基于实验模拟对瓦斯异常的运移规律及浓度变化研究_高健.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 对于矿井瓦斯涌出预测、瓦斯防治及利用等， 国 内外众多瓦斯研究者一直积极在这方面进行着系统 研究， 研究成果和成绩斐然[1]。 目前比较深入的研究了 煤矿瓦斯抽采[2-3]， 更多的是对瓦斯基本参数和煤层内 瓦斯运移规律的研究[4]。 但是对于高度浓度、 瓦斯涌出 异常时瓦斯气体运移规律、 瓦斯浓度变化和瓦斯影响 范围方面的研究较少， 又特别是在认识瓦斯异常时瓦 斯混合气体扩散规律、 气体分布较为欠缺。进而就给 机电设备确定安装区域带来困难， 无法确定安全设置 区域； 另外就是瓦斯在局部产生灾害， 因研究还未掌 握其机制规律， 无法提前预测， 提供有效的信息。 为了 弥补这方面研究空白， 本论文基于实验室模拟对异常 涌出瓦斯运移和变化规律进行相应研究， 为的是防止 瓦斯安全事故发生， 这对矿井安全生产具有不可估量 的经济效益和重要理论价值。 1建立模拟实验系统 1 ）主要实验器材、 设备、 仪器。为了模拟井下条 件， 创造与真实工作环境基本相似的状况， 实验室采 用方形管道、 瓦斯浓度采集芯片、 气体压强采集芯片 和微震信号采集芯片。 其他辅助设备及仪器主要有离 心风机、 各类传感器， 比如测定瓦斯浓度的， 测定成分 的、 测定气压的、 检测微震信号的， 还有风速测定仪及 创造瓦斯异常的黑火药。 2 ）实验系统。 根据实验原理和实验内容， 实验系 统主要由三部分组成， 即试验部、 采集信号输送部和 基于实验模拟对瓦斯异常的运移规律及浓度变化研究 高健 1,2 （1. 太原理工大学 矿业工程学院 ， 山西 太原 030024； 2. 同煤集团大斗沟煤业有限公司 ， 山西 大同 037003 ） 摘要 根据实验内容、 实验方案、 实验设施， 建立了模拟瓦斯异常的运移规律和浓度变化影响范围 的实验系统。实验设置两种不同药量， 分别进行了冲击气压、 风速、 距离爆源和微震实验， 实验表明药 量小的产生气压值相对较小， 氮氧化物浓度呈近似指数衰减变化， 微震能量计数与药量大小成线性关 系。 由瓦斯运移扩散影响， 瓦斯浓度变化范围依次可划分为爆炸威胁区、 爆炸危险区和完全区。 距涌出 源 0～339m 极有可能会发生瓦斯爆炸， 瓦斯浓度低于 5， 不会发生瓦斯爆炸事故。 通过对瓦斯异常时 瓦斯运移规律和浓度变化影响研究， 为井下设置安全区域提供了理论指导。 关键词 瓦斯异常 ； 运移规律 ； 扩散影响 ； 实验模拟 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0098-04 Study on migration rule and concentration variation of gas anomaly based on experimental simulation GAO JIAN1,2 （1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024 , China； 2. Datong coal industry group dadougou Coal Industry Co., Ltd. , Datong 037003 , China ） AbstractAccording to the experimental content,scheme and facilities,an experimental system was established to simulate the migration law of gas anomaly and the influence range about concentration change.Two different charges were set up in the experiment,and the im- pact pressure, wind speed, distance detonation source and microseismic experiments were carried out respectively. The experimental re- sults show that the pressure produced by small charges is relatively small, the concentration of nitrogen oxides is approximately exponen- tial decay, and the microseismic energy count is linearly related to the