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1、脉冲通风法治理“U型工作面上隅角瓦斯积聚的理论及技术探讨（组图）2008-06-02 11:41:24作者：杨胜强 俞启香 王 凯 张仁贵来源：中国矿业大学 针对生产现场出现的“U”型采煤工作面上隅角瓦斯积聚问题，科学地分析了其形成的原因及目前解决上隅角瓦斯积聚的常用方法，提出了旋转脉冲法解决此问题的新途径，并进行了详细的理论分析。通过现场实验，验证了用旋转脉冲法解决上隅角瓦斯积聚是有效的、可行的。 1、问题的提出随着煤层开采进入瓦斯含量较高的深部、采煤工作面生产能力的提高及工作面推进速度的加快，必然导致瓦斯涌出量大幅度地增加。对于正常通风条件而言，在通风不良的地方就容易出现局部的瓦斯积聚，例
2、如，巷道顶板冒落空间、支架背板上部、掘进工作面、采煤机滚筒附近等地方，通常出现瓦斯的局部积聚。特别是我国绝大部分采煤工作面均采用“U”型通风系统，其上隅角作为整个工作面采空区的漏风汇，极易形成瓦斯积聚区，在高瓦斯、高强度、大采高综采工作面则更为严重。例如，淮南潘一矿2312(3)综采工作面，其绝对瓦斯涌出量和上隅角瓦斯超限已成为工作面提高产量的主要制约因素，曾一度因瓦斯涌出量太大、使上隅角附近的瓦斯超限而只能被迫停产。由于矿井开拓、准备、生产的接替时间及投入资金不足等多种因素的影响，上隅角瓦斯积聚问题一直未得到根治，已成为威胁矿井安全生产的痼疾。特别是近几年所发生的瓦斯爆炸恶性事故中，因上隅角
3、瓦斯超限引发事故所占的比例有较大增加。上隅角瓦斯超限，是目前安全生产的重大隐患，也是实现高产高效工作面推广新技术、新装备的严重障碍。采取安全、经济、有效的方法将上隅角瓦斯持续地降到煤矿安全规程规定限值以下，是亟待解决的问题。2、隅角瓦斯超限原因分析一源一汇的“U”型采煤工作面，在采空区漏风流的对流扩散作用下，采空区内瓦斯运移及瓦斯浓度呈有规律的分布，而作为工作面的漏风汇，成为采空区瓦斯流入工作面的必经之路，往往造成上隅角瓦斯积聚(2)，如图t所示，为“U”型工作面采空区内的漏风流流线图，风速等值线图和瓦斯浓度线图 。图中清晰地表明，上隅角成为采空区瓦斯的集中涌出源。另外，相对于空气而言，采空区
4、内含瓦斯空气的密度较小，当具有高差时产生“瓦斯风压”的自然上升力，必然使采空区内含高浓度瓦斯的空气向上隅角运移，使上隅角成为采空区高浓度瓦斯集中涌出的地点，这也是上隅角成为工作面采空区瓦斯集中涌出和局部积聚超限的重要原因之一。 3、 目前采用的防治上隅角瓦斯积聚的方法分析 经查阅国内外大量文献，得知目前治理工作面上隅角瓦斯积聚的方法，主要有：抽放邻近层和采空区瓦斯；工作面采用Y、Z、H 型通风系统或尾巷排放瓦斯；设置临时风障；采用下行通风；用无火花型局部通风机将上隅角积聚瓦斯，抽排至风流足以将其稀释至煤矿安全规程允许浓度的地点等。但从现场考察来看，每种方法都有它适宜的应用范围。 目前，在抚顺、
5、中梁山、芙蓉、平顶山等矿区均采用煤层钻孔预抽，而阳泉、天府、松藻等矿区却采用邻近层钻孔和采空区抽放，这些方法收到了治本的效果，但这些方法又普遍存在施工工程量大，抽放时间长，抽采接替紧张，一次性投入及运行费用高等问题。采煤工作面采用Y、Z、H 型通风系统，改变采空区的漏风汇方向，可根治采空区瓦斯从上隅角涌出，但对于自然发火较为严重的工作面来说，此系统不适用，且巷道维护工程量较大。利用临时风幛，迫使工作面风流通过上隅角，达到稀释排放上隅角瓦斯的措施，但也存在风幛容易损坏，可靠性差，效果有限等问题，通常只能作为临时的应急措旌， 当瓦斯涌出量大于(35)m。min时，这种方法显得很不可靠。 本文提出的
