白芨沟矿2层煤采煤工作忙漏风分析.pdf

一通三防 文章编号 1003- 496X 2003 02- 0022- 03 白芨沟矿 2 层煤采煤工作面漏风分析 张恩强 西安科技学院能源科学与工程系, 陕西 西安 710054 摘 要 根据白芨沟煤矿采煤工作面的漏风特点, 简化了含漏风通道的通风系统, 建立了漏风分 析计算模型 通风网络图, 推导出节点漏风量及总漏风量的计算公式, 分析得出了漏风的主要 原因并提出了解决漏风问题的主要途径和方法。 关键词 矿井通风; 工作面漏风; 通风网络; 网络计算; 漏风治理 中图分类号 TD728 文献标识码 B 白芨沟煤矿采煤工作面漏风问题是长期以来 影响矿井生产与安全的技术难题。该矿曾就解决 这一问题作了大量工作, 但收效甚微。为了探索 问题存在的根源和寻求解决的办法, 我们曾两度 去白芨沟煤矿进行现场调研, 下面是笔者根据所 收集资料和掌握情况进行的研究分析。 1 矿井开采概况 1. 1 地质及开采条件 在白芨沟煤矿现开采的范围内 2 层煤埋藏 浅, 且上部无第三、 四纪覆盖层; 煤层厚度大, 为缓 倾斜煤层; 采用的采煤方法为走向长壁倾斜分层 段 下行垮落法, 区段平巷采用岩石集中巷布置; 负压通风。 1. 2 开采后上覆岩层及地表移动情况 开采后上覆岩层呈台阶下沉, 从而, 在地表上 与工作面切眼、 停采线和上下顺槽相对应的位置 形成了大的永久性台阶和裂缝, 同时在开采范围 地表形成有规律分布的小裂隙, 在开采过程中在 地表上与工作面切顶线相对应的位置形成了随工 作面推进而移动的比较大的台阶和裂缝。所形成 的台阶的落差和裂缝宽度随采厚增大 由上而下 开采的分层数目增多 而增大。一般第二分层开 采后所形成的台阶和裂缝大于第一分层开采后所 形成的台阶和裂缝; 在工作面上顺槽附近的裂缝 大于下顺槽附近的裂缝; 在同一分层开采中, 在切 眼附近的永久裂缝大于工作面切顶线附近的移动 裂缝。造成漏风的切顶线附近的移动裂缝是比 上、 下顺槽多经受了一次上覆岩层移动后形成的, 这一点不可忽视。 1. 3 采煤工作面系统漏风情况 1 工作面通风系统图。由于布置了底板岩 石集中平巷, 漏风主要存在于分层平巷和工作面。 漏风段的起、 终点分别为集中平巷与分层平巷联 结的用于进、 回风的联络巷处 见图 1 。为了讨 论方便, 图中只绘了漏风段的巷道系统。 图 1 工作面通风系统 2 漏风种类。根据现场调查, 工作面漏风按 照漏风通道的不同主要有两类 第一类漏风为地 表大气通过上覆岩层中存在的裂缝 隙 直接进入 工作面通风系统, 即井下系统与地表短路。这种 短路的主要通道是上述三条大裂缝, 即分别与上、 22 第 34卷第 2 期 煤 矿 安 全 2003年 2月 下顺槽连通的固定裂缝和与工作面连通的移动裂 缝。但从地表看, 漏风通道不仅是线形分布的三 条大裂缝, 还有在地表呈面分布的所有裂缝, 但在 进入系统前所有漏风均汇集于三条大裂缝中。第 二类漏风为进风顺槽的风流通过顶板中裂隙进入 回风顺槽, 即进风顺槽与回风顺槽短路。 若不考虑漏风对矿井通风系统的影响, 仅考 虑对采煤工作面的作用, 则漏风分为两种 第一种漏风为有益漏风, 即在工作面上端点 以前的第一类漏风, 这种漏风对工作面或多或少 都有正面作用。 第二种漏风为无益漏风, 它包括在回风顺槽 中的第一类漏风和全部第二类漏风, 这种漏风对 工作面没有任何正面作用。 3 漏风量的分布。由于漏风段内上、 下顺槽 的长度, 在工作面切顶线附近的受工作面上覆岩 层移动规律控制的移动裂隙的大小以及受地质和 开采技术条件影响的工作面风阻的大小等影响漏 风量的参数都随工作面推进而变化, 每次测风的 条件不同, 对所测数据不能简单处理, 因此这里仅 列举一次实测的数据 其它数据与此相近 来说明 实际漏风量的分布 参见图 2 A、 B、 C、 D 各点的实测风量为 QA 612 m3, QB 966 m3, QC 1 696 m3, QD 2 750 m3。 AB、 BC、 CD 各段漏风量为 QAB 966- 612 354 m3, QBC 1 696- 966 730 m3和 QCD 2 750- 1 696 1 054 m3。 漏风段总漏风量为 2 138 m3, 是 QA的 3. 5 倍。 图 2 第一类漏风风路简化图 2 第一类漏风分析 2. 1 通风网络 1 通风系统简化。