amount of charges. As for the influence of gas migration and diffu- sion,the change range of gas concentration can be divided into explosion threatening area, explosion dangerous area and complete area in turn. Gas explosion may occur within 0～339m from the emission source, and the gas concentration is less than 5. No gas explosion acci- dent will occur. Through the study on the law gas migration and the influence of concentration change when gas is abnormal, it provides theoretical guidance for setting up safe area in underground mine. Key wordsabnormal gas ; migration law ; diffusion effect ; experimental simulation 98 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 分析部， 整个实验系统示意图如图 1 所示。 图 1 实验系统 3 ） 实验方案。根据实验需要和实验系统设计图 1， 安装了方形管道、 各个传感器、 采集器和电脑软件。 实验室模拟矿井供风的设备采用离心风机， 离心风机 可以以压入式给其提供需要的风量。 为了能够模拟出 异常的瓦斯，采用黑火药爆炸瞬间产生高温高压条 件， 制造出异常涌出高浓度的瓦斯气体。为了分析异 常瓦斯运移规律和浓度变化， 在离不同炸药爆炸处进 行 监 测 ， 距 离 分 别 设 置 为 0.35m、 1.55m、 2.75m、 3.95m， 实验所用的方形管道整个长 10m。 起爆黑火药 的能量设置了两组， 其量大小分为 0.1g、 0.05g。 4 ）实验过程。 整个实验模拟过程分为三大步骤 实验前、 实验中和试验后。 实验前准备 实验设备相互连接， 启动离心风机 观察是否满足使用要求，为实验创造良好的环境， 打 开电脑中软件做全面检测；若整个系统运行正常， 用 风速测量仪进行风速测定， 并调节风速达到实验所需 的风速。 实验 风机风速保持一定下， 依次选择黑火药药 量 0.1g、 黑火药药量 0.05g， 分别引燃黑火药， 记录数 据； 分别对风机关闭和运行状态情况， 进行相应模拟， 采用传感器收集数据， 并通过数据线传输到电脑进行 相应分析， 重复进行实验。 实验后 主要是整理实验器材， 打扫实验卫生， 整 理归纳， 分析结果。 2瓦斯异常时运移规律实验研究 2.1实验模拟冲击气压影响 通过对模拟实验监测黑火药药量为 0.1g、 0.05g 的冲击气压数值， 实测部分气压曲线如图 2。 图 2 （a ） 是药量为 0.1g 爆炸产生的气压， 图中一 个较大气压峰值的均值 2889.4，对应的气压是 1014.9Pa；另一个较大气压峰值的均值为 2827.1， 对 应的气压是 991.8Pa。图 2 （b ） 是药量为 0.05g爆炸产 生的气压，较大的气压峰值数值均值有 2321.9、 2401.5、 2280.3， 相 应 气 压 值 为 812.9Pa、 840.6Pa、 801.2Pa。从距离监测点最近的 0.35m 来看气压监测 的冲击压力，说明 0.1g 黑火药爆炸后产生气压值在 990～1015Pa 之间。0.1g黑火药与 0.05g黑火药相比， 0.05g黑火药产生的气压值相对较小。 （a ）药量为 0.1g （b）药量为 0.05g 图 2冲击气压曲线 2.2实验结果分析 a风速为 0.6m/s （b）风速为 0.8m/s （c ）风速为 1.0m/s 图 3相同药量冲击下不同风速氮氧化物情况 为了观察不同风速对异常瓦斯运移规律影响， 采 用对比思想[5]， 每组黑火药药量相同， 实验设置了三组 99 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 不同风速，风速一次设置控制为 0.6m/s、 0.8m/s 和 1.0m/s。实验采集点的距离设置了 4 个距离， 每个采 集地点距爆源间距和采集氮氧化物浓度随时间变化 情况如图 3 所示。 从图 3 可以看出， 不同风速下， 氮氧化物浓度均 是从无开始， 然后迅速增加， 而后下降， 最终减至为 0。 