柠条塔矿浅埋煤层大采高综采面采空区漏风规律研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 柠条塔矿浅埋煤层大采高综采面采空区漏风规律研究柠条塔矿浅埋煤层大采高综采面采空区漏风规律研究 Ningtiaota mine shallow seam and large mining height fully mechanized face gob law research 申请人姓名申请人姓名 南南 伟伟 指导老师指导老师 邓军邓军（教授）（教授）金永飞金永飞（副教授）（副教授） 专业专业名称名称 安全技术安全技术及及工程工程 研究方向研究方向 煤火煤火灾害灾害防治防治 西安科技大学西安科技大学 二〇一五年六月二〇一五年六月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目柠条塔矿浅埋煤层大采高综采面采空区漏风规律研究 工程领域安全技术及工程 硕 士 生南 伟 （签名） 指导教师邓 军 （签名） 金永飞 （签名） 摘 要 柠条塔矿是陕北矿区年产千万吨煤的现代化矿井，由于该矿煤层埋藏较浅，煤炭开 采过程中极易形成地表塌陷，造成地表向采空区漏风，一旦发生煤层自燃，将对矿井安 全生产构成威胁， 造成十分严重的经济损失。 为此， 本论文研究柠条塔采空区漏风规律， 为有效预防柠条塔矿煤层自然发火，起到很好的保驾护航作用。 本论文采用理论分析、数值模拟和现场实验观测相结合的方法，对柠条塔煤矿 2-2 煤层综采工作面采空区地表漏风规律进行研究。首先现场实际观测采煤工作面开采后形 成的裂隙特点，利用六氟化硫测定地表单裂隙漏风规律，通过埋设布点测定气体浓度分 布，分析地表裂隙漏风规律。分析空气渗流流动的数学模型，定量分析井上、下渗流规 律；应用 CFD 软件 Fluent 开展采空区漏风规律的数值模拟研究，进一步对采空区漏风 规律进行分析；最终得出柠条塔浅埋煤层大采高综采工作面采空区漏风规律，对于陕北 矿区其他类似条件的矿井防止采空区遗煤自燃、确保矿井安全生产有一定的借鉴意义。 关 键 词浅埋煤层；大采高；自燃危险；漏风规律；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Ningtiaota mine shallow seam and large mining height fully mechanized face gob law research Specialty Safety Technology and Engineering Name Nan Wei Signature Instructor Deng Jun Signature Jin Yong fei Signature ABSTRACT Modern mine in Northern Shanxi Ningtiaota mine is mine with an annual output of 10 million tons of coal, the shallow buried coal seam, affected by the mining, extremely easy to cause the surface subsidence, the ation of goaf surface leakage, once the occurrence of spontaneous combustion of coal, will pose a threat to the safety in production of coal mine, causing economic loss is very serious loss. Therefore, this thesis studies Ningtiaota Goaf Air Leakage regularity, the effective prevention of the Ningtiaota mine coal spontaneous combustion, played a very good role to escort. This thesis use theoretical analysis, numerical simulation and field experimental observation combining , of Ningtiaota Coal Mine 2-2 coal seam fully mechanized working face mining surface air leakage regularity were studied. First the actual observed mining coal working face after the ation of the fracture characteristics, leakage crack rules were determined using sulfur hexafluoride, by embedding distribution for the determination of gas concentration distribution. Analysis the air leakage law of the fractured surface. Mathematical model of air flow analysis, quantitative analysis of Inoue, seepage law; using CFD software FLUENT to develop air leakage law of numerical simulation study, further analysis on the goaf Air Leakage regularity, draw the conclusion of Ningtiaota shallow coal seam with large mining height fully mechanized working face goaf air leakage regularity and mines with similar conditions of other mining area in Northern Shanxi preventing goaf left coal spontaneous combustion, to ensure mine safety in production has certain reference significance. 