综放工作面巷道沿空侧松散媒体漏风强度测算方法研究.pdf

第24卷第5期煤炭学报Vol. 24 No. 5 1999年 10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct. 1999 文章编号0253 - 9993199905 - 0502 - 05 综放工作面巷道沿空侧松散煤体 漏风强度测算方法研究 邓 军1,徐精彩1,王春跃2,吕子青2 1 1 西安科技学院 采矿系,陕西 西安 710054 ; 21 兖州矿业集团公司 东滩煤矿,山东 邹城 273500 摘 要测算巷道松散煤体的漏风强度分布状况及动态变化规律,对松散煤体的自然发火预测技 术的研究具有重要意义.由于巷道松散煤体的实际漏风速度极小 0 1001～015 cm/ s ,因而目前 测风、测压技术在实际应用中存在诸多问题.为此,提出了通过实测巷道沿空侧松散煤体钻孔氧 气浓度推算漏风强度的方法,并分析了巷道松散煤体在自燃过程中热风压对漏风强度的动态影 响.该方法在东滩煤矿4308综放工作面沿空巷道自燃性预测中得到成功应用. 关键词综放工作面;巷道;漏风强度 中图分类号 TD728 文献标识码 A 综放工作面巷道沿底板一次掘出,服务时间长,巷道顶煤受矿压影响易于被压裂、冒落,尤其对于综 放无煤柱开采,沿空巷道沿空侧有一条宽约10 m ,高数米的松散浮煤带,这些煤体在空气漏风流中氧气 的作用下,放出热量,若蓄热条件较好,则可引起煤体升温,导致煤体自燃.对巷道松散煤体自燃预测而 言,只要掌握其放热强度、耗氧速度、漏风强度、松散煤体厚度、岩层原始温度及煤体初始温度,就能做 出较精确的预测.放热强度、耗氧速度可以在实验室测定,松散煤体厚度、岩层原始温度、煤体初始温度 现场都可以直接测定,但由于巷道松散煤体的实际漏风速度极小 0 1001～015 cm/ s ,且在实际条件下松 散煤体是十分复杂的多孔介质,其漏风分布是时间和空间的函数,因此只能间接测算松散煤体的漏风强 度,即单位时间通过单位面积松散煤体的漏风量, cm3/ scm2 . 松散煤体漏风强度的测算方法主要有风量测算法、达西微分算法[1]以及风网解算法[2].在理论上它 们都能准确计算松散煤体的漏风强度及分布状况,但由于受目前测风、测压技术的精度和巷道实际条件的 限制,因而在巷道松散煤体漏风强度测算的实际应用中难于实施,误差大,现场很少采用.为此,提出利 用实测氧气浓度推算漏风强度的方法. 1 巷道松散煤体漏风强度氧气浓度测算法 巷道松散煤体氧气浓度的分布与漏风强度密切相关.在现场实际条件下,测定松散煤体中的漏风强度 难度很大,而测定氧浓度分布相对较易.因此,可以通过实际测定的氧浓度分布反推漏风强度.其思路 是根据巷道沿空侧松散煤体的漏风特点,通过测定松散煤体内某点的氧气浓度、瓦斯浓度、温度,再根 据煤在该温度下的耗氧速度,推算出漏风强度.以这个漏风强度为初始值,并考虑系统风压变化主要为 煤体温度变化引起的热风压变化 , 即可得到漏风强度的动态变化规律. 111 漏风强度为常数时氧气浓度计算法 假定巷道沿空侧松散煤体漏风流沿一维流动,当漏风强度恒定不变时,漏风强度与氧浓度的关系为 收稿日期 1999-05-05 基金项目国家“九五”重点科技攻关项目97 - 13 dc - v θdt ,dxQdt ,vθ v0θ c0 c , dc - v0θ c0Q cdx ,1 Q v0θ x -x0 c0ln c0 c ,2 式中,c ,c0分别为实际氧浓度和标准氧浓度c0 9137510 - 6 mol/ cm3 ; v θ,v0θ分别为松散煤 体在实际氧浓度和标准氧浓度中温度为θ时的耗氧速度由煤低温自然发火实验确定[3] , mol/ cm 3 s ; Q为漏风强度, cm3/ scm2 ; x ,x0分别为松散煤体内部和巷道表面的坐标, cm. 由式2可知,只要测得松散煤体中x点的氧浓度c,就可求得两点间的平均漏风强度. 112 漏风强度呈线性变化时氧气浓度计算法 当巷道松散煤体内漏风强度随距巷道表面的距离增大而近似呈线性减少时,设 QA Q -k xA-x0 , 3 式中,QA,Q分别为松散煤体内A点附近和巷道表面的松散煤体的漏风强度;xA,x0分别为巷道松散 煤体内A点和巷道表面的坐标;k为漏风强度梯度的绝对值. 由式3可得 dc - v0θ c0 cdx Q -k xA-x0 . 积分得 cA c0 Q -k xA-x0 Q v0θ kc0 , 式中,cA为松散煤体中A点的实测氧浓度. 即巷道表面松散煤体的漏风强度为 Q k xA-x0 1- cA c0 kc0 v0θ . 113 瓦斯等气体涌出时的漏风强度 以上是在假设其他气体对漏风流中的氧浓度影响忽略不计的条件下推导出的.当煤体中有瓦斯等气体 释放时,松散煤体中氧浓度的变化量dc可按两步考虑. 