6、脉冲通风法治理局部瓦斯积聚，国外只有俄罗斯莫斯科矿业大学KZ乌沙柯 考教授以及廖贵发博士等人，以压风或电作动力， 驱动叶轮产生非旋转式脉冲风流，其 论现场应用仍在进行中，其具体应用至今未见公开 45，而类似本课题组所研制的双旋转脉冲风流及矿用液压双旋转脉冲局部通风机，在国内外尚未见到报道。 4 、旋转脉冲风流法消除上隅角瓦斯积聚的探讨 通风条件下，“U型通风系统采煤工作面的上隅角，由于工作面风流的急转弯，邻近煤壁和采空区侧，风流处于涡流状态，涡流运动使采空区涌出的大量高浓度瓦斯难以进入主风流中，从而导致高浓度瓦斯流在上隅角附近形成循环运动而聚集在涡流区中。主风流对上隅角涡流区积聚瓦斯的驱散，则
7、主要靠积聚区和主流区之间的横向脉动所引起的对流运移作用。但是，在一般的定常风流中，风流的脉动值很小，横向脉动比纵向脉动更小，工作面风速受规程限制也不能过大。因此，靠有限速度的风流的横向脉动作用驱散上隅角涡沉积聚区的高浓度瓦斯是不可能的。 脉冲风流发生器产生的旋转脉冲风流，叠加在工作面主风流之中，它不仅加强了横向脉冲作用，同时加大了主风流的纵向脉动风速。如图3所示，是脉动智能风速仪在实验模型上所测上隅角某点在安装旋转脉冲风流发生器前后风流速度变化曲线。从图中可见，不仅缩小了涡流区的范围，而且增加了上隅角涡流区的涡流强度及脉动风速，促进了涡流区内瓦斯的对流运移；同时，由于人为地增加了横向旋转脉冲风
8、流，从而使上隅角涡流区积聚瓦斯向主流区运移扩散的能力得以提高，使涡流区瓦斯浓度下降以及超限范围大幅度减少,到消除上隅角瓦斯积聚的目的，防止瓦斯事故的发生。 风流中叠加旋转脉冲风流会出现以下情况： 主风流的风速呈周期性变化，风速时而大，时而小； 其加速度也呈周期性变化，时而正，时而负； 若主风流中存在不同质量的粒子时，根据牛顿第二定律，在同一风力作用下会出现：当加速度为正时，轻粒子比重粒子跑得更快；当加速度为负时，轻粒子比重粒子跑得更慢。两种粒子在相同风力下，正、负加速度时的运动特性表明，在周期性变化的主风流中的轻、重粒子形成了强烈混合。 由于瓦斯密度比空气小，则瓦斯浓度高的微团其密度较小，瓦斯
9、浓度低的微团其密度较大。据实测：越靠近上隅角，瓦斯浓度越高，密度越小；距离上隅角越远，则瓦斯浓度越低，密度越大。因此，在脉冲风流作用下会出现以下效果： 加速运动时，浓度较大而密度较小的含瓦斯微团，与相邻浓度较小而密度较大的含瓦斯微团相比较，就会出现一个速度差，从而在它的前面形成一个正压区，而在它后面则形成一个负压区； 减速运动时，浓度较大而密度较小的含瓦斯微团，与相邻浓度较小而密度较大的含瓦斯微团相比较，也会出现一个速度差，但在它的前面形成的是一个负压区，后面则形成一个正压区。对于存在瓦斯浓度梯度的横断面，由于正压区和负压区的存在，必然引起含瓦斯浓度不同的相邻微团在垂直于风流速度方向的空间运动
10、，而含瓦斯微团的这种空间运动必然导致瓦斯沿浓度降低的方向迁移。所以，旋转脉冲风流可以使二者强烈混合，消除瓦斯浓度分布不均匀及局部的瓦斯积聚。 旋转脉冲风流的强力射流作用，使在脉冲风机周围的射流有效射程内，若存在局部瓦斯积聚，将受到强力的旋转射流作用。如图4所示，当旋转射流作用于上隅角时，旋转射流的强力横扫作用使涡流区积聚瓦斯沿着旋转方向被带走，同时受到射流边界的卷吸作用而被射流所稀释；当旋转射流转动离开上隅角后，在射流的后部将形成涡流负压区，采空区涌出的高浓度瓦斯随之进到涡流负压区，当下一次射流作用于上隅角时，进入涡流负压区的高浓度瓦斯又受到这次旋转射流的强力横扫作用而沿着旋转方向被带走，进入