万方数据 Key words Shallow Coal Seam Large mining height Spontaneous combustion hazard Leakage Law Numerical Simulation Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究的背景及意义 ......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................. 1 1.2.1 浅埋煤层采动裂隙研究现状 .................................................................................... 1 1.2.2 采空区渗流力学研究现状 ........................................................................................ 2 1.2.3 漏风测定技术研究现状 ............................................................................................ 3 1.2.4 采空区地表漏风模型研究 ........................................................................................ 3 1.2.5 计算机数值模拟法 .................................................................................................... 4 1.3 研究目标及内容 ............................................................................................................. 5 1.3.1 研究目标 ................................................................................................................... 5 1.3.2 研究内容 ................................................................................................................... 5 1.4 研究方法及技术路线 ..................................................................................................... 5 1.4.1 研究方法 ................................................................................................................... 5 1.4.2 技术路线 ................................................................................................................... 6 2 采空区流场及浓度场研究 ..................................................................................................... 7 2.1 矿井概况 .......................................................................................................................... 7 2.1.1 矿区概况 ................................................................................................................... 7 2.1.2 观测工作面概况 ...................................................................................................... 10 2.2 N1203 工作面观测 ........................................................................................................ 13 2.2.1 观测目的及主要观测参数 ...................................................................................... 13 2.2.2 观测点布置方案 ...................................................................................................... 14 2.2.3 观测材料仪器及人员组织 ...................................................................................... 16 2.2.4 观测过程 .................................................................................................................. 16 2.2.5 观测结果 .................................................................................................................. 