高综放工作面采空区瓦斯流动分布研究

高综放工作面采空区瓦斯流动分布研究

煤矿开采事故是一种严重的地下灾害。其中，屋顶变化对预防和控制这种类型的屋顶爆炸非常重要。因此，正确掌握采矿开采规律可以有效防止矿工爆炸事故的发生。在每钻头的钻孔砌块的源中，采空区瓷砖的来源占主导地位，因此也是砖瓦防治的重点。近十年来，政府和公司一直非常重视对采空区砖瓦运动变化规律的研究。研究方法包括现场工程试验、实验室试验研究和数值模拟计算。从目前的这些研究工具中，数值模拟计算方法是最常用的，而实验室实验研究是最小的。文献中使用了内部模拟试验装置对矿山采矿空区砖块的流动变化进行实验，重点是研究顶板沉降因素与砖瓦波动之间的关系。此外，研究条件是近水平赋存煤层工作的迫切需要。根据其特殊的开采方法，采用实验室建造的模拟开采条件的试验台，在矿区内建立开采条件的规律。然后，根据实验结果采用数值模拟法，在快速倾斜坝区获得所有权的开采规律。1基础研究和方法1.1模拟采场条件由于所建立的试验台为模拟性质,所以必须以矿井实际生产条件为搭建依据.苇湖梁煤矿位于新疆乌鲁木齐市南区,井田含煤地层为侏罗系中统的西山窑组.地层总厚902.9m,含煤35层.按大于0.6m的可采标准计,可采、局部可采煤层33层,平均有益总厚134.66m,含煤系数15%,其中可采29层,平均总厚127.99m.煤层结构全属复杂结构,目前所开采的B1+2煤,煤层顶、底板较发育,煤层倾角78°,厚32.9m,采用综采放顶煤工艺.根据上述条件,在岩层控制模拟试验支架台上,增添两块有机玻璃盖板,使其形成一个封闭采场系统,并附加气体流动控制及检测装置等,构成大倾角煤层模拟采场条件试验台(如图1).在试验时,考虑到试验台附近有电器设备工作,为了安全起见,采用纯氮气作为试验标志气体,通过测定试验区域内氧气浓度,来分析氮气在采空区的分布规律.苇湖梁煤矿回采工作面的基本参数:工作面煤厚32.9m,采高2.5m,放顶煤高度则按一个阶段划为17.5m.工作面风量:402m3/min,工作面端面积:7.88m2,风速0.82m/s.根据几何相似原理,确定模拟试验台中,试验煤层厚度33cm,采高2.5cm,放顶30cm(放顶尺度大是为了额外观察上部围岩的移动变化).依据流动相似原理,处在采空区里的流体运动,主要是压力和惯性力起主导作用,所以欧拉相似准数Eu必相等.式中,P为大气压力,Pa;ρ为密度,kg/m3;V为速度,m/s.1.2工作面采动期瓦斯气体分布为了模拟工作面采动变化过程中、不同条件下采空区瓦斯分布变化规律.试验内容包括:工作面采动初期的瓦斯气体的分布变化;工作面放顶煤期间的瓦斯气体的分布变化;工作面顶板冒落期间的瓦斯气体的分布变化.在试验过程中,因待测定参数主要是O2浓度,测定的区域是在采空区,所以,需要预先设定实验要检测的气体的测点位置布置,如图2所示.1.3工作面冒落时.(1)在搭建试验工作面时,要在靠近一个壁面预留工作面通道,同时将液压支架组成的通道模型放进去,并把试验用进、回风管道预埋入工作面的两道出口位置.(2)在上覆岩煤层开始冒落时,进行试验.(3)试验时,先把纯氮气在上方裂隙区连续注入,当其充满工作面区间后,开动抽气泵,控制器流量,进行工作面通风,试验过程中,选择采空区不同位置进行采样分析试验,直到多次采样试验测定结果不变为止.