解算[J]. 煤炭学报,2012,37(6):967-971.

LI Dongyin, XU Canrong, XIONG Zuqiang. Gas flowing model of mining face and solve it using COMSOL[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(6): 967-971.

[4]韦善阳，瓦斯异常涌出气体运移规律及影响范围研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2013.

[5]何磊,杨胜强,孙祺,等. Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究[J].中国安全生产科学技术,2011,7(2):50-54.

HE Lei, YANG Shengqiang, SUN Qi, et al. Study on gas transportation principle and control in goaf with Y shape ventilation system[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011, 7(2):50-54.

[6]孙晓元，董利辉，孙英峰，等，掘进工作面突出瓦斯运移扩散特性模拟研究[J]. 中国煤炭,2015,41(4):107-113.

SUN Xiaoyuan, DONG Lihui，SUN Yingfeng , et al．Numerical simulation of diffusion characteristic of outburst gas at working face[J]. China Coal, 2015,41(4):107-113.

[7]陈开岩，李尚国，张作华，等.示踪气体测风方法有关理论问题的研究[J]. 中国矿业大学学报,2008,37(1):10-14.

CHEN Kaiyan, LI Shangguo, ZHANG Zuohua, et al. Theoretic Research Related to the Method of Measuring Air Quantity by Means of a Tracing Gas[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008,37(1):10-14.

[8]李继林.煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[J].煤炭技术，2008，27(11)：3-5．

LI Jilin. Present Situation and Development of Coal Mine Safety Monitoring System[J]. Coal Technology, 2008,27(11)：3-5.

[9]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范:AQ 1029—2007[S]. 北京：煤炭工业出版社，2007.

[10]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全监控系统通用技术要求:AQ 6201—2006[S]. 北京：煤炭工业出版社，2007.

[11]俞启香，王凯，杨胜强.中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J]. 中国矿业大学学报,2000(1):9-14.

YU Qixiang, WANG Kai, YANG Shengqiang. Study on Pattern and Control of Gas Emission at Coal Face in China[J]. Journal of China University of Mining & Technology， 2000(1):9-14.

[12]鲁忠良，魏震，李玉江，等，采煤工作面瓦斯体积分数分布规律研究[J]．河南理工大学学报(自然科学版)，2016，35(6):771-774.

LU Zhongliang，WEI Zhen，LI Yujiang，et al．Study on the coal mining working face spatial of gas concentration distribution[J]．Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science)，2016，35(6):771-774.

[13]何利文，施式亮，宋译，等，回采工作面瓦斯涌出量的复杂性及其度量[J]．煤炭学报，2008，33(5)：547-550．

HE Liwen，SHI Shiliang，SONG Yi，et al．Complexity and measurement of complex degree of gas gush in heading faces of coal mine[J]． Journal of China Coal Society，2008，33(5)：547-550．

[14]王志亮，陈学习，杨涛，采煤工作面落煤瓦斯涌出量测定方法及应用研究[J]. 中国煤炭,2016,42(10):92-96，118.

WANG Zhiliang, CHEN Xuexi, YANG Tao. Study on measuring and application of gas emission quantity from dropped coal at mining working face[J]. China Coal, 2016,42(10):92-96，118.

[15]闻德荪，李兆年，黄正华.工程流体力学[M].北京:高等教育出版社， 2004: 214-235.

[16]张磊，李永福，孙杰，等，瓦斯隧道施工通风流场及瓦斯迁移研究[J]. 地下空间与工程学报,2014,10(1):184-190.

ZHANG Lei, LI Yongfu, SUN Jie, et al. Research on Flow Field and Gas Transportation of Construction Ventilation in Gas Tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014,10(1):184-190.