基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理研究

基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理研究基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理研究

摘要：

无风掘进是现代煤矿采煤技术的重要形式，在此过程中，瓦斯与氧气的阻隔问题一直是制约煤矿安全生产的重要因素。本文探讨了基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理，建立了瓦斯与氧气传输的物理模型与数学模型，提出了基于雾化技术的防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术实现氧气阻隔。通过模拟实验和采取实地调查方法，分析了不同因素对阻隔效果的影响，得出适应煤与瓦斯共采无风掘进瓦斯与氧气阻隔的关键参数和操作界限。本文研究成果可为煤矿安全生产提供较为完整的技术和理论支撑。

关键词:煤矿安全,瓦斯与氧气阻隔,无风掘进,防瓦斯喷雾幕，过量煤尘抑制技术.

引言:

煤矿事故的发生往往伴随着瓦斯和煤尘爆炸，因此，在煤矿开采过程中，怎样有效地阻隔瓦斯与氧气、抑制煤尘成为了煤矿安全生产的重要技术。无风掘进是煤矿现代化的一种重要标志，其特点是不需要人工通风，因此瓦斯与氧气的阻隔成为了其面临的关键问题。以往的研究已经提出了一系列的研究成果，包括多孔介质注浆堵漏、密闭采掘巷道、雾化防喷幕等，但其实现过程复杂，效果欠佳。本文综合聚焦现有成果，提出基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理的研究方案，期望为煤矿安全生产提供支撑。

一、理论探讨

(一)瓦斯与氧气传输的物理模型

基于煤与瓦斯共采的无风掘进中，面对氧气和瓦斯的混合，需要研究氧气和瓦斯在巷道中的运动规律和传输特征。考虑扩散、对流和生化反应等因素，建立氧气和瓦斯的传输模型，其中因质量守恒和动量守恒条件的限制，瓦斯与空气的混合在巷道中传输时的流动状态可以视为多相流体的流动，水平速度和竖向速度的物理量在巷道中的分布可描述为压力和质量浓度的函数。具体如图1所示。

(二)实现瓦斯与氧气阻隔的技术方案

防止瓦斯的扩散可采用防瓦斯喷雾幕技术。瓦斯喷雾幕是在巷道内壁喷涂高压雾化水和药剂混合物，形成密闭的气体和水雾屏障，以达到防止瓦斯扩散的目的。而抑制氧气的进入可采用过量煤尘抑制技术。过量煤尘抑制技术是在采煤面的煤壁上喷洒水雾，使煤尘大量产生，形成煤尘云，从而减少氧气含量，达到阻断氧气进入的效果。具体技术方案如图2所示。

二、实验研究

(一)模拟实验

本文采用计算流体动力学仿真软件FLUENT对万宝山矿区一条无风掘进进行模拟，研究瓦斯扩散规律和阻隔效果。结果显示，对于较高浓度的瓦斯，防瓦斯喷雾幕具有较好的防护效果，随着瓦斯浓度的下降，喷雾幕的防护作用也在逐渐减弱；而过量煤尘抑制技术在瓦斯浓度较低时具有良好的氧气阻隔效果，但在高浓度时需要较高的喷水量来增加煤尘云的密度和覆盖范围。

(二)实地调查

本文在3个不同的煤矿开展了实地调查，分析了瓦斯扩散和氧气阻隔存在的问题和实际效果。调查结果显示，进行适度的防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制可以有效改善无风掘进的瓦斯和氧气阻隔效果，尤其是对于瓦斯浓度较高的巷道，两者的联合使用可以大幅提高阻隔效果。

三、结论

本文探讨了基于煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔机理，并实现了防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术。通过模拟实验和实地调查，分析了不同因素对阻隔效果的影响，得出了适应煤与瓦斯共采无风掘进瓦斯与氧气阻隔的关键参数和操作界限。本文研究成果可为煤矿安全生产提供较为完整的技术和理论支撑针对煤与瓦斯共采的无风掘进瓦斯与氧气阻隔问题，本文采用了防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术进行解决。通过模拟实验和实地调查，得出了防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术对瓦斯和氧气阻隔的影响，以及关键参数和操作界限。

防瓦斯喷雾幕的原理是在掘进巷道上部喷洒水雾，形成一条水幕，达到防止瓦斯扩散的效果。模拟实验表明，对于较高浓度的瓦斯，防瓦斯喷雾幕具有较好的防护效果，但随着瓦斯浓度的下降，防护效果也会逐渐减弱。实地调查数据也证明了喷雾幕的防瓦斯效果。