(4)观察采空区冒落情况,当再有一次冒落变化后,重复进行试验过程(3).2空气中o2浓度的检测试验环境里,空气里面O2与N2的浓度比为20.9∶79.1.在实验过程中,通过检测空气里O2浓度,可通过公式换算出作为指标气体的N2浓度式中,C0为指标气体的N2浓度,%;C0为试验中测得的O2浓度,%.2.1工作面放顶煤阶段气体浓度分布(1)工作面初采阶段气体浓度分布工作面初采期间,在上覆煤层跨落后,测定的气体浓度分布情况见表1所示.(2)工作面放顶煤阶段气体浓度分布在工作面开采放顶煤期间,上部煤层跨落后的采空区域增加,测定的气体浓度分布情况见表2所示.(3)工作面顶板冒落阶段气体浓度分布在工作面开采到上覆岩层顶板跨落期间,除了上部煤层跨落后的采空区域增加之外,煤层顶板构造受到破坏,测定的气体浓度分布情况见表3所示.2.2工作面内放顶煤气体浓度根据上述试验结果,在靠近工作面回风侧的采空区内,指标性气体浓度含量高,反映了工作面在初采阶段的瓦斯浓度分布特征(见表1);在工作面支架上部放顶煤之后,靠近工作面部位的指标气体(纯N2)浓度比远离工作部位的指标气体浓度低(见表2).表3的情况分为两种:在工作面(3#和2#测孔)和上覆岩层附近(9#和8#测孔)的区域,纯N2浓度要比中间区域(5#和4#测孔)的浓度低,反映了涌出气体仍然聚集在遗煤多的地方;上覆岩层跨落,出现了漏风通道,测定的指标气体浓度比上述两种情况下的浓度数值偏低.2.3工作面回风侧,工作面气体浓度随距离的变化规律对于前面试验得到的结果,以距离工作面的垂直距离为自变量x,以纯N2指标性气体的浓度C为因变量,建立采空区气体浓度分布变化规律.(1)工作面初采期间,顶部煤体受采动影响不大,气体在垂直方向上,呈现线性增加的变化规律.在工作面回风侧,气体浓度随距离变化为在工作面中部,气体浓度随距离变化,(2)工作面放顶煤阶段,工作面中部及回风侧的采空区里面,气体浓度随距离变化总体呈增加趋势.在工作面回风侧,气体浓度随距离变化为在工作面中部,气体浓度随距离变化为(3)工作面上部顶板跨落阶段,工作面中部及回风侧的采空区里面,气体浓度随距离变化,先是呈增加趋势后呈现减少趋势.在工作面回风侧,瓦斯浓度随距离变化关系式在工作面中部,瓦斯浓度随距离变化关系式根据前面试验结果,采用纯N2作为指标性气体来研究采空区瓦斯浓度分布情况,其结果符合理论上的指导性原则.以上述规律作为采空区瓦斯分布变化的控制条件,来指导用数值模拟方法研究苇湖梁煤矿瓦斯在采空区的分布和变化规律.3数值模拟研究根据前面实验基本参数以及实验得出的气体浓度分布与采空区垂直距离的关系,采用数值计算软件(Fluent),来对苇湖梁煤矿采空区瓦斯气体的实际情况进行模拟研究,模拟计算采用剖面二维模式.3.1通风边界条件(1)基本开采条件,模型采用现场煤层赋存的实际数据,即在+750m水平所开采的B1+2煤,煤层厚33m,煤层倾角60°;煤层开采方法为综采放顶煤,其中,采高2.5m,放顶17.5m.(2)通风边界条件,工作面风量为402m3/min,断面积:7.88m2,风速0.82m/s;按此计算,工作面两端头通风阻力1.16Pa.(3)采空区瓦斯初始状态下浓度为100%,不考虑煤层自燃所引起的煤体内能变化,同时,按照现场瓦斯管理的要求,在工作面回风侧(工作面上隅角)瓦斯浓度为0.8%,以此作为工作面边界基本条件,在垂直方向,瓦斯浓度梯度按照2.3节所得出的规律变化.