17 2.3 本章小结 ....................................................................................................................... 18 3 采空区地表裂隙漏风规律研究 ........................................................................................... 19 3.1 开采工作面通风与风量计算 ........................................................................................ 19 3.2 采空区岩层冒落形成的漏风通道 ................................................................................ 20 万方数据 目录 II 3.2.1 采空区顶部产生裂隙特征 ...................................................................................... 20 3.2.2 地表移动特征 .......................................................................................................... 21 3.2.3 柠条塔煤矿采空区顶部产生裂隙特征 .................................................................. 23 3.3 柠条塔地表裂隙渗流规律研究 .................................................................................... 26 3.3.1 柠条塔矿采空区地表实际漏风情况 ...................................................................... 26 3.3.2 地表单裂隙漏风规律六氟化硫测定 ...................................................................... 26 3.3.3 地表裂隙漏风规律 .................................................................................................. 29 3.4 柠条塔煤矿地表漏风参数分析 ................................................................................... 29 3.5 本章小结 ....................................................................................................................... 32 4 采空区渗流数值模拟研究 ................................................................................................... 33 4.1 采空区渗流数学模型 ................................................................................................... 33 4.1.1 裂隙岩体渗流的等效连续体模型 .......................................................................... 33 4.1.2 渗流及扩散数学模型 ............................................................................................. 34 4.1.3 氧气浓度场方程 ...................................................................................................... 35 4.2 采空区渗流的物理模型及边界条件 ............................................................................ 35 4.2.1 渗流物理模型 .......................................................................................................... 35 4.2.2 边界条件 ................................................................................................................. 38 4.3 柠条塔采空区渗流的数值模拟 .................................................................................... 38 4.3.1 计算区域网格划分 ................................................................................................. 38 4.3.2 2-2煤层工作面顶部 1-2煤层完全开采时采空区渗流的数值模拟 ....................... 39 4.3.3 2-2煤层工作面顶部存在 1-2煤层时采空区渗流的数值模拟 ............................... 46 4.4 本章小结 ....................................................................................................................... 