高綜放工作面采空區(qū)瓦斯流動(dòng)分布研究

高綜放工作面采空區(qū)瓦斯流動(dòng)分布研究

煤礦開采事故是一種嚴(yán)重的地下災(zāi)害。其中，屋頂變化對預(yù)防和控制這種類型的屋頂爆炸非常重要。因此，正確掌握采礦開采規(guī)律可以有效防止礦工爆炸事故的發(fā)生。在每鉆頭的鉆孔砌塊的源中，采空區(qū)瓷磚的來源占主導(dǎo)地位，因此也是磚瓦防治的重點(diǎn)。近十年來，政府和公司一直非常重視對采空區(qū)磚瓦運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的研究。研究方法包括現(xiàn)場工程試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬計(jì)算。從目前的這些研究工具中，數(shù)值模擬計(jì)算方法是最常用的，而實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究是最小的。文獻(xiàn)中使用了內(nèi)部模擬試驗(yàn)裝置對礦山采礦空區(qū)磚塊的流動(dòng)變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是研究頂板沉降因素與磚瓦波動(dòng)之間的關(guān)系。此外，研究條件是近水平賦存煤層工作的迫切需要。根據(jù)其特殊的開采方法，采用實(shí)驗(yàn)室建造的模擬開采條件的試驗(yàn)臺，在礦區(qū)內(nèi)建立開采條件的規(guī)律。然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)值模擬法，在快速傾斜壩區(qū)獲得所有權(quán)的開采規(guī)律。1基礎(chǔ)研究和方法1.1模擬采場條件由于所建立的試驗(yàn)臺為模擬性質(zhì),所以必須以礦井實(shí)際生產(chǎn)條件為搭建依據(jù).葦湖梁煤礦位于新疆烏魯木齊市南區(qū),井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)的西山窯組.地層總厚902.9m,含煤35層.按大于0.6m的可采標(biāo)準(zhǔn)計(jì),可采、局部可采煤層33層,平均有益總厚134.66m,含煤系數(shù)15%,其中可采29層,平均總厚127.99m.煤層結(jié)構(gòu)全屬復(fù)雜結(jié)構(gòu),目前所開采的B1+2煤,煤層頂、底板較發(fā)育,煤層傾角78°,厚32.9m,采用綜采放頂煤工藝.根據(jù)上述條件,在巖層控制模擬試驗(yàn)支架臺上,增添兩塊有機(jī)玻璃蓋板,使其形成一個(gè)封閉采場系統(tǒng),并附加氣體流動(dòng)控制及檢測裝置等,構(gòu)成大傾角煤層模擬采場條件試驗(yàn)臺(如圖1).在試驗(yàn)時(shí),考慮到試驗(yàn)臺附近有電器設(shè)備工作,為了安全起見,采用純氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)標(biāo)志氣體,通過測定試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)氧氣濃度,來分析氮?dú)庠诓煽諈^(qū)的分布規(guī)律.葦湖梁煤礦回采工作面的基本參數(shù):工作面煤厚32.9m,采高2.5m,放頂煤高度則按一個(gè)階段劃為17.5m.工作面風(fēng)量:402m3/min,工作面端面積:7.88m2,風(fēng)速0.82m/s.根據(jù)幾何相似原理,確定模擬試驗(yàn)臺中,試驗(yàn)煤層厚度33cm,采高2.5cm,放頂30cm(放頂尺度大是為了額外觀察上部圍巖的移動(dòng)變化).依據(jù)流動(dòng)相似原理,處在采空區(qū)里的流體運(yùn)動(dòng),主要是壓力和慣性力起主導(dǎo)作用,所以歐拉相似準(zhǔn)數(shù)Eu必相等.式中,P為大氣壓力,Pa;ρ為密度,kg/m3;V為速度,m/s.1.2工作面采動(dòng)期瓦斯氣體分布為了模擬工作面采動(dòng)變化過程中、不同條件下采空區(qū)瓦斯分布變化規(guī)律.試驗(yàn)內(nèi)容包括:工作面采動(dòng)初期的瓦斯氣體的分布變化;工作面放頂煤期間的瓦斯氣體的分布變化;工作面頂板冒落期間的瓦斯氣體的分布變化.在試驗(yàn)過程中,因待測定參數(shù)主要是O2濃度,測定的區(qū)域是在采空區(qū),所以,需要預(yù)先設(shè)定實(shí)驗(yàn)要檢測的氣體的測點(diǎn)位置布置,如圖2所示.1.3工作面冒落時(shí).(1)在搭建試驗(yàn)工作面時(shí),要在靠近一個(gè)壁面預(yù)留工作面通道,同時(shí)將液壓支架組成的通道模型放進(jìn)去,并把試驗(yàn)用進(jìn)、回風(fēng)管道預(yù)埋入工作面的兩道出口位置.(2)在上覆巖煤層開始冒落時(shí),進(jìn)行試驗(yàn).(3)試驗(yàn)時(shí),先把純氮?dú)庠谏戏搅严秴^(qū)連續(xù)注入,當(dāng)其充滿工作面區(qū)間后,開動(dòng)抽氣泵,控制器流量,進(jìn)行工作面通風(fēng),試驗(yàn)過程中,選擇采空區(qū)不同位置進(jìn)行采樣分析試驗(yàn),直到多次采樣試驗(yàn)測定結(jié)果不變?yōu)橹?