(4)其他边界条件,在煤层顶、底板不考虑传质传热要素,工作面风流的空气组分:O2为20.9%,N2为79.1%.对于煤层顶端(露头端),不考虑有淋水以及自然风压影响因素.3.2工作面采空区瓦斯分布按照上述条件,利用计算机对于工作面上部煤层的采空区瓦斯分布情况进行了模拟计算,情况如下.(1)工作面初采阶段采空区瓦斯浓度分布.通过模拟计算,得出采空区瓦斯分布(如图3所示).从图中可见,在工作面中间部位,出现了浓度低的瓦斯分布在支架上部比较深的层位,梯度变化向两侧巷道口移去.这个结果与模拟试验规律(式(3)和式(4))基本吻合,这是因为在初采阶段,除了直接顶煤层有部分冒落,工作面上部煤层没有出现大面积垮落,但是产生了一定量裂隙,以工作面中部的空气渗流扩散最为明显,将松动煤体内的瓦斯进行稀释.(2)工作面放顶煤阶段采空区瓦斯浓度分布.结合现场采煤的实际情况,回采工作面采放比为1∶7.通过模拟计算,得出采空区瓦斯分布(如图4所示).这个结果与模拟试验规律(式(5)和式(6))大致吻合,差异较大的是工作面进风段,模拟计算的瓦斯分布曲线范围变化显著,能够影响到煤层的上水平位置,比实验的范围大.原因是在放顶煤过程中,是当支架顶部煤体冒落时,进风端出在煤层底板,煤块被压碎并滑落,煤体释放的瓦斯与扩散的空气弥漫了所有空间,同时,工作面风流的持续流动,将靠近支架位置的混合空气冲淡并带走.于是就形成了从下往上混合气体中瓦斯浓度呈现梯度变化的情况.(3)工作面顶板垮落后采空区瓦斯浓度分布.通过模拟计算,得出采空区瓦斯分布(如图5所示).这种分布情况与实验总结出来的规律(式(7)和式(8))有较大的差异,原因在上覆顶板垮落之后,地表漏风通道形成,使得采空区的瓦斯浓度分布呈现复杂的情况,模拟情况为采空区里面、靠近工作面回风侧的瓦斯浓度降低很多.3.3钻孔瓦斯浓度数值模拟结果与现场生产过程中瓦斯抽放情况进行了对比.现场的采空区瓦斯抽放系统连接了每一个回采(水平)阶段,在邻近的B1煤层的巷道里设瓦斯抽放钻场,钻场位置就在回采面巷道上部5m处.在钻场水平位置布置钻孔,终空位置到了工作面,也就在支架顶部8m左右位置.从实际抽放效果看,在煤层开始受采动影响伊始进行抽放时,钻孔内瓦斯浓度可达到40%~50%;在进行放顶煤作业时,钻孔中瓦斯浓度一般为30%~40%(由于抽放钻孔已被破坏,测定数据应该是钻孔靠近壁面位置的瓦斯浓度),依照垂直方向上瓦斯浓度的梯度变化规律,当一个阶段内顶煤放尽时,顶部瓦斯浓度至少大于50%.当上覆顶板岩层冒落时,由于抽放钻孔已被破坏,此时瓦斯抽放钻场已经作废,没有一个可考察的指标.4放顶煤采空区瓦斯堆积分布的研究思路通过对苇湖梁煤矿急倾斜工作面采用分阶段综采放顶煤采煤方法采空区瓦斯积聚分布规律的实验研究,主要得到如下结论:(1)通过实验室试验、根据实验结果所建立的矿井采空区瓦斯分布模型的模拟计算结果,以及现场瓦斯抽放系统抽放效果,表明了文中所建立的一套急倾斜工作面、分阶段综采放顶煤采空区瓦斯积聚分布的研究技术,对于指导现场进行采空区瓦斯治理是可行的,从而可以节省现场工业性试验所耗费的大量人力物力.(2)根据实验得到的瓦斯在采空区分布规律,对于这种急倾斜煤层、采用分阶段综采放顶煤采空区的瓦斯进行抽放(采)时,在初采阶段,工作面空气可扩散到顶部煤层深度为10m的地方,煤层孔隙内瓦斯浓度在50%以上;在放顶煤阶段,