罗新荣, 李梦坤, 李亚伟, 丁 振

(中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

采煤工作面瓦斯重大危险源风险评估

罗新荣, 李梦坤, 李亚伟, 丁 振

(中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

为准确评估煤矿瓦斯爆炸危险源的危险程度，针对不同瓦斯矿井工作面及采空区，运用CFD软件模拟瓦斯危险源的失控状态，以瓦斯危险源辨识为主要依据，结合事故案例，对瓦斯爆炸危险性进行定量风险评价。结果表明：低瓦斯矿井工作面无风或风量不足时，上隅角瓦斯体积分数达到10%～22%，工作面沿回风巷方向瓦斯体积分数逐渐升高，回风巷内瓦斯体积分数在7%～15%，其中工作面瓦斯爆炸危险性系数最高，风排瓦斯并未解决上隅角瓦斯超限问题。高瓦斯矿井工作面无风或风排瓦斯时，工作面、上隅角瓦斯体积分数在5%～17%，极易发生瓦斯爆炸，若仅井下综合抽采，上隅角瓦斯体积分数在4%～10%，仍存在安全隐患。该研究通过对工作面采空区的瓦斯重大危险源进行风险评估可为预防瓦斯爆炸提供理论指导。

危险源； 瓦斯超限； 风流短路； 风险评估； CFD

0 引 言

瓦斯爆炸事故在煤矿事故中危害程度最大，且极易造成群体伤亡。2000—2013年，我国发生特大瓦斯爆炸事故49起，死亡人数达2 964人，一次死亡10 人以上的特大事故中，瓦斯爆炸事故死亡人数占瓦斯事故总人数的53%～73%[1]。因此，探究瓦斯爆炸事故的致因因素和瓦斯危险源辨识具有重要意义。

国内外学者大多从瓦斯爆炸事故案例统计角度进行危险源定性分析，如管理缺陷归类分析、事故基本特征分析和交叉耦合分析等[2]。在瓦斯爆炸事故中，瓦斯浓度超限问题是致灾的主要原因之一，然而对矿井瓦斯浓度的定量分析研究文献较少。因此，笔者以历年的瓦斯爆炸事故案例为研究对象，以CFD理论与技术为基础，通过建立瓦斯场可视化模型来辨识分析井下工作面采空区瓦斯重大危险源。从重大瓦斯爆炸事故致因的定量分析中进行风险评估，以期为科学制定特别重大瓦斯爆炸事故预防措施提供理论支持。

1 瓦斯危险源风险分析

1.1 工作面瓦斯爆炸事故原因分析

矿井瓦斯爆炸是煤矿井下一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅造成大量的人员伤亡，矿井设施损坏，还会引起煤尘爆炸等一系列灾害，造成巨大损失。由于井下管理缺陷及工作人员的疏忽等原因，导致瓦斯浓度时常处于超限状态，为瓦斯爆炸提供了必要条件。文中分析煤矿事故数据库中的2 706条案例，其中煤与瓦斯爆炸事故案例1 247条，通过归纳分析，根据事故发生的主要原因大致分为三类：工作面风流短路181条，死亡人数3 303人；井下局部通风机的随意停开117条，死亡人数2 332人；井下只采取风排瓦斯而导致工作面上隅角瓦斯超限175条，死亡人数2 234人。1971—2005年三类原因致使瓦斯爆炸事故的案例数见图1[3]。

图1 1971—2005年三类原因导致瓦斯爆炸事故案例数

1.2 瓦斯危险源来源分析

采场瓦斯主要来自首采煤层和卸压煤层，相应地将采场瓦斯来源分为首采层瓦斯源和卸压层瓦斯源[4-5]。首采层瓦斯来源于工作面煤体、巷帮煤体、落煤及遗煤等，卸压层瓦斯来源于上下临近煤层。

目前，回采工作面瓦斯涌出量的预测方法很多，文中选用分源预测法[6],回采工作面的瓦斯涌出量q分为本煤层瓦斯涌出量qb和邻近层瓦斯涌出量qL，则

q=qb+qL。

(1)

2 工作面采空区瓦斯重大危险源辨识

2.1 工作面采空区CFD模型的建立

文中选择瓦斯爆炸事故案例中两个具有代表性的矿井：一是黑龙江省某低瓦斯矿井，一是辽宁省某高瓦斯矿井。依据事故调查报告，结合现场数据得到工作面采空区的物理模型参数如表1所示。

低瓦斯矿井事故地点在左五巷靠近采空区上隅角处，高瓦斯矿井瓦斯爆炸源在工作面靠近回风巷的位置。结合实际情况，对工作面采空区模型进行简化，采用六面体划分网格。通风系统简图及模型局部网格划分如图2、3所示。

