基于瓦斯流动计算模型的工作面瓦斯流动分布研究

基于瓦斯流动计算模型的工作面瓦斯流动分布研究

1工作面参数分析这项工作的研究重点是太原群15#的区块。煤炭质量为无烟煤，煤炭变质程度高，砖瓦含量高。有必要预测并详细分析工作场所中的砖瓦输出数量。15108工作面参数:走向长度1934m,倾斜长度为220m,平均煤厚5.63m。工作面为走向长壁方式布置,共设计5条巷道,分别为进风正巷、进风副巷、回风巷、内错尾巷,高抽巷。其中新鲜风流从进风正、副巷进入工作面,流经工作面后进入到回风巷与内错尾巷。高抽巷位于距所采煤层顶板上方66m处,主要是抽取邻近层的瓦斯。2采煤工作面瓦斯流动规律研究采煤工作面瓦斯源分析是按照瓦斯涌出来源不同,对采场内瓦斯涌出来源进行分析。瓦斯源涌出强度受到开采工艺与煤层瓦斯含量及透气性系数的影响。采煤工作面是一个多源多汇的复杂瓦斯流场,瓦斯流动规律受到多种因素的作用,研究采煤工作面瓦斯流动规律,首先必须对采煤工作面瓦斯源进行详细分析分类,进而才能确定其涌出强度。传统的工作面瓦斯源相分析将采煤工作面瓦斯涌出源分为:煤壁、落煤、遗煤、上下邻近层、遗煤及围岩,其中围岩瓦斯涌出作为单独瓦斯涌出源进行测量计算。但实际中围岩瓦斯涌出量测量十分困难,本文认为自采空区中围岩瓦斯涌出量为围岩瓦斯涌出量总量的主要部分,二者可以等同,且应与遗煤瓦斯涌出强度进行统一测量。这样,本文中瓦斯源相分为煤壁(Qmb)、落煤(Qlm)、邻近层(Qljc)、遗煤围岩(Qyw)这5类,其中,邻近层与遗煤围岩瓦斯涌出统称为采空区瓦斯涌出(Qckq),其相互关系如图1。3工作面瓦斯释放量计算一般的瓦斯涌出量在测定方法上是通过测定煤炭及围岩的一些固有属性来预测工作面瓦斯涌出量。此方法在试验研究方面具有一定的优势,但实际测量中其所用计算模型基本不变,相关系数的选取受到了经验等多方面因素的影响,在实际测量中不可避免地存在一定的缺点。本文基于现场生产规律及瓦斯流动扩散理论建立了相对简单的工作面瓦斯涌出量分源预测模型。在实际生产中,工作面推进不会连续不断地进行,在2个生产班期间都安排有1个检修班,对相关生产设备进行检修,这2个生产期间工作面的瓦斯涌出量会有很大的差异,检修班工作面瓦斯涌出量生产班工作面瓦斯涌出量生产班工作面瓦斯涌出量根据式(1)、式(2)可得本文所研究的工作面瓦斯涌出主要来自于本煤层。采煤工作面工作空间中的瓦斯浓度及分布规律完全受到煤壁、落煤及遗煤围岩瓦斯涌出量的影响。根据高斯烟羽连续扩散模型,采掘空间中瓦斯的浓度分布规律为式中Q———单位时间内瓦斯源释放量;H———有效源高;x、y、z———所测点的空间坐标;σy、σz———瓦斯横向及竖直方向上的扩散系数。通过抽象简化将采掘空间内的瓦斯浓度分布看成煤壁落煤瓦斯源与采空区中遗煤围岩瓦斯源相互影响扩散的结果。二者在扩散过程中在采煤工作面空间中的某一点相遇并达到动态平衡,分析可知,此点应为走向上工作面中瓦斯浓度最低点。在实际测量中应沿走向上同一高度进行瓦斯浓度测量,拟合瓦斯浓度分布曲线,得到瓦斯浓度最低点所对应的坐标,如图2所示。根据图2可知,此点坐标在两坐标系中纵坐标y(到瓦斯涌出源的距离)的不同,x、z、h值都相同。