采空区漏风机理与防治对策研究.pdf

焦作工学院学报, 第 17 卷, 第 4 期, 1998 年 7 月 Journal of Jiaozuo Institute of Technology, Vol17, No4, Jul. 1998 采空区漏风机理与防治对策研究* 刘英学夏蓓娅邬培菊韩国杰 湘潭工学院 湘潭 411201广东工业大学神华集团公司河南中锋集团 摘要 介绍了在采空区漏风分布研究中提出的 U 形漏风通道概念.经计算机模拟得出新的、 更符合实际的采空区漏风分布规律, 并依此制定了有效的防治技术措施.通过试验应用取得 了防止采空区遗煤自燃的最佳成果, 创造出了很好的经济效益与社会效益. 关键词 U 形漏风通道 漏风机理 防治对策 中图法分类号 TD 728 0 引 言 众所周知,导致煤炭自然发火有 4 个因素 1 所开采的煤炭本身具有自燃倾向性, 并以破碎状 态存在; 2 有连续适量的氧气供给; 3 产热速度大于散热速度, 造成氧化生成热量集聚; 4 以 上三个条件同时存在的时间大于煤炭最短自然发火期。对于开采易燃煤层的矿井,回采面采空区内遗 留的浮煤, 本身就具有低温易氧化的自燃特性,其发生自燃的危险程度, 只取决于矿井的开采技术, 取决于采空区形成的漏风供氧状况. 因此,研究采空区内的漏风分布与规律,并制定和实施行之有效 的技术措施, 是预防和治理采空区遗煤自燃工作的基础. 1 采空区漏风分布与规律研究 采空区紧邻回采工作面,是一片充满陷落岩石的非活动空间.由于陷落岩石的非规则性, 冒落堆 中存在着许许多多、大小不一的漏风通道.研究中我们将其分为能自燃漏风通道与不能自燃漏风通 道.所谓能自燃漏风通道是指漏风不大不小, 正适合于煤炭自燃的通道;而不能自燃的漏风通道包含 漏风微小、供氧不足不能自燃的小通道和因漏风较大、氧化产生的热量能被漏风及时带走的不能自燃 的大通道. 漏风通道的性质取决于陷落岩石的性质、块度、堆积方式与承压状态,采空区内所构成的 孔隙介质条件,决定着漏风流线与漏风量. 在孔隙介质流体动力学研究中, 我们可以将采空区视为各向透气性相等的均匀孔隙介质的空间进 行分析,采空区内漏风气体流动既服从达西定律, 又满足气体流动连续性方程. 考虑到采空区内岩石 陷落带的高度远小于采空区的长度与宽度,全风压沿高度方向的变化亦极小,又由于采空区内瓦斯涌 出量小,即气体的增量小, 不致于造成风压变化. 因此,以上两者都可忽略不计,此时, 采空区内气 体的流动可用简化的拉普拉斯方程描述[1] 收稿日期 1997 12 17 第一作者 刘英学, 男, 1956 年生, 副教授. * 贵州省技术攻关项目, 编号 94 298. 2H x 2 2H x 2 0 式中 H 采场通风风压, Pa;x , y 采空区长、宽坐标, m. 利用第二边界条件 风量边界条件 ,经电子计算机求解,可分别作出当采空区比风阻为常数和不为 常数时的漏风流线分布图, 见图 1、图 2[2]. 图 1 采空区比风阻为常数时的流线图 Fig1 Stream line of air leakage in the goaf that specific air resist is normality 图 2 采空区比风阻不为常数时的流线图 Fig2 Stream line of air leakage in the goaf that specific air resist is unconstant 不难看出,对于一源一汇的 U 型通风系统,回采工作面内漏风气体的流线基本上呈磁力线状分 布,采空区内漏风流速取决于回采工作面的风速, 采空区的漏风范围, 则取决于采面斜长的大小. 图 3 采空区存在 U 形漏风带时的漏风流线图 Fig3 Classification of air leakage stream line in the goaf where there are U shape air leakage areas 事实上,放顶后的采空区的陷落 岩石, 当承压条件不同时, 陷落岩石被 压实的结果也不同,采空区原回采工作 面的二道一眼,由于其外邻是煤体或煤 柱,放顶后在靠煤壁处不可能完全被充 满压实,而存在较大的漏风通道,并持 续较长一段时间, 我们将这些漏风通道 称之为 U 形漏风带. U 型漏风带致 使采空区深部的漏风范围和漏风量改 变.基于这种认识,我们用电子计算机 进行模拟. 结果表明, 采空区内不仅存 在 U 形漏风带,而且这是导致采空区遗煤自燃危害性最大的供氧源, 见图 3. 2 采空区漏风防治对策 21 采空区漏风防治对策研究 由以上分析表明, 采空区内漏风的流线、流速与漏风范围, 取决于回采工作面的斜长、风速和U 型漏风通道的情况.因此, 研究制定的防治对策必须针对这些具体情况,根据对采空区漏风分布规律 的认识,我们制定了以下防治技术措施. 211 减风降压技术措施 所谓减风降压技术,就是在回采工作面及回风巷瓦斯浓度不超限的前提下, 尽量减少回采工作面 的供风量, 从而减少回采工作面的风速和回采工作面上下两端的风压差,以达到减少往采空区内的漏 风量, 这符合上述的关于采空区内漏风量与回采工作面风速关系的结论. 212 隔漏风墙技术措施 所谓隔漏风墙技术,就是在采空区 U 形漏风带的进、回风侧用某种或多种材料垒砌用以隔、防 262 焦 作 工 学 院 学 报 1998年第 17 卷 漏风的墙. 墙的作用, 一方面是切断采空区 U 形漏风通道, 阻止由此而进入采空区深部的漏风;另 一方面是类似于缩短回采工作面的斜长, 从而减小采空区漏风的影响范围. 22 采空区漏风防治研究实例 六枝矿区地处云贵高原,粘土贫乏, 经济极不发达, 其开采的煤层地质条件复杂,瓦斯含量大, 含硫量高. 开采时瓦斯涌出量高,瓦斯突出与煤炭自燃灾害频繁,部分自燃灾害还引发矿井或采面瓦 斯爆炸事故, 造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失.