综放工作面巷道漏风状况分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号0253 - 9993200006 - 0619 - 05 综放工作面巷道漏风状况分析 郭兴明1,徐精彩2,惠世恩1 1 1 西安交通大学 能动学院,陕西 西安 710049 ; 21 西安科技学院 采矿系,陕西 西安 710054 摘 要通过对综放工作面巷道煤层所处环境、松散煤体漏风流态、漏风动力等关键因素的分 析,研究了巷道煤体漏风状况.结果表明,综放工作面巷道煤体中的漏风流态为层流,并在此基 础上推导出巷道松散煤体渗透系数的表达式、漏风强度、风压梯度与空隙率之间的关系式及总体 漏风强度表达式,从而为进一步完善巷道煤体自燃理论及防治技术研究提供了一定的理论基础, 具有一定的现实意义. 关键词巷道;综放工作面;漏风;多孔介质 中图分类号 TD728 文献标识码 A 收稿日期 2000-05-29 基金项目国家“九五”重点科技攻关项目97 - 13 煤自燃是煤与氧接触后,发生一系列复杂的物理化学过程所导致.在这一过程中,煤体释放出一定量 的热量.当这些热量被积蓄并使煤温持续上升,最终便导致煤体发生自然发火.显然,氧在煤体自燃过程 中的作用是不可替代的.在实际条件下,煤体自燃所需的氧主要通过煤体的漏风来供给.因此,研究煤体 的漏风规律对于进一步完善煤自燃理论和煤自燃防治技术,提高矿井的防灾抗灾能力具有重要的意义.综 放开采技术的应用和推广,带来了巨大的经济效益和社会效益,同时,也带来了一些新的特点,如出现了 两道顶煤放出率低,巷道沿底板一次掘出,服务时间长;巷道顶煤受采动压力影响,易于离层、压裂、冒 落等.由于这些特点,在实际开采过程中,使煤体的漏风状况和漏风规律发生了变化,不同于常规开采技 术所形成的煤体漏风状况和漏风规律.本文拟通过对综放开采条件下,巷道煤体的漏风状况、漏风动力等 的研究,对巷道煤体漏风规律进行一些探索. 1 巷道煤层所处的环境 综放巷道沿煤层底板掘进,通常顶部留有几米厚的煤,在掘进动压及相邻采面回采动压影响下,顶煤 受压而破碎、离层,区段煤柱也被压酥.在掘进过程中还经常出现顶煤冒落,支护后,在棚网上堆积了一 定量的松散浮煤.因此,巷道煤层所处环境有以下几个特点① 巷道沿煤层底板掘进时,随底板起伏变 化,风流在这些起伏地点产生动压差;② 巷道风流温度低于岩层原始温度,易在巷道顶煤内形成热力风 压;③ 顶煤冒落空洞和离层空隙阻碍顶板传导散热,近似绝热壁;④ 构造区和断层附近,巷道顶煤易冒 落,且破碎区大;⑤ 沿空侧浮煤堆积厚度大,范围广;⑥ 沿空侧小煤柱易压碎,形成漏风;⑦ 沿空侧浮煤 受相邻区段开采时氧化放热影响,通常存在局部高温区或浮煤温度高于岩层原始温度. 2 综放工作面巷道漏风状况分析 巷道松散煤体内的漏风风流流场十分复杂,漏风主要由风流运动的能量梯度供给,漏风强度的大小与 煤体的破碎程度即空隙率和风压梯度有关.巷道松散煤体漏风状况分析主要从漏风风流流态,松散煤 体空隙率、风压梯度及渗流风量的关系,漏风动力3个方面着手. 第25卷第6期煤 炭 学 报 Vol. 25 No. 6 2000年12月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 2000 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 211 巷道松散煤体漏风风流流态 巷道松散煤体内实际条件复杂多变,使得松散煤体内的风流流场也十分复杂.根据前人研究成果,风 流在巷道松散煤体内的流动状态有3种,即层流、过渡流和紊流.巷道松散煤体风流的流态取决于当量雷 诺数Re,Re uk/νl ,其中,u为漏风风流速度, m/ s;k为松散煤体渗透率,量纲为[m2] ;ν为空气运 动粘性系数, m2/ s;l为滤流带的假定粗糙度, m.λ为滤流阻力系数;Re 215,λ 1118 ,属紊流状态. 一般情况下,巷道松散煤体内风流流态属层流,即风压梯度与漏风强度为线性关系,即 Q -K dH dL -K d p/ ρ g dL , 式中,Q为漏风强度, m3/ m 2 s ;K为松散煤体渗透系数,量纲为[m/ s] ;p为压强, Pa ;L为流体 沿流动方向的运动位移, m;- dH/ dL为风压梯度;H为压头, m. 212 巷道松散煤体内的空气流动 1 Darcy实验定律 1856年, Darcy根据实验断定, 流量Q与不变的横截面积及压头ΔH成正 比,而与长度成反比.