曲线变化趋势有点近似指数衰减变化， 上升斜率明 显大于衰减阶段； 在药量一定下， 同一监测点， 风速越 大， 氮氧化物浓度较大， 进一步增大风速， 氮氧化物浓 度增幅不是很明显。 为减少实验误差， 控制黑火药药量大小， 采用微 震进行控制和采集信号。微震信号[6]能量计数类似于 黑火药爆炸产生的能量， 一般采用均方根电压Vrms表 示微震信号能量 Vrms 1 T T 0 ∫V 2tdt ■ （1 ） 式中 Vrms为微震信号能量； T为平均时间； Vt为 信号电压。 根据高数思想和电子学理论，总能量数 E 正比 于均方电压 Vms从 t1到 t2时间内积分 E∝ t2 t1 ∫Vmsdt （2 ） 式中 E 为总能量数； Vms为均方电压。 根据公式计算， 总能量数结果详见表 1。 根据表 1 能够得出， 药量相同， 微震能量基本一致， 药量增加， 微震能量也增加， 说明能量计数与药量大小成线性关 系。 表 1瓦斯异常气体中的氮氧化物和微震信号统计情况 3瓦斯异常时浓度变化规律 给定约束条件， 设置相应参数， 模拟瓦斯异常时 涌出气体浓度变化和扩散影响范围， 划分了瓦斯异常 气体扩散区域。模拟瓦斯异常扩散影响范围， 以浓度 变化为纵坐标， 时间和距离作为横坐标， 建立的三维 模拟如图 4 所示。 图 4影响范围模拟图 图 4 中瓦斯浓度区域的划分， 以浓度分布为 5 和 16作为界面进行划分，在瓦斯浓度超过 16以 上划分为爆炸威胁区， 爆炸危险区的瓦斯异常时其浓 度为 5～16，瓦斯异常时其浓度低于 5以下划分 为安全区。 为了方便观察模拟结果， 把瓦斯浓度与爆炸时距 离作为正视图剖出来， 瓦斯异常时瓦斯浓度随喷出点 的距离变化情况， 如图 5 所示。 图 5瓦斯异常时浓度变化范围 从瓦斯异常时浓度变化范围图得出，在坐标点 （339,16） 时瓦斯浓度开始超过 16，距离在 0～339m 之间区域称之为爆炸威胁区；坐标点 （563,5 ） 是瓦斯浓度处于 15下， 距离在 339～563m 之间区域称之为爆炸危险区； 瓦斯爆炸的可能发生区 域为距涌出源大于 563m称之为安全区。说明在距涌 出源 0～339m极有可能会发生瓦斯爆炸。 而在距涌出 源超过 563m， 瓦斯浓度低于 5， 不会发生瓦斯爆炸 事故。 4结论 1 ）根据实验内容、 实验方案、 实验设施， 建立了 实验室模拟瓦斯异常的瓦斯运移规律和浓度变化影 响范围的实验系统。 2 ）实验设置两种不同药量，分别进行了冲击气 压下瓦斯气体情况， 0.1g 黑火药与 0.05g 黑火药相 比，实验表明 0.05g 黑火药产生的气压值相对较小； 实验模拟了不同风速、 距爆源间距对异常瓦斯运移规 律影响， 氮氧化物浓度呈近似指数衰减变化， 上升斜 率明显大于衰减阶段； 从微震技术实验说明， 微震能 量计数与药量大小成线性关系。（下转第 103 页 ） 药量 /g 风速 /m s-1 氮氧化物浓度值 /ppm 微震总能 量数 /V2 0.35m1.55m2.75m3.95m 0.10.644.26951.04836.78626.7851256.85 0.10.860.12752.98939.74530.9821320.40 0.11.060.78253.11340.54639.5671318.74 0.050.632.74532.87927.32327.774540.564 0.050.839.98530.00628.99127.854589.945 0.051.045.07939.98924.54124.655560.492 100 ChaoXing （上接第 100 页 ） 3 ）根据瓦斯运移扩散影响，分别把瓦斯浓度变 化范围依次划分为爆炸威胁区、爆炸危险区和完全 区。距涌出源 0～339m有可能会发生瓦斯爆炸， 瓦斯 浓度低于 5， 不会发生瓦斯爆炸事故。 参考文献 [1] 于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京煤岩工业出版社, 2001. 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[2] 靳钟铭,徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京煤炭工业出 版社,1994 [3] 黄炳香,程庆迎， 刘长友等.煤岩体水力致裂理论及其工艺 技术框架[J].采矿与安全工程学报,2011,28 （2） 167- 173 作者简介 王俊峰 （1980-） ， 男， 山西高平人， 毕业于太原理工大学 采矿工程专业， 现任山西高平科兴米山煤业有限公司总工程 师， 从事煤矿安全生产管理工作。 （收稿日期 2019- 3- 6） 103 ChaoXing