为了分析方便, 把连续分 布的漏风裂缝简化成离散的漏风管道, 如图 2 所 示。每一个管道为一个漏风支路, 并假定 ∀ 各漏 风支路风阻相同, 均为 RL; 每两个相邻漏风支 路间巷道 工作面 长度相同, 风阻也相同, 均为 R。 2 通风网络。依据上述简化可绘出通风网 络, 如图 3 所示。 0, 1, 2∃i, ∃, n 节点 01, 02, ∃0i ∃, 0n 漏风风路 QA 漏风段起点经矿井巷道系统进入的有效风量; QD 漏风段终点进入矿井回风系统的总风量; R 漏风段巷道工作面总风阻的 1/ n- 1; R0 漏风段前A 点前 矿井通风系统总风阻; R01 R02∃ R0i∃ R0n RL; R12 R23∃ Ri- 1i∃ Rn- 1n R。 图 3 通风网络图 2. 2 公式推导 根据通风网络风压、 风量平衡定律, 可得出如 下公式 RLQ 2 01 R0Q2A或 Q01 R0 RL QA 1 RLQ 2 02 RLQ201 RQ 2 1或 Q02 R0 RL R RL R0 RL 1 2QA 2 同理 Q0i Ri RLQi- 1 3 式中 Ri i 节点前不含 i 节点 网络的总风 阻; Qi- 1 由 i- 1 节点流出的风量。 23 第 34 卷第 2期 煤 矿 安 全 2003 年 2 月 RLQ20i RLQ20i- 1 RQ2i- 14 由4式得 Q0i Q0i- 1 1 R RL Qi- 1 Q0i- 1 2 1 f R RL , R0 RL 5 其中, f R RL , R0 RL 是 R RL , R0 RL 的函数 总漏风量 QL Q01 Q02∃ Q0n QAF R RL , R0 RL 6 其中, F R RL , R0 RL 是 R RL , R0 RL 的函数 2. 3 公式分析 ∀ 由1、 3式知, 每个节点的漏风量与前一 个节点的出风量成正比, 其比例系数为该节点前 的网路总风阻与该节点漏风支路的风阻比的开 方; 由5式知, Q0 i Q0i- 1 1, 说明每个节点漏风 量总是大于前一个节点漏风量; 与下顺槽沟通的漏风裂 缝由于受垮落岩层沿倾斜向下移动的影响, 裂缝 小, 漏风风路风阻大; 下顺槽起点的风量小; 下顺 槽起点前系统的风阻小, 因此下顺槽的漏风量较 小。与下顺槽正好相反, 上顺槽则由于临近上区 段采空区在矿压作用下变形破坏严重, 风阻大; 与 上顺槽沟通的漏风裂缝大, 漏风风路风阻小; 上顺 槽起点风量大, 因此, 上顺槽漏风量大。 2对工作面通风的影响。上述情况会对工 作面通风产生两个更加不利的影响, 一个是加大 了总漏风量, 另一个是加大了无益漏风量。这就 是实测漏风量大, 以及漏风量在各段分布差别大 的原因。 3 第二类漏风分析 第二类漏风可与第一类漏风采用同样的方法 分析, 这里不再做详细分析, 只给出分析结果 1第二类漏风产生的效果是在下顺槽内, 从 漏风段起点到工作面下端, 即从 A 点到B 点巷道 内风量逐渐减小, 这也是第二类漏风的主要特征; 2由于风流短路使整个工作面风量减小, 因 此第二类漏风对工作面是有害的; 3根据实测资料分析, 第二类漏风量和第一 类漏风量相比是非常小的, 因此在研究解决漏风 问题时, 应该把重点放在第一类漏风上。 4 结 论 1工作面漏风主要为第一类漏风, 漏风主要 通道为存在于工作面上、 下顺槽附近的地表固定 裂缝和在工作面切顶线附近随工作面推进而移动 的移动裂缝。减小这些裂缝或隔断这些裂缝与系 统的联系是减小漏风的根本途径。 2由于受 R、 RL等参数的影响, 回风顺槽 漏风量远远大于进风顺槽和工作面漏风, 而且回 风顺槽漏风完全为无益漏风。减少系统漏风应该 重点解决回风顺槽漏风。 3 由于各漏风支路的漏风量和系统总漏风 量均与漏风段起点的进风量 QA成正比, 说明 QA 与漏风量之间互相影响。一方面, QA由漏风段 上游通风系统分配而来, 或者说 QA与上游通风 系统有关。当主要通风机的工况不变时, 漏风量 增加引起 QA减小, 从而将会使上游系统风量发 生变化而影响上游正常通风。因此对于漏风严重 的工作面, 为了避免因局部漏风对矿井通风产生 较大影响, 应尽量采用独立的通风系统; 另一方面 下转 32页 24 第 34卷第 2 期 煤 矿 安 全 2003年 2月 区越远底鼓值越小。