立体瓦斯抽采对采空区三带分布的研究

1、 立体瓦斯抽采对采空区“三带”分布的研究 摘要：针对立体瓦斯抽采对采空区三带划分的影响，以研究采空区风流速度的变化为切入点，以义马集团耿村矿12200工作面u+型综放面为背景，研究在立体瓦斯抽采系统下，由于漏风而造成的采空区三带分布的变化。经研究发现瓦斯抽采及采空区浮煤自热产生的内生火风压加剧了采空区的漏风，进而加剧了采空区浮煤的氧化。此研究对高瓦斯易自燃煤层采空区自然发火防治提供了新思路，具有一定的理论及现实意义。 关键词：瓦斯抽采；采空区；漏风；火风压；三带； stereo gas drainage to study of the distribution of the goaf thre

2、e zones yu ming-gao1, zhao zhi-jun1 ,chu ting-xiang1,2 (1.school of safety science and engineering, henan polytechnicuniversity, jiaozuo,henan 454003, china；2. the state key laboratory of coal resources and mine safety, cumt ，xuzhou,jiangsu,221008, china;) abstract:aimed at the effection of stereo g

3、as drainage to three zones division, though the study ot change in the airflow velocity, choosed the u+type fully machined workface of yangquan mine, research in stereo gas extraction system, due to air leakage resulting from the three zones distribution of changing. find gas drainage and endogenous

4、 fire heating air pressure derived from coal goaf float self-heating warming make goaf leakage deteriorating，further aggravated goaf float coal oxidation. the study provides a new thinking of controlling coal spontaneous combustion. to the high gas and easy spontaneous combustion. coal-seam of fully

5、 machined workface, which had certain theory and practical significance. keywords: gas drainage;goaf;air leakage;fire heating air pressure; three zones; 矿井瓦斯和煤层自燃是严重威胁煤矿井下安全生产的两大主要灾害，当矿井瓦斯和煤层自燃同时存在时，对于矿井的安全生产和人员的安全则构成了双重威胁。特别对于高瓦斯易自燃矿井，往往在解决瓦斯的同时，由于瓦斯抽采，造成采空区漏风加剧，引发采空区破裂遗煤自燃；同时由于采空区浮煤的自燃，在采空区局部形成了内生

6、火风压，进而加剧了采空区浮煤自燃的供氧动力1；另一方面，由于煤自燃又成为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，严重地影响瓦斯的安全抽采；因此，就如何能够在防治采空区浮煤自燃的措施中，兼顾卸压瓦斯的抽采；如何能够在瓦斯抽采过程中，兼顾着对采空区浮煤供氧动力的有效控制达到防治浮煤自燃，成为高瓦斯易自燃 矿井，如何实现安全生产的关键课题之一。因此，弄清它们的内在基本规律，找出二者的互动影响过程，对协调二者灾害关系将是十分有意义的。据有关部门19531984年32年的不完全统计，我国统配煤矿和重点煤矿火灾事故中，内因火灾占事故总数的94%，外因火灾仅占6%。根据统计资料，按采空区、巷道及其它地点分类，采空区自然发火

7、次数占火灾总数的60%，巷道煤柱自然发火占29%，其他地点自燃发火占11%2。可见，防止自然火灾，特别是采空区内自然火灾的发生，是避免煤矿火灾、保证安全生产的重点工作之一。 本文以义马集团耿村矿12200工作面u+型通风系统为例，来研究在其影响下采空区自燃三带的分布情况及防治浮煤自燃的措施。 1 工作面概况 12200综放工作面的标高为145188m，地表标高为620651m，埋藏深度为432506m。工作面切眼长186m，工作面平均走向长885m，主采2-3煤层，煤厚12.218.3m，平均厚度14.87m，煤层倾角812，工作面巷道布置如图1。 工作面的通风瓦斯管理采用u型外加高抽巷的通风

8、布置方式，是近年来广泛采用的放顶煤工作面瓦斯治理技术。在其原来传统的u型通风系统基础上，另距回风巷内侧沿顶板裂隙带布置一条高抽巷。在工作面割煤初期，高抽巷所起的作用不会太大，但随着工作面的推进，老顶初次来压显现以后，上覆岩层采动裂隙开始逐渐发育，这时高抽巷将会逐渐发挥作用，卸压瓦斯会大量涌入高抽巷，瓦斯浓度将会增加，整个抽采效果也会因此得到较大提高。 2覆岩层裂隙的形成及漏风动力的建立 2.1采空区上覆岩层裂隙的形成 以钱鸣高院士为首的科研群体对整个上覆岩层直至地表岩层的整体运动规律3提出了横三区、竖三带总体认识，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区和重新压实区，由下而上

9、岩层移动划分为垮落带、裂隙带和整体弯曲下沉带。在卸压区内岩层应以拉应力为主，当超过其岩体的极限抗拉强度时，便会出现纵向裂隙，因此在顶板覆岩周期断裂时，在煤壁前方顶板岩层内会产生开口向上的纵向裂隙，在煤壁后方顶板岩层内会产生开口向下的纵向裂隙，上覆岩层裂隙分布如图2。高抽巷布置在裂隙带内。与采空区间形成一条漏风通道。上一页 1 2下一页 2.2漏风动力的建立 由于瓦斯抽采负压及上覆岩层的裂隙发育，形成漏风动力及漏风通道。风流在抽采负压的作用下，沿采空区及上覆岩层的裂隙通道弥散，造成采空区立体风流运移，致使采空区浮煤处于适宜的供氧环境中，促使采空区浮煤与氧气接触区域增大、强度增加。随着工作面的正常