表1 工作面CFD模型基本参数及边界条件

注：采空区瓦斯涌出量根据现场实测数据用式(1)计算所得。

图2 低瓦斯矿井通风系统及模型局部网格划分

图3 高瓦斯矿井通风系统及模型局部网格划分

2.2 工作面采空区渗透率分布规律

煤层开采破坏了采场上覆煤岩层的原始应力平衡状态，引起岩体应力重新分布，产生大量采动裂隙。高位环形裂隙体理论表明[7]，自工作面距开切眼裂隙逐渐形成裂隙扩展区、裂隙压实闭合区和裂隙稳定区三个区域。

结合文献[8-10]计算得出采空区孔隙率分布为0.03%～0.38%，渗透率α为2.3×10-9～8.5×10-4m2。结合矿井资料与实测数据，考虑到采空区“O”形圈漏风通道和环形裂隙体的存在，对渗透率进行校正，确定瓦斯矿井渗透率大小为1.0×10-9～1.0×10-3m2，其空间分布大致如图4所示，其中，l1为工作面走向距离，l2为采空区距工作面距离。

图4 采空区渗透率分布

采用商业的CFD程序Fluent软件来模拟采空区瓦斯的运移，对Fluent提供的本构模型进行二次开发，将采空区的三维渗透率和孔隙率以及瓦斯涌出量采用C++语言程序进行编写，然后通过图形用户面板与Fluent的求解器进行连接。

2.3 瓦斯危险源辨识量化分析

瓦斯危险源辨识是瓦斯爆炸风险评价的主要依据之一，对煤矿安全状况的好转起着重要的作用。文中在风流短路或风量不足、风排瓦斯、采空区瓦斯抽采不合理等三类主要原因致使矿井发生瓦斯爆炸的情况下，利用以上CFD模型定量研究低瓦斯矿井、高瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯浓度超限的状态。在工作面竖直方向上，低瓦斯矿井选取h=2.8 m面，高瓦斯矿井选取h=2.5 m面来观察工作面上隅角瓦斯场的浓度。图5、6给出了高、低瓦斯矿井在不同条件下上隅角瓦斯分布情况。

分析图5、6模拟结果可知：低瓦斯矿井在无风状态、风量不足(工作面风量的一半)、风排瓦斯三种情况下，上隅角瓦斯浓度都达到了超限状态，其中工作面无风状态下，上隅角瓦斯体积分数在16%～24%；风量不足和仅风排瓦斯的情况下，上隅角瓦斯体积分数都在8%～20%。高瓦斯矿井工作面在无风状态和仅风排瓦斯的情况下,上隅角瓦斯体积分数均达到10%以上，在采取井下综合抽采的方式下，上隅角瓦斯体积分数虽然大幅度降低，但仍然在4%～8%，并有增大趋势。

a 无风状态

b 风排瓦斯

c 井下综合抽采

a 无风状态

b 风量不足

c 风排瓦斯

图7和8给出了高、低瓦斯矿井在三类情况下，工作面、回风巷中瓦斯浓度的分布曲线。其中，l3为回风巷中监测点到工作面的距离。

a 工作面

b 回风巷

由图7可见，低瓦斯矿井在风量不足或风排瓦斯的情况下，工作面沿回风方向瓦斯体积分数φ逐渐增大，但都在5%以下，靠近回风巷上隅角位置，瓦斯体积分数急剧升高至15%；回风巷瓦斯体积分数在风量不足的情况下约为5%，风排瓦斯时约在3%，靠近上隅角的位置迅速增加。无风状态时工作面瓦斯体积分数在5%～12%，回风巷瓦斯体积分数保持在13%左右，靠近上隅角位置有所升高。

由图8可见，高瓦斯矿井在无风状态时，工作面瓦斯体积分数沿回风方向呈线性增加，到上隅角位置急剧增大至22%，回风巷瓦斯体积分数保持在15%左右；风排瓦斯虽然能降低瓦斯体积分数，但风排瓦斯量远小于瓦斯涌出量，并不能很好地解决瓦斯超限问题；井下综合抽采(埋管抽采量180 m3/min+高抽巷抽采量15 m3/min+地面钻井抽采量25 m3/min)的情况下，工作面瓦斯体积分数基本保持在2%以下，回风巷瓦斯体积分数也在5%以下，只是上隅角瓦斯体积分数在6%～10%，处于超限状态。

a 工作面

b 回风巷

3 工作面采空区瓦斯爆炸风险评价

煤矿井下工作环境相对恶劣，危险源众多，由于各种危险源之间相互作用导致井下瓦斯爆炸的可能性及后果不同，主要与井下管理水平、工作人员素质及技术装备水平有关，因此，工作面瓦斯爆炸的简化风险权系数计算公式如下：