在压缩区与膨胀区的交界 处, 即下出口附近, 底板岩体容易产生剪切变形而 发生剪切破坏, 该处煤层底板的破坏深度值最大, 对 1291 工作面 80 m 水平 的有限元模拟结 果, 该处的最大破坏深度为 9. 13 m。该数据与其 他方法 塑性理论计算、 破坏单元计算及邻矿研究 资料等 得到的最大破坏深度值比较, 最大相对误 差为 5. 1, 其结果是可信的。 3 结 论 1 根据观测数据, 煤层底板岩体卸压区的界 线是深入煤层且倾向采空区的曲线, 其范围大于 采空区范围。 2 在采动过程中, 沿煤层走向按附加应力变 化可将煤层底板划分为 应力增高区、 应力降低区 和应力恢复区三个区域。 3 工作面及围岩应力分布具有复杂状态, 在 工作面上、 下出口的煤壁内是应力集中的部位, 下 出口的煤壁是应力集中最严重的部位。无论是在 开采初期, 还是在开采一定距离的范围内, 下出口 应力差值明显大于上出口应力差值, 表明下出口 煤层底板岩体受到的应力作用强烈, 其结果是煤 层底板破坏深度将大于上出口。 4 利用有限元模拟了煤层底板破坏的空间 形态, 并得到了煤层底板最大破坏深度值。 参考文献 ∋1 张金才, 张玉卓, 刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水 ∋M. 北京 地质出版社, 1997. 8- 11. ∋2 河北建筑科技学院. 煤层底板破坏规律研究报告. 2001. 81- 84 Research of the Coal Seam Floor s Mining Fracture Feature GUAN Ying- bin, LI Hai- mei, JIN Kan- kun Hebei Institute of Architectural Science and Technology, Hebei Handan 056038 Abstract According to the data of stress measurement, re searched the stress distribution regularity of No. 9 coal seam floor and 3D finite- element numerical simulation in Xian Dewang Coal Mine. It is provided that the data of No. 9 coal seam floor s failure depth. The study results provide scientif ic basis for the safety in mining. Key words coal seam floor; in- situ stress; seam floor s fail ure depth 作者简介 关英斌1961- , 男, 硕士, 副教授, 现在 河北建筑科技学院资源系任教。 收稿日期 2002- 02- 07; 责任编辑 梁绍权 上接 24 页 QA也是由正常系统进入该工作面的风量, 当 QA 不足时, 工作面将无法正常生产, 安全无法保障。 但如果要通过加大风机风量来提高 QA, 将会引 起漏风量的大幅度增加, 这在经济上是不可取的, 在技术上也是比较难于实现的。 4 改善工作面或矿井通风状况的经济而有 效的方法是减小漏风量。 5 减小漏风量的主要途径和方法有 ∀ 缩短漏风段巷道长度, 可通过合理地布置 区段集中平巷与分层平巷之间的联络巷来减小上 下顺槽的漏风长度, 其中缩短回风顺槽长度的效 果更突出, 因此重点应放在缩短回风顺槽上; 减小漏风段巷道风阻, 可通过加大和有效 维护上下顺槽的断面来实现减少上下顺槽的风 阻, 以及通过适当增加采高来减小工作面风阻; 也可通过采用喷浆注浆技术 来减小巷道周围的裂隙; ∗隔离巷道与漏风通道的联系, 如设风帘、 风 筒等。 这些方法有些是成熟的技术, 有些则需要做 进一步研究。 作者简介 张恩强 1957- , 男, 陕西扶风人, 1982 年 1 月毕业于西安矿业学院采矿工程专业, 1989 年获采 矿工程硕士学位, 一直在西安矿业学院后更名为西安科 技学院 从事采矿工程专业教学、 科研工作, 现任副教授。 收稿日期 2002- 04- 07; 责任编辑 郭瑞年 32 第 34卷第 2 期 煤 矿 安 全 2003年 2月