(4)觀察采空區(qū)冒落情況,當(dāng)再有一次冒落變化后,重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)過程(3).2空氣中o2濃度的檢測試驗(yàn)環(huán)境里,空氣里面O2與N2的濃度比為20.9∶79.1.在實(shí)驗(yàn)過程中,通過檢測空氣里O2濃度,可通過公式換算出作為指標(biāo)氣體的N2濃度式中,C0為指標(biāo)氣體的N2濃度,%;C0為試驗(yàn)中測得的O2濃度,%.2.1工作面放頂煤階段氣體濃度分布(1)工作面初采階段氣體濃度分布工作面初采期間,在上覆煤層跨落后,測定的氣體濃度分布情況見表1所示.(2)工作面放頂煤階段氣體濃度分布在工作面開采放頂煤期間,上部煤層跨落后的采空區(qū)域增加,測定的氣體濃度分布情況見表2所示.(3)工作面頂板冒落階段氣體濃度分布在工作面開采到上覆巖層頂板跨落期間,除了上部煤層跨落后的采空區(qū)域增加之外,煤層頂板構(gòu)造受到破壞,測定的氣體濃度分布情況見表3所示.2.2工作面內(nèi)放頂煤氣體濃度根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,在靠近工作面回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)內(nèi),指標(biāo)性氣體濃度含量高,反映了工作面在初采階段的瓦斯?jié)舛确植继卣?見表1);在工作面支架上部放頂煤之后,靠近工作面部位的指標(biāo)氣體(純N2)濃度比遠(yuǎn)離工作部位的指標(biāo)氣體濃度低(見表2).表3的情況分為兩種:在工作面(3#和2#測孔)和上覆巖層附近(9#和8#測孔)的區(qū)域,純N2濃度要比中間區(qū)域(5#和4#測孔)的濃度低,反映了涌出氣體仍然聚集在遺煤多的地方;上覆巖層跨落,出現(xiàn)了漏風(fēng)通道,測定的指標(biāo)氣體濃度比上述兩種情況下的濃度數(shù)值偏低.2.3工作面回風(fēng)側(cè),工作面氣體濃度隨距離的變化規(guī)律對于前面試驗(yàn)得到的結(jié)果,以距離工作面的垂直距離為自變量x,以純N2指標(biāo)性氣體的濃度C為因變量,建立采空區(qū)氣體濃度分布變化規(guī)律.(1)工作面初采期間,頂部煤體受采動(dòng)影響不大,氣體在垂直方向上,呈現(xiàn)線性增加的變化規(guī)律.在工作面回風(fēng)側(cè),氣體濃度隨距離變化為在工作面中部,氣體濃度隨距離變化,(2)工作面放頂煤階段,工作面中部及回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)里面,氣體濃度隨距離變化總體呈增加趨勢.在工作面回風(fēng)側(cè),氣體濃度隨距離變化為在工作面中部,氣體濃度隨距離變化為(3)工作面上部頂板跨落階段,工作面中部及回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)里面,氣體濃度隨距離變化,先是呈增加趨勢后呈現(xiàn)減少趨勢.在工作面回風(fēng)側(cè),瓦斯?jié)舛入S距離變化關(guān)系式在工作面中部,瓦斯?jié)舛入S距離變化關(guān)系式根據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果,采用純N2作為指標(biāo)性氣體來研究采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r,其結(jié)果符合理論上的指導(dǎo)性原則.以上述規(guī)律作為采空區(qū)瓦斯分布變化的控制條件,來指導(dǎo)用數(shù)值模擬方法研究葦湖梁煤礦瓦斯在采空區(qū)的分布和變化規(guī)律.3數(shù)值模擬研究根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)得出的氣體濃度分布與采空區(qū)垂直距離的關(guān)系,采用數(shù)值計(jì)算軟件(Fluent),來對葦湖梁煤礦采空區(qū)瓦斯氣體的實(shí)際情況進(jìn)行模擬研究,模擬計(jì)算采用剖面二維模式.3.1通風(fēng)邊界條件(1)基本開采條件,模型采用現(xiàn)場煤層賦存的實(shí)際數(shù)據(jù),即在+750m水平所開采的B1+2煤,煤層厚33m,煤層傾角60°;煤層開采方法為綜采放頂煤,其中,采高2.5m,放頂17.5m.(2)通風(fēng)邊界條件,工作面風(fēng)量為402m3/min,斷面積:7.88m2,風(fēng)速0.82m/s;按此計(jì)算,工作面兩端頭通風(fēng)阻力1.16Pa.(3)采空區(qū)瓦斯初始狀態(tài)下濃度為100%,不考慮煤層自燃所引起的煤體內(nèi)能變化,同時(shí),按照現(xiàn)場瓦斯管理的要求,在工作面回風(fēng)側(cè)(工作面上隅角)瓦斯?jié)舛葹?.8%,以此作為工作面邊界基本條件,在垂直方向,瓦斯?jié)舛忍荻劝凑?.3節(jié)所得出的規(guī)律變化.(4)其他邊界條件,在煤層頂、底板不考慮傳質(zhì)傳熱要素,工作面風(fēng)流的空氣組分:O2為20.9%,N2為79.1%.對于煤層頂端(露頭端),不考慮有淋水以及自然風(fēng)壓影響因素.3.2工作面采空區(qū)瓦斯分布按照上述條件,利用計(jì)算機(jī)對于工作面上部煤層的采空區(qū)瓦斯分布情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,情況如下.