10、推进和氧化作用时间的增加，采空区浮煤氧化生热增加，发热煤体温度升高，加上漏风两端的温度差及高压差形成了内生火风压， 加剧采空区浮煤自燃的供氧动力及氧化动力。在内生火风压的作用下，可能在高温区与非高温区之间形成慢速涡流，使热量形成对流交换，促使里外煤体共同升温，致使采空区浮煤氧化加剧，最终导致浮煤自燃的发生。 3 u+型通风系统对三带划分的影响 3.1数值模拟及分析 以义马集团耿村矿12200工作面u+型通风系统为例，系统的研究采空区的立体漏风。根据12200工作面的开采条件及上覆岩层裂隙发育的特征，通过fluent对采空区及上覆岩层卸压区域漏风流场的模拟4-9，从图中看以看出，采空区流场呈现三

11、维变化，受高抽巷影响较大，如图3。 图3 12200采空区漏风风速分布图（00.005m/s） fig.3 the air leakage speed in15101 goaf（00.005m/s） 从图3可知，在高抽巷影响下造成了采空区的立体风流变化。在其影响下，采空区风流速度分布打破了原先普通采空区自燃三带的划分范围，而在采空区深部也形成了较强的漏风，这样就造成了采空区风流速度分布的不规律。从图中还可看到，在后高抽巷部漏风风流速度较大，实际上这些较大的风流速度不能使浮煤自燃，因为散失的热量大于生成的热量，因此就在这漏风流较大的区域之间，形成了适合浮煤自燃的风流速度区域，而在自燃带的中部也形

12、成一个不适合浮煤自燃近似椭圆型的漏风区域，由此可见，氧化自燃带是一个不规则的环形区域。 3.2 实测12200工作面高抽巷气体分析 在工作面的推进一段距离后，随着老顶初次来压，工作面上覆岩层破断裂隙形成后，对高抽巷气体进行了实测，如图4。 fig.4 ch4 and o2 concentration over time variations 在工作面正常回采期间，通过对高抽巷气体成分的分析，瓦斯平均浓度为9%左右，而o2浓度占有量竟达到15%左右，从而说明在高抽巷的影响下，采空区漏风存在，并且加剧了采空区的漏风。 3.3自燃三带的复杂化 如果根据采空区漏风流速来划分采空区三带，一般可分为：不自

13、燃带，流速0.24m/min；自燃带，0.24m/min流速0.1m/min；窒息带，流速0.1m/min。在不受高抽巷影响下的u型通风系统，根据采空区漏风流速来划分采空区三带的情况如图5所示10： fig.5 according to air leakage of the goaf to divided the three zones scope 在有高抽巷的影响下，根据采空区漏风流速来划分采空区三带的范围，并不是很有顺序的三带划分，而是形成了多块型、不规则状划分，根据模拟结果图3（采空区漏风风速分布图）来划分采空区三带示意图，如图6。 fig.6 in the u + under the

14、influence of the three zones division schemes 1）结合图3图6可知，工作面前方一段距离由于风流速度大于0.24 m/min，散热大于生热，仍是不自燃带；图中自燃带范围明显比没有高抽巷影响下自燃带范围大得多，这是由于在高抽巷的开拓下，对上覆岩层进行了区域性卸压，造成周围岩体松动，诱导裂隙发育，并且随着工作面的正常推进，上覆煤岩层的裂隙形成横向及纵向的发育，致使在抽放负压的条件下，形成了采空区-煤岩裂隙-抽放巷这样的漏风通道，增加了采空区的漏风，致使采空区三带中自燃带范围增大。 2）结合图3可知，在自燃带范围内出现了两个特殊区，窒息带1和不自燃带2。随

15、着回采工作面的的推进，采空区上部覆岩逐渐垮落，采空区中部逐渐压实，漏风风流难以通过，从而就形成了窒息带1；而两巷附近由于煤柱的支撑，形成了漏风通道，风流贯通到窒息带1后部，再加上后高抽巷的影响，采空区后部漏风加剧，由于漏风风速较大从而形成了不自燃带2。另外，在采空区后部，由于漏风孔隙通道的压实，再加上切眼处防漏的处理，漏风风流逐渐减少，就形成了窒息带2。 5 结论 1）由于瓦斯抽采及上覆岩层的裂隙发育，形成了漏风动力及漏风通道，造成了采空区漏风的加剧，进而为采空区浮煤自燃提供了充足的供氧条件； 2）由于采空区浮煤自热升温，在采空区局部形成内生火风压，进一步加剧了采空区的漏风。 3）在u+型通风

16、方式影响下，根据采空区漏风流速来划分采空区三带 的范围，则三带形成了多块型、不规则状划分，改变了原先规则、有序的划分。 参考文献： 1 褚廷湘,余明高,杨胜强等. 煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究j.采矿与安全工程学报,2010,27(1):87-93. 2 宋永津.矿井均压防火m.北京:煤炭工业出版社,2001. 3钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析j.岩石力学与工程学报,1995,14(1995),97-106. 4 文虎.综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟j.煤炭学报,2002,27(1):54-58. 5 张辛亥,刘灿,周金生等.综放面采空区流场模拟及自燃危

17、险区域划分j.西安科技大学学报,2006,26(1):6-9. 6 balusu, r., deguchi, g., holland, r., moreby, r., xue, s.,wendt, m. & mallett, c. goaf gas flow mechanics and development of gas and sponcom control strategies at a highly gassy mine j. coal and safety. 2002,20: 35-45. 7 liming yuan, alex c.smith. numerical study on effects of coal properties