Qi=q1·q2·q3,

式中：Qi——风险权系数；

q1、q2、q3——管理、人员素质、技术装备风险系数，q1、q2、q3的取值标准为优秀0.1、良好0.3、中等0.5、差1.0。

文中以瓦斯重大危险源为主要依据，对井下工作面采空区发生瓦斯爆炸事故的危险性进行预测。瓦斯爆炸风险预测计算采用式(2)[11]：

Ri=max(Oi·Pi·Qi)，

(2)

式中：Ri——瓦斯爆炸危险性系数；

Oi——井下各种机电设备事故危险性概率指数，优秀、良好、中、差的取值分别为0.1、0.3、0.5、1.0；

Pi——危险源危险性概率指数，取值见表2。

表2 瓦斯危险源危险性概率指数

依据瓦斯爆炸事故案例的调查报告,确定文中低瓦斯、高瓦斯矿井的风险权系数和机电设备事故危险性概率指数，将2.3节中瓦斯危险源辨识结果结合表2代入式(2),得出井下上隅角、工作面、回风巷三个地点的瓦斯爆炸危险性系数，如表3所示。

由表3可知，高、低瓦斯矿井中的上隅角危险性系数均高于工作面、回风巷。按事故原因类型分析，工作面无风致使矿井工作面、回风巷瓦斯爆炸危险系数增大，风量不足和风排瓦斯造成上隅角瓦斯超限，井下综合抽采致使高瓦斯矿井上隅角瓦斯爆炸危险性增大。

表3 瓦斯爆炸危险性系数

4 结 论

通过分析瓦斯爆炸事故案例，归纳出事故发生的三类主要原因，以此为依据进行瓦斯爆炸风险性评价。

(1)低瓦斯矿井在工作面无风、风量不足、风排瓦斯等三种情况下，上隅角瓦斯体积分数均出现超限状态，瓦斯爆炸危险性系数在0.40～0.50，属于易爆炸地点；无风状态致使工作面瓦斯体积分数达到5%～12%，回风巷瓦斯体积分数甚至达到13%，瓦斯爆炸的可能性比较大；风量不足或风排瓦斯时，工作面瓦斯体积分数在2%～4%，但回风巷靠近上隅角的位置瓦斯体积分数迅速升高。

(2)高瓦斯矿井在工作面无风状态下，上隅角、工作面、回风巷均充斥着大量瓦斯，瓦斯体积分数在7%～22%，工作面瓦斯爆炸危险性系数在0.80，高于上隅角和回风巷；风排瓦斯和井下综合抽采使工作面瓦斯体积分数降到3%以下，但回风巷瓦斯体积分数在5%左右，上隅角瓦斯体积分数处于超限状态且发生爆炸的危险性极高。

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(编校 王 冬)

Risk assessment of major gas hazard in coal mining face

LuoXinrong,LiMengkun,LiYawei,DingZhen

(School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper aims to accurately identify the dangerous degree to which coal mine gas explosions occur. The identification is performed by the simulation of an out of control state of gas hazards occurring in different gas mine working face and goaf using the CFD software; and the quantitative risk assessment of gas explosion hazard, based mainly on the identification of gas hazard sources and combined with the accident case. The research demonstrates that the occurrence of little or insufficient wind or air in low gas coal mine working face is associated with: upper corner gas concentration of up to 10%～22%; a gradually increased gas concentration in return air lane direction in working face; gas concentration of 7%～15% in return air lane, putting the working surface at the highest gas explosion hazard, thus rendering it impossible for exhaust gas to solve the problem of upper corner gas gauge; the presence of little or insufficient wind or air in gas drainage in high gas mine working face is accompanied by the upper corner gas concentration of 5%～17%, contributing to a higher likelihood for gas explosion, which indicates that there still occurs a potential safety hazard, if only underground comprehensive extraction is performed, leaving the concentration of gas in upper corner in 4%～10%. The study may provide a theoretical guidance for prevention of gas explosion by a risk assessment of major hazard sources of goaf in working face.

hazard source； gas limit； short circuit； risk assessment； CFD

2016-10-30

国家自然科学基金项目(U1361102)

罗新荣(1957-)，男，江西省樟树人，教授，博士生导师，研究方向：矿井瓦斯防治理论与技术，E-mail:aq204@cumt.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.005

X93； TD712.7

2095-7262(2016)06-0612-005

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