过量煤尘抑制技术的原理是在掘进面喷水形成大量煤尘，在氧气进入掘进面之前，使大量煤尘占据空间，达到阻隔氧气的效果。模拟实验表明，在瓦斯浓度较低时，过量煤尘抑制技术具有良好的氧气阻隔效果，但在高浓度时需要较高的喷水量来增加煤尘云的密度和覆盖范围。实地调查数据证明了过量煤尘抑制技术的氧气阻隔效果。

实地调查还证明，防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的联合使用可以大幅提高瓦斯和氧气的阻隔效果，尤其是对于瓦斯浓度较高的巷道。

通过本文的研究，可以得出以下结论：防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术是适应煤与瓦斯共采无风掘进瓦斯与氧气阻隔的有效方法，两者具有互补效应。在实际使用时，应考虑煤与瓦斯浓度、喷水量、水雾颗粒大小等因素，以达到最佳阻隔效果。本文的研究成果对于煤矿安全生产有一定的指导意义另外，需要注意的是，在使用防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术时，需要考虑操作界限和关键参数。

首先是喷水量和水雾颗粒大小。喷水量和水雾颗粒大小会直接影响防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的阻隔效果。对于喷水量，应根据煤与瓦斯浓度和煤尘密度来确定。过多或过少的喷水都会影响效果，需要进行实地实验来确定最佳的喷水量。对于水雾颗粒大小，一般是在10-30微米左右，过大或过小的水雾颗粒都会降低防护效果。

其次是操作界限。防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的操作界限需要根据不同矿井和巷道的情况来确定。需要考虑到巷道高度、巷道形状和瓦斯和煤尘产生的位置等因素，以确定喷洒水雾的位置和喷水量。

最后需要注意的是，防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的使用需要结合其他安全措施进行。例如，设立瓦斯检测仪和瓦斯报警器，可以在瓦斯浓度超标时及时进行报警和处理。另外，还需要定期检查水雾喷洒系统的运行情况，及时进行维护和更换设备。

综上所述，防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术是有效的瓦斯和氧气阻隔方法，但需要根据实际情况确定关键参数和操作界限。同时，还需要结合其他安全措施，以保证煤矿生产的安全和稳定对于防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的应用，还需要注意以下几点：

1.技术应用的时间和频率

防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的应用时间和频率需要根据煤矿的生产情况进行灵活调整。一般来说，这些技术在煤矿的开采、通风和运输过程中都需要进行应用。在进行钻孔、爆破等作业时，应在作业前和作业后立即进行喷洒，以防止瓦斯和煤尘爆炸。在过道中行驶车辆或装卸物品时，也需要喷洒防尘水雾，以节省水资源和提高防护效果。

2.技术应用的场所

防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的应用场所主要包括工作面、通风巷道、回风巷道、进风井巷、运输道路等。在工作面上，需要根据采煤进度调整雾化器的位置和喷洒量，确保充分照顾到工作面的每个区域。在通风巷道上，应在煤工进入前先停止喷洒水雾，以免影响工作面的通风效果。在回风巷道上，由于其负压作用，需要加大喷水量以提高防护效果。在进风井巷和运输道路上，需要在进出口处设置喷水系统，以减少煤尘和瓦斯的溢出。

3.技术应用的效果评估

对于防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的应用效果，需要进行实地评估。评估包括水雾覆盖率、煤尘生成量、瓦斯浓度等。水雾覆盖率是评价防尘效果的主要指标，一般应达到90%以上。煤尘生成量和瓦斯浓度则是评价防瓦斯效果的关键指标。一旦发现效果不佳，需要及时调整喷水系统的参数和位置，并结合其他安全措施进行改善。

4.技术应用的新型材料研发

近年来，随着科技的不断进步，防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术的材料也在不断创新。新型材料的研发可以提高防护效果和降低成本。例如，使用纳米材料可以提高水雾覆盖率和防瓦斯效果，并降低水雾喷洒量。采用生物降解材料可以减少对环境的污染。

总之，防瓦斯喷雾幕和过量煤尘抑制技术在煤矿生产中起到了重要的防护作用，但技术的应用需要充分考虑实际情况，并进行实地评估和调整