推广到斜多孔介质柱中的流体流动[1],有 Q KA H1-H2 / L , q K H1-H2 / L , Hi Z pi/γ, 式中,q为比流量,qQ/ A ,它是与流动方向垂直的每个单位横截面上的流量;pi为压强;γ为容重, γρg. 能量损失ΔHH1-H2是由流体与多孔介质间的摩擦引起的. 在巷道松散煤体中漏风流速一般较 小,因此,由Darcy定律可得 Qx -Kx 5H 5x , Qy -Ky 5H 5y , Qz -Kz 5H 5z , 式中,Qx,Qy,Qz分别为x ,y ,z方向的漏风强度分量. 2风流的质量守恒 为便于分析,假定松散煤体均质,不变形;空气为单相牛顿流体,密度不随 压力变化;空气是具有分子扩散系数的二元系统;空气中各组分间没有化学反应;空气限制在层流范围内 流动.则空气的质量守恒方程为 5ρ g 5τ 5 5xi ρgvi 0, 式中,ρg为空气密度;τ为时间;xi为空气在i方向的位移;vi为在i方向的空气流速. 若假定风流在松散煤体中的密度不变,则有 5Qx 5x 5Qy 5x 5Qz 5x 0. 将漏风强度计算式代入可得 5 5x K x 5H 5x 5 5y K y 5H 5y 5 5z K z 5H 5z 0. 213 松散煤体空隙率、风压梯度与渗流风量的关系 空气在松散煤体中的渗透、扩散过程十分复杂,至今未能建立起比较完善的理论,破碎煤体颗粒形 状、直径、空隙率以及空隙的分布状态等参数都影响着空气的渗透过程.为了便于分析,把松散煤体看成 是一种刚性介质,引用多孔介质中的流动理论来推断松散煤体中空气的流动规律,然后用实验测定其渗透 系数.多孔介质的统计特性用渗透率来表示,它最早由Darcy提出来[2],即 Q -ρg kA μ dH dL , 式中,Q为流量, m3/ s;A为与流动方向垂直的截面积, m2;μ为动力粘性系数, Pas. 松散煤体可以看成是一维均质的多孔介质,整个介质的平均渗透率等于实验任意点处的渗透率,其渗 026 煤 炭 学 报 2000年第25卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 透率各方向都是相同的,则 u ρg k μ - 5H 5x ρg . 忽略重力的影响,则上式可简化为u -ρg k μ 5H 5x .又因连续性方程,5u/5x 0,则k μu ρg ΔL ΔH , 可化为 k μ Aρg Q ΔH/ΔL μ ρgπr2 Q ΔH/ΔL μ ρg Q ΔH/ΔL ,1 式中,r为实验管段半径, m;L为实验管段长度, m. 多孔介质理论认为,多孔介质的渗透率取决于多孔介质中的孔隙率.由此,可以认为空气渗透率在某 一特定破碎煤体中,是空隙率的函数,即 k χ n , 2 式中,n为破碎煤体的空隙率, . 由式1 , 2可得 Q ΔH/ΔL χ n μ/ρg . 由此可以得出,Q/ΔH/Δ L 是空隙率的函数,随着破碎煤体空隙率的变化而变化,当空隙率n 一定时,Q 与Δ H/ΔL成正比.根据不同空隙率松散煤体的流量与压差实验[3],松散煤体空隙率n、风 压梯度ΔH/ΔL及漏风强度Q之间的关系如图 1所示,Q/ΔH/ΔL与空隙率的关系见图2. 图1 试验段风压梯度与空隙率的关系曲线 Fig11 The relationship between leakage pressure gradient and porosity 1～5 n 01500 , 01442 , 01430 , 01414 , 01406 , 01390 图2 Q/ΔH/Δ L 与空隙率n的关系曲线 Fig12 The relationship betweenQ/ΔH/ΔL and porosityn 根据实验测定值,把图2中曲线在n 0～0145和n 0145～015范围内,分别按抛物线和指数方程 回归得渗透系数回归方程为 K ρgk/μ01016 05n2 n 0～0145 , 3 K ρgk/μ11448 410 -27 n2exp1121998 n n 0145～0150 . 