到 1996 年底全区共发生井下煤炭自燃 280 余 起, 直接经济损失达 5 000 多万元,严重影响了矿区的经济效益与社会效益. 为此, 矿区各级领导对 自燃防治工作极为重视,并取得许多防治经验与技术成果. 但是, 随着开采水平延深, 矿井瓦斯涌出量骤增, 煤层自燃危险性增强,而矿区经济不发达, 许 多新技术因此无力实施.原有的黄泥灌浆也因成本骤增,且与农业争土地的矛盾日趋严重,措施难以 维持, 唯一的出路是研究实施技术可靠、经济合理、操作简便的新技术措施.笔者参与和主持了这项 工作, 并分别在木岗矿、四角田矿先后试验与应用一系列防治自燃的技术措施, 其中也包含以上两种 防漏风技术. 221 减风降压技术在 2472 2 回采工作面的实践 2472 2 回采工作面为下分层采面, 走向长约314m,斜长约99m, 平均采高16m,其地质构 造复杂,05 20 m 落差的断层已探明 10条, 上分层采空区因漏风有几处出现高温点.但因采面为 下分层开采, 瓦斯涌出量不大, 采面供风仅 270 290 m3/ min. 为防止采面采空区遗煤自燃,先期采 用过汽雾阻化技术,1995年 6 月初井下用水紧张,流量与水压下降,影响防治效果,加上采面正推 至上分层采空区高温点处, 放顶时冒落的矸石温度部分达 60 70 ∀ ,回采面上隅角 CO 浓度为 50 ppm,为此, 迅速将回采面供风量降至 175 210 m3/ min,从而大幅度减少回采面风速和回采面上下 两端风压差, 见表 1.同时也大幅度降低了回采工作面的瓦斯涌出量,见表 2. 表 1 减风降压措施前后考察值 1995年 Tab1 Statisties of air quantity CCH4瓦斯浓度, ; QC H 4 瓦斯绝对涌出量, m 3/min. 效果考察可见,隔漏风墙确实起到了阻止和减少采空区漏风的作用,从而大幅度提高了采面有效 风量,并减少因采空区漏风所致的瓦斯涌出量,采场绝对瓦斯涌出量下降 2927 , 回风流瓦斯浓度 下降 2712 , 至 1997 年 4 月 18 日回采结束,采面安全推进 772 d,采出煤炭 2469 万 t, 创全矿区 斜长最大、最易自燃的回采面长时间不发生采空区自燃灾害的最佳成果,为矿井安全生产和经济效益 的提高作出了贡献. 3 结 语 本项目在研究采空区漏风分布规律时,提出了 U 形漏风通道等概念,经电子计算机模拟求解, 绘制出包括 U 形漏风通道的采空区漏风流线分布图,并针对这种分布规律, 提出两种防治技术措施 并进行现场井下试验. 试验结果表明,减风降压技术能够减少采空区内漏风量, 隔漏风墙技术不仅能 减少采空区内的漏风量,也能缩小采空区内的漏风范围,尤其能减少采空区深部的漏风, 切断采空区 264 焦 作 工 学 院 学 报 1998年第 17 卷 内两道一眼的漏风通道,从而达到防止采空区遗煤自燃的目的. 经四角田矿两个回采工作面试验与应 用, 分别安全推进 449d和 772d,采出煤炭 38 万多吨而未发生遗煤自燃灾害, 创造了很好的经济效 益与社会效益.试验结果还表明上述两种技术行之有效、经济合理, 值得推广应用. 致谢 本项目研究得到六枝矿区各级领导与现场工程技术人员的支持与配合, 尤其是四角田矿有关部门与人员为此做 了许多工作, 在此一并表示由衷的谢意. 参 考 文 献 1 任德惠, 丁火 昆. 高沼易燃煤层无煤柱开采. 北京 煤炭工业出版社, 1988. 152 160 2 黄伯轩编著. 采场通风与防火. 北京 煤炭工业出版社, 1992. 21 42 Study on the Mechanism of Air Leakage and its Preventing and Control Measures in the Goaf Liu YingxueXia Peiya Xiangtan Institute of Technology , Xiangtan 411201 Guangdong University of Technology Wu PeijuHan Guojie Shenhua Group Company Zhongfeng Group , Henan Abstract On the basis of the study of air leakage in the goaf, a recent theory of U shape air leakage area is put forward. A new of division of air leakage areas and effective technical measures have been set up by computer simulating. These measures to prevent spontaneous combustion of residual coal in goaf are pered. An effectiveness and benificial result have been obtained. Keywords U shape air leakage area; mechanism of air leakage; measures of prevention 本文责任编校 王孟林 胡秀芳 本院成果简介 QFH 1 轻便型分离回柱绞车 这是一种使用在煤矿井下单体支柱工作面生产中的轻便型分离回柱绞车,该绞车以煤电钻为动力 源,以软轴作为动力传动装置, 当工作面放顶后, 用来拉出掩埋或半掩埋在采空区的支柱,该绞车使 用时将其悬固在被拉支柱附近的绞接顶梁上, 用环链和拉钩进行动力作功, 特别适用于破碎顶板条件 下及有淋水或采高不稳定煤层. 专家认为该绞车为国内首创. 265 第 4 期 刘英学等 采空区漏风机理与防治对策研究