(1)工作面初采階段采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?通過模擬計(jì)算,得出采空區(qū)瓦斯分布(如圖3所示).從圖中可見,在工作面中間部位,出現(xiàn)了濃度低的瓦斯分布在支架上部比較深的層位,梯度變化向兩側(cè)巷道口移去.這個(gè)結(jié)果與模擬試驗(yàn)規(guī)律(式(3)和式(4))基本吻合,這是因?yàn)樵诔醪呻A段,除了直接頂煤層有部分冒落,工作面上部煤層沒有出現(xiàn)大面積垮落,但是產(chǎn)生了一定量裂隙,以工作面中部的空氣滲流擴(kuò)散最為明顯,將松動(dòng)煤體內(nèi)的瓦斯進(jìn)行稀釋.(2)工作面放頂煤階段采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?結(jié)合現(xiàn)場采煤的實(shí)際情況,回采工作面采放比為1∶7.通過模擬計(jì)算,得出采空區(qū)瓦斯分布(如圖4所示).這個(gè)結(jié)果與模擬試驗(yàn)規(guī)律(式(5)和式(6))大致吻合,差異較大的是工作面進(jìn)風(fēng)段,模擬計(jì)算的瓦斯分布曲線范圍變化顯著,能夠影響到煤層的上水平位置,比實(shí)驗(yàn)的范圍大.原因是在放頂煤過程中,是當(dāng)支架頂部煤體冒落時(shí),進(jìn)風(fēng)端出在煤層底板,煤塊被壓碎并滑落,煤體釋放的瓦斯與擴(kuò)散的空氣彌漫了所有空間,同時(shí),工作面風(fēng)流的持續(xù)流動(dòng),將靠近支架位置的混合空氣沖淡并帶走.于是就形成了從下往上混合氣體中瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)梯度變化的情況.(3)工作面頂板垮落后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?通過模擬計(jì)算,得出采空區(qū)瓦斯分布(如圖5所示).這種分布情況與實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律(式(7)和式(8))有較大的差異,原因在上覆頂板垮落之后,地表漏風(fēng)通道形成,使得采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植汲尸F(xiàn)復(fù)雜的情況,模擬情況為采空區(qū)里面、靠近工作面回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛冉档秃芏?3.3鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場生產(chǎn)過程中瓦斯抽放情況進(jìn)行了對比.現(xiàn)場的采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)連接了每一個(gè)回采(水平)階段,在鄰近的B1煤層的巷道里設(shè)瓦斯抽放鉆場,鉆場位置就在回采面巷道上部5m處.在鉆場水平位置布置鉆孔,終空位置到了工作面,也就在支架頂部8m左右位置.從實(shí)際抽放效果看,在煤層開始受采動(dòng)影響伊始進(jìn)行抽放時(shí),鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)到40%~50%;在進(jìn)行放頂煤作業(yè)時(shí),鉆孔中瓦斯?jié)舛纫话銥?0%~40%(由于抽放鉆孔已被破壞,測定數(shù)據(jù)應(yīng)該是鉆孔靠近壁面位置的瓦斯?jié)舛?,依照垂直方向上瓦斯?jié)舛鹊奶荻茸兓?guī)律,當(dāng)一個(gè)階段內(nèi)頂煤放盡時(shí),頂部瓦斯?jié)舛戎辽俅笥?0%.當(dāng)上覆頂板巖層冒落時(shí),由于抽放鉆孔已被破壞,此時(shí)瓦斯抽放鉆場已經(jīng)作廢,沒有一個(gè)可考察的指標(biāo).4放頂煤采空區(qū)瓦斯堆積分布的研究思路通過對葦湖梁煤礦急傾斜工作面采用分階段綜采放頂煤采煤方法采空區(qū)瓦斯積聚分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,主要得到如下結(jié)論:(1)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所建立的礦井采空區(qū)瓦斯分布模型的模擬計(jì)算結(jié)果,以及現(xiàn)場瓦斯抽放系統(tǒng)抽放效果,表明了文中所建立的一套急傾斜工作面、分階段綜采放頂煤采空區(qū)瓦斯積聚分布的研究技術(shù),對于指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理是可行的,從而可以節(jié)省現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)所耗費(fèi)的大量人力物力.(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的瓦斯在采空區(qū)分布規(guī)律,對于這種急傾斜煤層、采用分階段綜采放頂煤采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽放(采)時(shí),在初采階段,工作面空氣可擴(kuò)散到頂部煤層深度為10m的地方,煤層孔隙內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?0%以上;在放頂煤階段,