48 5 结论 ...................................................................................................................................... 50 5.1 结论 ............................................................................................................................... 50 5.2 展望 ................................................................................................................................ 50 致 谢 ...................................................................................................................................... 51 参考文献 .................................................................................................................................. 52 附 录 ...................................................................................................................................... 54 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 所有煤层均存在自燃危险，我国约有2万多个煤矿火灾事故频发，随着矿井开采强 度加大、综采技术的迅速推广，煤层火灾造成人员伤害或其它事故危险性增大。在我国 北地区，普遍存在浅埋煤层群开采的情况，在开采过程中存在极大的自然发火危险。目 前，国家对煤矿安全生产极为重视，为提高矿井防灾、抗灾能力，煤矿安全投入力度进 一步加大，企业也迫切期望通过切实有效的灾害预防技术和装备，实现矿井的本质安全 化，而研究浅埋煤层开采工作面采空区漏风规律，是指导该类矿区自然火灾防治的重要 手段，因此，本课题研究成果具有广阔的应用前景。 煤层火灾是矿井五大灾害之一，严重威胁着煤矿现场的安全生产。矿井火灾可烧毁 煤炭资源，导致工作面封闭，引起瓦斯、煤尘、水煤汽爆炸，酿成重大人员伤亡事故， 造成巨大财产损失和不良社会影响。 陕北神府煤田开采的煤层均属于浅埋深近距离煤层群，自然发火隐患大，主要体现 在以下几个方面 （1）煤层易自燃，最短发火期仅25天； （2）煤层埋藏浅，塌陷裂隙形成的地表漏风严重； （3）煤层群间距小，层间漏风导致上层煤采空区遗煤二次/多次氧化； （4）上层煤自燃产生有害气体易涌入下层煤工作面； （5）大采高工作面采空区漏风大，氧化自燃带宽。 柠条塔煤矿地处寒冷、干燥、多风地区，地表植被稀少，目前开采的工作面布置于 2-2煤层，为浅埋煤层[ 1]开采，其埋深度不足100m，属于易自燃煤层。北翼2-2煤开采时， 由于市场对矿井煤质的要求比较高，开采过程中采空区不可避免的存在遗煤，并且浅埋 煤层工作面采空区顶板跨落后对其进风巷道和回风巷道煤壁产生的压力较大，煤层受力 后易破碎，地表沉陷产生大量的漏风裂隙，造成采空区多处漏风，容易引起煤层自然发 火。因此，本文通过现场观测与数值实验研究，获取该矿区采空区漏风主要特征，在此 基础上，提出切实可行的防灭火解决方案，对本矿井防止自然发火，实现安全生产具有 十分重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋煤层采动裂隙研究现状 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 据有关资料记载，大型浅埋煤田开采方面的研究很少，国外较典型的大型浅埋煤田 主要集中在美国与俄罗斯莫斯科、澳大利亚和印度等地，埋深都不大于90m左右，这些 国家的煤田地表主要为表土层。 前苏联有位M-秦巴列维奇学者提出了台阶下沉假说， 他 认为浅埋煤层在开采过程中，随着工作面不断向前推进，顶板会表现出斜方六面体的形 状，沿着煤壁的斜面跨落，最后直到采空区地表。 在国内，西安科技大学在浅埋煤层开采矿压显现规律有着较早的研究。20世纪90年 代， 西安科技大学开展了对神府煤田大柳塔煤矿C202试采工作面开采矿压显现规律的研 究[23]。其研究结果表明，大柳塔煤矿C202开采工作面台阶下沉现象比较明显，顶板周 期来压活动很强，支柱动载系数2.1到4.4左右，台阶下沉很大达到340mm610mm。对浅 埋煤层岩层控制的深入研究有助于提升这类煤层开采的安全控制。 “浅埋煤层矿压显现与岩层控制研究”是石平五等教授共同努力下完成的，他认为 在松散层这样的地质条件下，受到浅埋煤层矿压显现和顶板破坏的共同作用，薄基岩将 整体下沉、全厚切落。该研究又认为采高、直接顶厚度和采空区的充填程度对浅埋煤层 顶板活动有很重要的影响，当采空区充填较好时，老顶跨落后其运动被阻止，岩石反面 挤压闭合，地面沙土就很难进入。 在浅埋煤层开采损伤方面，魏秉亮等有关学者通过对神府矿区地质灾害的研究，认 为目前要解决这类矿井突水、溃沙难题，最为有效地办法是采煤工作面在开采前通过钻 孔释放充水含水层中的潜水，沙子失去水载体就无法进入井下。魏秉亮还通过建立有限 元地质模型，对浅埋近水平煤层采动条件下的岩移和塌陷的岩体应力位移变化分析，提 出了浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理研究，此研究中将煤层倾角、采煤方法、地质 条件等因素作为影响煤层采动岩移与塌陷的主要原因。 1.2.2 采空区渗流力学研究现状 采空区是由遗煤和冒落的破碎岩石构成的多孔介质空间，其漏风源为流经工作面的 部分风流。对采空区内的气体流动及其浓度分布、氧化反应与温度等方面的研究主要是 以渗流力学理论为基础的。 达西（Darcy）于1856年提出线性渗流定律，在此之后，以渗流力学理论为基础， 研究流体在多孔介质内运动规律被广泛应用。以采空区流体运动规律为对象的研究，涉 及学科较多，形成了多学科交叉的边缘学科，并且由于采空区无法进入，这方面的研究 一直处于不断完善的过程中[4]。