11、到主风流中。如此往复循环，消除上隅角的瓦斯积聚。 另外，旋转射流对上隅角采空区内的积存瓦斯具有柔性排放效果，不会产生“一风吹”而使高浓度瓦斯骤然(刚性)大量排出的危险。据实验测定和理论分析，当旋转脉冲通风机在上隅角附近运行时，每当脉冲风流作用于上隅角时，就排走一部分瓦斯，在一定的旋转频率作用下，回风流的瓦斯浓度没有出现突然升高的现象，从而使旋转脉冲风流在排放上隅角积聚瓦斯的过程中，回风流瓦斯浓度波动很小，始终保持积聚瓦斯不超限，转脉冲风流对上隅角积聚瓦斯的排放，实际上是一个安全可靠的治理过程。 5、在工作面用脉冲风流治理上隅角瓦斯积聚的试验结果及分析 51 实测结果 图5为不同实验条件下上隅角
12、瓦斯浓度超限区域的测定结果。图中曲线1为脉冲风机安设前，上隅角瓦斯浓度超限区域边界，曲线2为脉冲风机已安设但未启动时上隅角瓦斯浓度超限区域边界，曲线3和4分别为脉冲风机正常运转时，在其不同的安设高度条件下，上隅角瓦斯浓度超限区域边界。 52 实测结果分析 1) 由图5可以看出，脉冲通风对治理上隅角瓦斯积聚是有效的。工作面进行脉冲通风后，上隅角瓦斯浓度超限区边界外移、超限范围缩小。 2) 对比图5曲线1和曲线2可知，上隅角安设脉冲风机后，虽然风机尚未运转，但上隅角瓦斯浓度超限范围已缩小。这是由于风机的安设相当于在该处增加了导风设施，使工作面部分风量绕其通过，带走了积聚区的部分瓦斯。 3) 上隅角
13、瓦斯积聚区(超限区)对应于直角风路的涡流区，区内风速不大，而该区又处于脉冲风机的有效作用范围内，因此其内积聚的瓦斯向主风流的扩散效应较强、超限区范围明显缩小，符合脉冲通风对局部积聚区瓦斯的作用机理。 4) 巷壁瓦斯超限边界变化较小的原因在于：工作面风量较大(1219 m。rain)，而风机的风量较小，当射流受到主风流影响时，其有效作用距离较短。 5) 由于主风流风量较大，在风机运转过程中，从上隅角积聚区排出的瓦斯可以立即被主风流稀释并带走，主风流内无局部瓦斯浓度剧增现象。 6) 从实测结果可见，脉冲风机的运转并没有使回风流瓦斯浓度增加，反而有所减少，原因是由于脉冲风机的运转相当于增加了上隅角的
14、风流压力，减小了上隅角与采空区之间的压差，对于整个采空区来说，具有一定的均压作用，减少了采空区的漏风量，同时也减少了来自采空区的瓦斯涌出量，使回风巷中瓦斯浓度不会增加，反而有所减少。这不仅对治理工作面瓦斯有利，而且对预防采空区自然发火也是有利的。6 结束语从上面的理论分析和工业性试验结果看，脉冲风流可以有效地消除上隅角的瓦斯积聚。笔者认为，今后有必要对脉冲通风机进行深入的研制，使之完善、适用、可靠，以便在全国高瓦斯矿井中大范围地推广应用。参考文献1 黄伯轩编著采场通风与防火北京 煤炭工业出版社，199272 王英敏著矿内空气动力学与矿井通风系统北京：冶金工业出版社，199463 中国矿业大学编译俄罗斯现代矿井通风理论及瓦斯动力学，19944 廖贵发脉冲风流法防治和处理瓦斯局部积聚世界煤炭技术，1994(10)5 廖贵发脉冲风流条件下“静止区”瓦斯的扩散规律煤炭学报，1996，21
脉冲通风法治理“U型工作面上隅角瓦斯积聚的理论及技术探讨