1由于瓦斯释放增大了气体体积而使氧浓度降低 c QA c -d c QAB, 式中,QAB为含瓦斯涌出的漏风强度,QABQAQB;QA为不含瓦斯涌出的漏风强度, cm3/ s cm2 ; QB为单位时间通过单位面积松散煤体的瓦斯体积流量, cm3/ s cm2 , QBqCH4dx;qCH4为单位体积瓦 斯释放强度, cm3/ s cm3 ; c为松散煤体中的氧气浓度, mol/ cm3.即 cQA c -dc QA qCH4dx . 忽略二阶微分qCH4dcdx得dc cqCH4 QA dx. 边界条件x 0时cc0,因此 c c0exp qCH4 QA x. 305第5期 邓 军等综放工作面巷道沿空侧松散煤体漏风强度测算方法研究 2由于煤体耗氧使氧气浓度降低 dc - v0θ c0 c dx QA QB , dc - v0θ c0 c0exp qCH4 QA x dx QA QB -v0θexp qCH4 QA x dx QA QB . 上式可积分得 QA xqCH4 lnqCH4 c0- c v0θ 1 QBνQA, xqCH4 ln 2qCH4 c0- c v0θ 1 QB≈QA , 0 Q BQA . 2 巷道松散煤体漏风强度动态变化规律 巷道松散煤体经较长时间暴露后,由于煤体氧化,温度升高而形成的风压差,称为热风压,用pr表 示,其计算公式[4]为 pr∫ l 0 ρ∞-ρx g dx , 式中,ρ∞为巷道风流空气密度, g/ cm3;ρx为煤体内距巷道顶的垂直距离为x处的空气密度, g/ cm3;l 为巷道煤体温度为原始温度处距巷道顶的垂直距离, cm;g为重力加速度, cm/ s2. 据波兴涅斯克 J 1Boussinesq假设可知 ρ∞-ρxρ∞βθx-θ∞ , 式中,β为流体的体积膨胀系数;θx,θ∞分别为松散煤体某处和巷道风流中的温度,℃;v为空气比容 积, cm3/ g. 对于理想气体 β 1 v R p 1 θx , 式中,R为气体常数;p为气体压力. 因而 ρ∞-ρxρ∞ θx-θ∞ θx . 热风压则可表示为 pr∫ l 0ρ∞g θx-θ∞ θx dx. 假定煤体温度均匀,则由热风压形成的漏风强度为 QrK pr l Kρ∞g θx θx-θ∞ χ θx-θ∞ θx ,4 式中,K为松散煤体对空气的渗透系数根据实验结果,孔隙率n 0～0145时,K 01016 05n2 ; χ 为由温差形成的热风压因子,χKρ∞g. 根据松散煤体实测温度,由式4可推断出因热风压而引起的漏风强度.该值在巷道松散煤体自燃 405煤 炭 学 报 1999年第24卷 过程中,随煤体温度升高而动态变化. 3 应用实例 兖州东滩煤矿4308综放工作面回风巷采用下行通风系统,回风巷即综放工作面运输巷沿4309采 空区掘进,留有约3 m煤柱,因受矿压或采动压力影响,煤柱压裂破碎,与相邻采空区联通,存在漏风供 氧,因此,巷道沿空侧松散煤体有自燃危险性.为对该沿空巷道松散煤体的自然发火危险程度、可能发火 地点和发火期进行预测,必须首先确定巷道沿空侧的漏风状况,即漏风强度分布.为此,在该巷道布置了 多组观测钻孔,以测定终孔温度和氧气浓度;然后根据钻孔参数、实测氧浓度和温度,推算出沿空侧松散 煤体的漏风强度和热风压,并结合巷道实际条件,对巷道自燃性进行预测. 表1为4308综放工作面回风巷沿空侧某钻孔该钻孔处后来发生自燃的参数和实测温度、氧浓度 值. 表1 4308综放工作面回风巷钻孔观测参数 Table 1 The surveyed parameters of the bore in the tailgate of face 4308 钻孔深度/ cm钻孔倾角/孔底氧气浓度/ 孔底温度/℃巷道风流温度/℃ 3503273024 根据兖州煤样自燃特性实验测试[5],煤温30℃ 时的耗氧速率为118810 - 10mol/ cm3 s ,由式2 可得该处松散煤体的平均漏风强度为 Q 118810 -10 350 0121 2214 10- 3 ln 0121 0107 6138910- 3 cm3/ scm2. 若取巷道松散煤体平均空隙率为0135 ,则由热风压引起的漏风强度为 Qr01016 0501352112910- 3 91830 -24 30 4197110- 6 cm3/ scm2 . 取与自然发火实验台[8]相同供风面积S 7 850 cm2,则其漏风量为 Q QS 501154 cm3/s0118 m3/ h. 据文献[5] ,兖州煤样在自然发火实验条件下,供风量为0118 m3/ h时的最短自然发火期为45 d左 右,但由于受巷道松散煤体实际粒度和蓄、散热条件等因素的影响,该处实际自然发火期为51 d ,其预测 误差为1118 .