4 当空隙率n 0110,0120,0125,0130,0135,0140,0145,0150时,由式3 , 4得渗透系数 K 0116,0164,1100,1144,1197,2157,3125,4199. 214 漏风动力与漏风强度 根据巷道煤体所处环境,巷道松散煤体漏风动力主要由以下原因形成的压力差产生 1巷道松散煤 体内氧化升温形成的热力风压; 2由于巷道起伏等原因而引起的动压差;3倾斜巷道的位压差;4 巷道煤柱两侧的风压差; 5由巷道壁面摩擦、巷道变形、转弯、分叉、汇合、扩大、缩小、堆放杂物等 形成的风流沿巷道的压力降. 126第6期郭兴明等综放工作面巷道漏风状况分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1热力风压 巷道松散煤体暴露后,由于煤体氧化升温,在煤体内部与巷道表面形成温度差,从而 产生热力风压Δpr.当巷道顶煤着火时,常可以看到着火处风呼呼往顶煤中吸 ,同一巷道不着火处却见不 到这种现象.说明着火处风流渗透强度大,这是由于煤体高温而产生的一个自身动力即热力风压推动 着风流运动.热风压Δpr的计算公式为 Δpr∫ h 0 ρ∞-ρX g dX , 式中,h为巷道顶板温度为原始温度处距巷道顶的垂直高度, m;ρ∞为巷道风流空气密度, kg/ m3;ρX为 煤体内距巷道顶的垂直高度为X处的空气密度, kg/ m3. 据波兴涅斯科 J 1Boussinesq假设[4]可知,ρ∞-ρXρ∞β T X- T∞,其中,β为流体的体积膨胀 系数,β i c 5c 5T p ;c为空气比容;TX为煤体内距巷道顶的垂直高度为X处的风流温度,℃;T∞为巷 道风流温度,℃. 对于理想气体,pcR T ,5c/5TR/ p.于是得气体的体积膨胀系数β R/ cp 1/ T ,则ρ∞- ρXρ∞ T X- T∞ / TX,由此热风压可表示为 Δpr∫ h 0ρ∞g TX-T∞ TX dX. 由以上的理论推导可以看出,松散煤体内温度越高,与巷道表面之间的温度梯度越大,产生的热力风 压越大,漏风强度也越大.假定煤体温度均匀,则由热风压形成的单位面积漏风量漏风强度为 Qr KHr/ L KΔpr/ρ∞gL K TX-T∞ / T X. 2巷道起伏引起的动压差 巷道起伏变化,使得风流方向与巷道表面形成一个夹角θ,风流碰到障 碍物,方向发生改变,风流的动能在漏风处产生一个风压,这个压力迫使风流往煤体内部渗透,产生风流 动压为Δpv ρv2/2sin2θ. 则由风流动压产生的漏风强度为 Qv KHv/ L KΔpv/ρgL Kv2sin2θ/2gL . 由以上分析可以看出,风流方向与巷道表面的夹角为90 时,风流动压最大,漏风强度也最大. 3位压差 在水平巷道中,风流没有位压差;在非水平巷道中,由于存在高差,巷道内存在位压 差,向下流的风流位压差为正.巷道内两点间的位压差ΔpZ Z 1- Z2ρg.由位压差产生的漏风强度 为 QZKHZ/ L KΔpZ/ρgL K Z1-Z2 / L . 由上式可以看出,巷道内两点间高差越大,产生的位压差越大,漏风强度越大. 4巷道煤柱两侧的风压差 掘进巷道与相邻采空区之间的煤柱两侧风压不同,在煤柱两侧存在风压 差,这个压力差在煤柱内产生的漏风强度为 QcKHc/ L K H1-H2 / L , 式中,H1巷道侧压力;H2为采空区侧压力. 从上式可以看出,煤柱内的漏风强度与煤柱两侧的风压差成正比. 5风流沿巷道的压力降 风流沿巷道的压力降主要由摩擦阻力和局部阻力造成.风流在巷道中流动 时,沿程受到巷道固定壁面的限制产生摩擦阻力.这时巷道风流基本属完全紊流状态,且巷道为非圆形, 由流体力学知识可知其计算公式为ΔpfαLρv2/2D ,其中,α为巷道的摩擦阻力系数; D为当量直径, m.由摩擦阻力产生的漏风强度为 QfKHf/ L KΔpf/ρgL Kαv2/2Dg. 在风流运动过程中,由于巷道边壁条件的变化巷道变形、扩大、缩小、转弯、分叉、汇合及巷道内 堆放杂物等 , 使均匀流动在局部区域受到阻碍物的影响,从而引起风流流速的大小、方向或分布的变化 或产生涡流等情况,造成风流的能量损失.