基于双巷掘进煤与瓦斯突出运移规律分析

杨 阳

(潞安环能股份公司 常村煤矿 山西 长治 046102)

煤与瓦斯突出是我国矿井生产过程中易发生的安全事故[1]，不仅影响井下安全高效生产，同时对人员的生命健康带来极大的危害，当突出瓦斯遇明火发生爆炸时，更易发生群死群伤的事故[2].因此，煤与瓦斯突出的防治是矿井安全生产研究的重要内容。黄振宇等人对突出瓦斯进行来源划分，通过修正风量，规范瓦斯涌出量计量规则，得出瓦斯涌出量计算方法[3]；孔彪等人基于瓦斯突出实验系统，对突出过程中的气压变化规律进行深入研究[4]；孙东玲等人基于煤与瓦斯两相流装置，得出初始瓦斯气体速度对煤粉喷出距离的影响规律[5].不同矿井条件下煤与瓦斯突出显现特点有较大差异，基于某矿井2201 W工作面实际情况，开展双巷掘进煤与瓦斯突出对局部通风的影响研究。

1 工程背景

某矿2201 W工作面埋深635.5 m，煤层平均厚度6.5 m，煤层近水平分布，为煤与瓦斯突出矿井，工作面采用双巷通风布置。2019年8月20日，2201 W双巷掘进中，工作面回风巷与相邻工作面运输巷间的7#联络巷发生煤与瓦斯突出事故，抛煤量350 t，瓦斯涌出总量8.3万m3，抛煤最远距离43 m，瓦斯涌出具有动力效应，涌出气压冲倒设备和工作人员。

2 双巷掘进煤与瓦斯突出分析

2.1 双巷掘进通风特点

双巷掘进工作面通风系统中，通常通过两巷道间的联络巷进行掘进头新鲜风流输送，见图1，随着巷道掘进长度的增加，可进行下一阶段联络巷的布置，同时进行通风设置的搬迁，降低工作面过长所带来的通风困难。因此,双巷掘进不仅能提高掘进巷道通风能力，保证工作面保持安全瓦斯浓度范围，同时有效减少了局部通风设施和运输设施的使用数量，降低了设备维修人员的压力。

图1 双巷掘进条件下的巷道局部通风示意图

需要注意的是，在双巷掘进过程中，当存在某一掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故时，其他掘进工作面均会受到影响。因此，分析确定煤与瓦斯突出事故对双巷掘进的影响对于双巷掘进煤与瓦斯突出巷道瓦斯突出事故的预防和控制具有重要作用。

2.2 突出瓦斯运移模型分析

瓦斯突出后首先沿风流运移，且突出点最近的瓦斯浓度随着距离增加而逐渐下降，同时瓦斯突出开始一段时间内保持一定的突出速度，然后涌出速度逐渐递减，瓦斯浓度随时间呈现负相关关系。需要注意的是不同突出强度及位置，瓦斯浓度-时间的函数关系形式会有所不同，但多呈现出幂函数关系[6]，见图2.

图2 瓦斯浓度与时间的幂函数关系图

为方便研究瓦斯运移规律，进行模型简化，即忽略巷道自然瓦斯涌出量，同时假设瓦斯运移过程为恒温和恒压过程，且不同地点断面面积和流体阻力相同[7].

(1)

式中：

i—初始突出源强度；

j—常数；

t1—第一阶段持续时间；

t2—第二阶段持续时间。

2.3 突出瓦斯运移模型模拟研究

数值模拟采用Fluent软件依据式(1)进行瓦斯突出条件设置，模拟具体物理模型建立图3，各监测点位于巷道界面中心位置，point1—point6在x轴方向与运输平巷突出点距离分别为152 m、456 m、169 m、520 m、858 m和75 m，其中point3为防突风门的位置，该点可监测瓦斯浓度和气压，point2为联络巷处设置有临时风门。同时point5为巷道入口，point6为point3—point6所处进风巷的中轴线L1的起点，进风巷全长704 m.

图3 突出瓦斯运移物理监测模型图

基于文献[6]可知，不同强度瓦斯突出量和突出参数见表1，表2.

基于双巷瓦斯突出实际情况，并结合表1和表2数据进行模拟，设置瓦斯涌出量为 25万 m3，且煤与瓦斯突出后防突风门及时关闭，联络巷临时风门被摧毁，通过模拟获得特大型瓦斯突出500 s时运输平巷和回风平巷瓦斯浓度分布图，见图4.

表1 不同强度瓦斯突出量表

表2 不同强度瓦斯突出参数表

图4 特大型瓦斯突出500 s时瓦斯浓度分布图

分析图4a)可知，运输平巷瓦斯突出发生后沿运输平巷开始大量涌出，一部分破坏临时风门后，沿联络巷进入回风平巷，由于防突风门作用，突出瓦斯只在回风平巷部分区域发生运移；另一部分瓦斯沿运输平巷直接涌出工作面外，运输平巷瓦斯逆流影响范围约470 m.

分析图4b)可知，回风平巷发生瓦斯突出后，突出瓦斯沿运输平巷大量向工作面外涌出，另一部分破坏联络巷临时风门，进入回风平巷，收到回风平巷防突风门阻隔，瓦斯没有实现进风巷和联合巷间的贯通。因此，在防突风门周边区域呈现出亮暗相间的颜色，运输平巷瓦斯逆流影响范围约425 m.

上述结果表明，相同情况下，无论是回风平巷还是运输平巷发生瓦斯突出事件，运输平巷瓦斯运移速度都较回风平巷更快，瓦斯突出对运输平巷破坏力更大，同时运输平巷发生瓦斯突出后，其对联络巷临时风门的破坏力更大，因此在瓦斯突出预防时，应及时做好运输平巷的预防。

3 结 论

结合某矿地质条件进行双巷掘进下的煤与瓦斯突出研究，通过建立突出瓦斯运移物理监测模型，并进行双巷形式下的瓦斯运移模拟，确定在同等条件下，运输平巷瓦斯突出较回风平巷影响更大，因此需加强对运输平巷煤与瓦斯突出的预防。