现阶段我国煤矿井下安全事故频发,毒害气体引发的事故一直居高不下。针对目前矿井作业面气体流动行为认识上的不足之处,本文以"U"型通风综采作业面为研究对象,提出作业面几何模型和气体流动动力学控制方程,使用数值模拟方法分别对综采作业面风场流动和毒害气体的积聚行为进行模拟。结合作业面实际观察到的现象,探讨了作业面附近风场的分布特性及其对毒害气体扩散和积聚的影响,重点分析了设备附近毒害气体积聚的原因。最后,从矿井环境监测角度出发提出适用于矿井流动体系的环境安全监测方法并给出了具体的操作方案。本项工作在揭示毒害气体积聚特点的基础上,为矿井开展新型环境安全监测提供了思路。在稳态计算模式下对综采作业面附近风的流动行为进行模拟,展示了作业面及设备附近风场分布特性。计算结果表明:风由进风巷隅角附近漏入采空回填区,而后会从回风巷隅角附近重新回到作业面;作业面无设备阻挡时,风速较平缓,进风巷隅角和回风巷隅角附近容易形成涡流:作业面存在设备时,巷道整体风速稍有提高,设备迎风面和背风面也出现了明显的涡流,涡流会随着垂直高度的提高逐渐减弱。对作业面风场特性的研究验证了模型的准确性,同时也解释了某些区域具有较高气体积聚潜力的原因。对以CH4和CO为代表的矿井毒害气体在正常通风作业面附近的分布和积累情况进行瞬态跟踪。计算结果表明:采空回填区和作业面煤层释放的毒害气体会在回风巷隅角附近积聚,气体浓度会经历升高而后逐渐稳定的过程;设备附近的气体积聚过程与回风巷隅角类似,但积聚速度更快;设备迎风面主要受气体上浮效应的影响,气体浓度相对较低,背风面则主要受涡流束缚作用影响,气体会积聚在背风面中上部;在常规通风条件下,局部CH4浓度达到爆炸极限,CO浓度也已达到了危害人体健康的程度。对综采作业面毒害气体积聚机制的研究不仅可以定位气体容易积聚的区域,还为矿井通风和气体监测措施的实施提供指导。针对现有矿井环境监测技术的不足,提出了针对矿井流动体系中的环境安全监测方法:在现有监测技术基础上,以实时信息显示的方式告知作业人员周边环境信息,将具有移动属性的人和机械设备都纳入监测范围,所监测的气体从瓦斯扩展到井下所有常见毒害气体并能根据现场实际情况启动相应的报警模式。结合自主研发的便携式气体监测装置,给出了该方法的具体实施路线。该装置在环境安全监测领域有广阔的实际应用前景。