局部阻力Δpjf一般用速压的倍数表示,即 226 煤 炭 学 报 2000年第25卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Δpjfζ ρv2/2. 由局部阻力产生的漏风强度为 Qjf KHjf/ L KΔpjf/ρgL Kζv2/ gL . 于是,得到巷道煤体总漏风强度为 Q Qr Qv QZ Qc Qf Qjf. 3 结 论 1巷道松散煤体内的漏风流一般为层流,漏风强度与风压梯度为线性关系. 2松散煤体的空隙率、风压梯度及漏风强度满足关系式 Q ΔH/ΔL χ n μ/ρg . 3空气在松散煤体中的渗透系数K ρgk/μ01016 05n2 n 0～0145或K ρgk/μ 11448 410- 27exp1121998 n n 0145～0150 . 4巷道松散煤体的漏风动力主要由风流沿巷道的压力降、巷道煤柱两侧的压力差、热力风压、巷道 起伏引起的动压差及巷道风流的位压差供给. 参考文献 [1] 刘柏谦,吕 太.逾渗理论应用导论[M].北京科学出版社, 1997. [2] 吴林高,缪俊发,张 瑞,等.渗流力学[M].上海上海科学技术文献出版社, 1996. [3] 郭兴明.缓倾特厚综放面煤层自燃预测及防治技术研究[D].西安西安科技学院, 1999. [4] Tan Yi2toony. Combustion dynamics the dynamics of chemically reacting fluid [M]. New York McGraw , 1983. 作者简介 郭兴明1973 - ,男. 1999年毕业于西安科技学院原西安矿业学院 . 现为西安交通大学能源与动力工程学院博士 研究生.参与完成了煤炭部项目“耐温高水胶体直接灭火技术”和“九五”国家重点科技攻关项目“巷道自燃机理及 防治技术研究”等多个课题的研究,发表论文多篇.获煤炭部科技进步二等奖1项. Analyzing on air2leakage condition of gate in fully2mechanized long2wall top2coal caving mining face GUO Xing2ming1, XU Jing2cai2, HUI Shi2en1 11Xiπan Jiaotong University , Xiπan 710049,China;21Xiπan Institute of Science and Technology , Xiπan 710054,China Abstract By meansof analyzing several key elements , include fluid state of leakage , permeation power and sur2 roundings of gate coal seam in fully mechanized long2wall top coal caving mining face , exploring leakage law in loose coal of gate in this paper. The research results show the state of air2leakage through loose coal of gate is laminar flow , expression ula of permeation coefficient and total intensity of gate coal as well as relationship ula about intensity of air2leakage , pressure gredient and porousness were derived. Parts of basic work were fulfilled for further perfecting spontaneous combustion theory and control technology. Key words gate ; fully2mechanized long2wall top2coal caving mining face ; air2leakage ; porous media 326第6期郭兴明等综放工作面巷道漏风状况分析