近年来，矿业工程领域一直在探索采空区内部气体流动 规律，取得了丰硕的成果，提出了瓦斯流动理论、地物场效应固流耦合的瓦斯流动理论 和线性非线性瓦斯流动等理论。除此之外，国内外一些学者通过对采空区内漏风阻力的 研究，探索出不同漏风源与漏风汇是造成采空区漏风的主要原因这一规律[5]，还有一些 学者为研究采空区漏风规律，对综放工作面进行通风阻力测定，通过绘制通风等势图来 万方数据 1 绪论 3 描述采空区漏风特征[6]，为采空区漏风规律研究提供了有效的方法。 1.2.3 漏风测定技术研究现状 在浅埋煤层开采过程中，由于煤层距地表的垂直距离比较小，通常认为小于180米 左右，在受采动影响的情况下，易致使采空区地表塌陷、产生裂隙，从而构成了从地表 到采空区垂直向下的漏风通道。由于井下采空区不能进入，采空区漏风状况的观测是难 以实现的。 目前对于采空区漏风流的测定技术主要是采用SF6示踪气体进行测定[7]， 这种 测定法首先是在采煤工作面采空区地表释放SF6气体，释放该气体时要连续、稳定，并 做到定量释放，避免大气风流的短暂扰动对气体产生影响，然后分别在工作面、进风流 和回风风流设置SF6采样点对气体进行采集。如果采煤工作面采空区向外漏风或者是采 空区不漏风，则自释放点开始沿着风流走动方向所测定到的SF6气体浓度不会变化；在 采煤工作面采空区有漏风的情况下，井巷中SF6气体的浓度会降低，以此对采样点SF6气 体浓度的分析，就可以计算的出漏风量。采空区漏风测定可作为采空区漏风规律研究的 基础手段，与数值模拟研究相互映正以保证数值试验研究的可靠性，用来有效指导现场 漏风治理。 随着测定采空区漏风技术的进一步发展，SF6这种单一的示踪气体对复杂矿井的漏 风检测已经不能再适用。于是，邵辉等一些学者在实验室应用色谱法选用SF6和CF2ClBr 双元示踪气体测定复杂矿井采空区漏风量，并在淮南矿井应用取得了良好的效果。 淮南的李一矿和平朔的安家岭矿先后运用能位测定与示踪技术联合测定法和SF6脉 冲检测法从定性和定量两方面比较准确的确定采空区漏风通道和漏风量，进一步证明了 该方法在复杂采空区漏风检测中的可靠性、科学性和准确性，为采空区防治煤层自燃提 供的参考依据。 1.2.4 采空区地表漏风模型研究 由于浅埋煤层开采存在采空区漏风严重的问题，对于采空区地表漏风物理模型的研 究是指导现场进行漏风治理的关键方法。国内外学者以工作面进、回风巷限定的区域对 采空区漏风特征进行研究，先后提出了由漏风源和漏风汇组成的一源一汇模型，邻近煤 层开采两工作面采空区形成的对角漏风模型，以及通过多源测定，得出的一源多汇、多 源一汇与多源多汇等几类模型[812]。采空区是由遗煤和破碎岩石构成的空间，可视其为 松散多孔介质，通过研究松散介质的渗漏规律来研究采空区内气体的流动规律[1314]。渗 流流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，其与人类活动密切相关，相关理论涉及矿山、 建筑、石油和水电等各个领域。 早期的渗流只在土体领域方面研究，形成了著名的达西定律，这一规律在工程上普 遍应用。但后来，人们发现岩体渗流和土体渗流有着本质的区别，逐渐对达西定律进行 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 完善和补充，建立了岩体裂隙渗漏规律，渗漏规律对于浅埋煤层采空区漏风比较严重的 矿井，是研究漏风通道的重要基础。 近年来，随着人们对裂隙岩体对于岩体渗流的实验和理论研究越来越重视，裂隙岩 体渗流的数学模型除了传统的等效连续体模型外， 裂隙渗流[15]的实验研究与理论研究也 较多。20世纪90年代以来，离散裂隙网络数学模型有了较好研究进展。采空区裂隙岩体 渗流理论研究方面，谢和平[16]等应用分形几何理论，开展了采动岩体裂隙分布的分形特 征研究，通过裂隙岩体分形描述，分析得出随着采动的影响，采动岩体分形裂隙网络出 现升维的现象； 赵阳升等在岩石裂缝渗透系数测定法基础上， 不断开展理论和实验研究， 得出了描述岩石裂缝渗流物性规律的数学方程。随着计算机技术的发展，通过计算机模 拟手段来进行采空区漏风特征的研究较多，通过建立采空区地表漏风物理模型，并经过 数学模化抽象为可迭代计算的几何模型，是获取采空区漏风表征参数变化规律的有效手 段[1718]。 1.2.5 计算机数值模拟法 综采工作面采空区塌陷后通常范围比较大， 地表形成裂隙较多， 漏风规律比较复杂， 实测存在很大困难，研究地面塌陷裂隙漏风规律的现场测试研究相对较少。伴随着计算 机应用技术的发展，计算机渗流模拟研究应运而生。 将采空区看做由遗煤与破碎岩石构成的多孔介质，理论分析和实验研究对于多孔介 质渗流问题的研究是两种很好的解决方法[1921]，最大的优点在于理论研究结果清晰，具 有普遍的适用性，但是存在对于研究对象难以抽象描述并得出解析解的问题，实验研究 可以弥补理论研究的缺点，但是，实验模型的建立会受到模型规模、扰动因素和测量进 度的局限，往往难以得到满意的结果，并且受制于人力、物力、经济投入的限制。随着 社会的进步，提出了计算流体力学（CFD）方法[22]，CFD方法有效结合了前2种方法的 优点，并在此基础上不断改进，消除了前两种方法的缺点，实用性更强，应用性更广。 CFD研究的基本思路可以总结为把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场， 比如压力场，用一系列有限个离散点上的变量值得集合来代替，通过一定原则和方式建 立起关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得变量的近 似值。 近年来，CFD在矿业领域对采空区漏风流场的数值模拟的研究成果很多，相继涌现 出如CFX等优秀的计算机软件和许多研究漏风规律的典型事例。著名学者李宗翔教授采 用有限元计算机数值模拟，结合图形显示技术，对采煤工作面采空区的风流移动规律进 行了深入研究，得出了二维定常流场方程，并绘制出风压分布等值线和流线，能够真实 的反映出采空区流场风压分布和风流流动情况；西安科技大学的徐精彩、邓军等教授提 出了煤自燃危险区域判断理论，并结合数值模拟对采空区浮煤的自燃过程和最短发火期 万方数据 1 绪论 5 等自燃规律进行了研究，对易自然煤层自燃发火防治奠定了理论基础。 本文将结合现场测定与计算机模拟方法，充分发挥二者的优势，研究柠条塔煤矿采 空区漏风规律，为此类矿区煤层自燃火灾防治提供依据。 1.3 研究目标及内容 1.3.1 研究目标 （1）通过大量实际观测研究柠条塔煤矿采空区岩层冒落形成的漏风通道； （2）开展柠条塔煤矿浅埋藏、