根据烟羽扩散模型可计算求得这2个瓦斯源单位时间内瓦斯释放量的比例式中y1、y2———瓦斯浓度最低点到采空区与煤壁的距离;Q1———单位时间采空区瓦斯涌出量;生产班期间,煤壁、落煤及遗煤围岩瓦斯涌出量共同构成了风排瓦斯涌出总量通过式(4)、(5)可得出通过式(3)、式(7)即可分别计算煤壁与落煤的瓦斯涌出量。415工作面瓦斯浓度分布根据此工作面的通风方式可知,风排瓦斯总量主要是由内错瓦斯尾巷中的风排瓦斯量组成。生产班期间,15108工作面回风顺槽平均进风量为3108m3/min,其平均分配瓦斯量为15.47m3/min,内错尾巷平均进风量为1151m3/min,其平均风排瓦斯量为11.46m3/min。检修班两巷道的风量不变,其平均风排瓦斯量分别10.53m3/min与8.64m3/min。通过上述可知,生产班平均风排瓦斯总量为26.93m3/min,检修班平均风排瓦斯总量为19.17m3/min,则落煤瓦斯涌出量应为二者之差7.76m3/min。生产班时间,于15108工作面进风侧到回风侧布置测定对采煤工作空间的瓦斯浓度分布进行测量,每组测点相距20个支架的距离。每组测点由5个测点组成,其由采空区向工作面均匀分布工作面测点布置图及测点数据如图3及表1。通过表1,拟合工作面瓦斯浓度随其到采空区距离变化曲线图(见图4),找到此曲线上瓦斯浓度最低点,并求得此点坐标。经测量计算,此点的横坐标为2.46,则其到两壁面的距离y1、y2分别为2.46m与2.04m。通过式(3)、式(6)、式(7)结合二元气体扩散系数的富勒估算公式式中T———气体温度;p———气体压力;MA、MB———2种气体的摩尔质量。可得在此工作面高抽巷主要抽取邻近层瓦斯,并稳定在62.38m3/min,则15108工作面中各瓦斯源瓦斯涌出量如表2。5瓦斯流动的垂直分布在工作面倾斜方向上,瓦斯浓度整体沿风流方向呈增大趋势,在靠近煤壁处其增加趋势保持稳定,且其增加速率较大。而在靠近采空区一侧,瓦斯浓度速率呈现出一种从小到大而后再变小的规律。分析可知,煤壁附近瓦斯流动几乎没有受到采空区漏风流场的影响,其在不断积累稳定增加。而在靠近采空区一侧,开始阶段受工作面漏风流场的影响,一部分瓦斯会随着漏风流涌入采空区,瓦斯浓度增加速率较小;在工作面中部,漏风流场较弱,瓦斯浓度增加速率增加并达到最大;在靠近回风侧受到内错尾巷低负压漏风汇的影响,高浓度瓦斯会涌向采空区,表现为瓦斯浓度变化速率降低。沿工作面走向上,瓦斯浓度在煤壁及采空区附近较高,其浓度最低值位于采煤工作面工作空间中部。分析认为,煤壁及采空区为瓦斯源,此分布现象符合气体扩散定律。同时煤壁及采空区附近风速及风量较小不能有效地冲淡瓦斯,而在工作面中部风速高、风量大对瓦斯有一定的稀释作用。6邻近层瓦斯溢出量(1)本煤层经预抽瓦斯强度大、效果好,其瓦斯赋存含量已经很小,导致在开采过程中煤壁及采落煤瓦斯涌出量均不强烈;(2)受上邻近层影响,采空区瓦斯涌出量较大,尤其是上邻近层瓦斯向工作面涌出尤为强烈,占工作面瓦斯涌出总量的69.8%;(3)临近层瓦斯涌出量受到气压、开采条件等各种因素的印象,其变化幅度较大,对工作面瓦斯涌出量的影响占主导因素,实际工作中需对邻近层瓦斯