因此,根据实测氧浓度推算漏风强度,并综合其他自燃影响因素进行巷道松散煤体自然 发火预测,其预测精度能满足现场需要. 4 结 论 漏风强度的氧浓度测算法是根据实测巷道松散煤体钻孔氧气浓度和煤的耗氧速度推算出漏风强度,该 方法能较真实地反映松散煤体实际漏风状况,但必须首先由实验测定煤的耗氧速度.在煤氧化自燃过程 中,由于煤体温度升高产生热风压,因此,在研究巷道松散煤体漏风强度时,还必须考虑由热风压引起的 漏风强度的动态变化. 参考文献 [1] 贝尔J.多孔介质流体动力学[M].李竞生,陈崇希译.北京中国建筑工业出版社, 1983 [2] 吴中立.采空区滤流场电子计算机模拟[A].见国际采矿科学技术讨论会采矿工程分会II论文集[C].[s1l1] [s. n1] , 1985 [3] 邓 军,徐精彩.鲍店矿煤样自燃特性实验研究[J ].湘潭工业学院学报, 1999 , 9 1 1～4 [4] 李汝辉.传质学基础[M].北京北京航空学院出版社, 1983 [5] 邓 军,徐精彩,张迎弟,等.煤最短自然发火期实验及数值分析[J ].煤炭学报, 1999 , 24 3 274～278 505第5期 邓 军等综放工作面巷道沿空侧松散煤体漏风强度测算方法研究 [6] 徐精彩.煤炭自燃过程研究[J ].煤炭工程师, 1989 5 7～13 作者简介 邓 军1971 - ,男,讲师. 1996年毕业于西安矿业学院,现为西安交通大学能动学院博士生.主要从事煤矿防灭 火技术及煤层自燃预测预报技术的研究,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 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10余篇. 徐精彩1960 - ,男,教授. 1988年毕业于西安矿业学院,主要从事煤矿防灭火技术及煤层自燃预测预报技术的研 究,主持完成了煤炭部项目“耐温高水胶体直接灭火技术”和“九五”国家重点科技项目“巷道自燃机理及防治技术研究” 等课题10余项,其中多个项目获省、部级科技进步奖,发表学术论文40余篇. s for calculating specific air2leakage in loose coal of fully mechanized longwall top2coal caving face DENGJun1, XU Jing2cai1, WANG Chun2yue2, WEN Hu1 11Xiπan Science and Technology Institute , Xiπan 710054,China;21Dongtan Coal Mine ,Zoucheng 273500, China Abstract It is significant to calculate specific air2leakage for studying the predicting technique of coal self2igni2 tion of loose coal. As the actual air2leakage velocity is very small and the conditions of gates in the coal mine are complicated , the general s , i1e. the testing technique of air flux and air press canπt be applied to loose coal of gates. The new which the air2leakage is calculated with the oxygen concentration and the rate of oxygen consumption by coal is put forward. It is accord with the actual air2leakage in the gates. At last the dy2 namic effect of the thermal air press on the specific air2leakage is analyzed. The rightness of results is proved in site for predicting spontaneous combustion in tailgate of face 4308 in Dongtan Coal Mine. Key words fully mechanized longwall top2coal caving face ; coal gates; specific air2leakage 605煤 炭 学 报 1999年第24卷