综放开采采空区瓦斯运移规律的模拟试验研究.doc

综放开采采空区瓦斯运移规律的模拟试验研究 秦跃平1,朱建芳1,陈永权2,谭 昆1 11中国矿业大学北京校区,北京 100083;21中国标准化研究中心,北京 100029 摘 要基于模型试验的相似理论,根据综合机械化放顶煤采空区的特点建造了三维模型。在U 型和E 型两种通风方式下,对比研究了综放开采采空区流场及瓦斯运移特性,得出了具有指导意义的综放开采采空区的瓦斯运移规律和合理的采空区瓦斯排放方案。关键词综放开采;E 型通风;三维模型中图分类号TD712152 文献标识码A 文章编号0253-2336200311-0013-04 Simulation test and research on gas migration la w in goaf of f ully mechanized coal cavin g mining face Qin Yue 2ping 1,ZHU Jian 2fang 1,CHEN Y ong 2quan 2,TAN Kun 1 11Beiji ng Cam pus ,Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng 100083,Chi na ; 21Chi na Research Center of S tandardiz ation ,Beiji ng 100029,Chi na Abstract Base on the simulated theory of the model test ,a three dimensional model was built according to the goaf characteristics of a fully mechanized coal caving mining face 1With a U type and an E type ventilation modes ,a comparison study on air flow and gas migra 2tion characteristics in a fully mechanized coal caving mining face was made 1The gas migration law and the gas drainage plan of the fully mechanized coal caving mining face goaf have a reference to the future 1 K ey w ords fully mechanized coal caving mining ;E type ventilation ;three dimensional model 基金项目国家自然科学基金重点资助项目50134040 由于综合机械化放顶煤综放开采具有高产 高效、生产集中、成本低等特点,这一技术在全国得到了迅速发展。同时因综放开采开采强度大,采空区浮煤多、空间大等因素的影响,使采空区流向综放工作面的瓦斯量急剧上升,工作面回风巷和上隅角瓦斯频频超限,给矿井安全生产造成严重威胁。已经成为影响这项高效采煤方法进一步推广应用的一大难题。由于采空区的特殊环境,现场考察总是局部性的。所以,为了全面认识综放开采采空区中的瓦斯运移特性,以便为解决综放生产中的瓦斯问题提供依据,特别设计了综放开采采空区的三维模型,运用模型试验的相似理论从模型试验角度进行分析研究,并着重探讨了E 型通风方式在综放生产瓦斯治理中的作用。 1 模型简介 为了模拟综放采空区的空气压力分布规律和瓦斯的运移及分布规律,按照模型与原型的相似条件和相似准则专门研制了三维试验模型。模型模拟综 放现场实际的工作面,其设计参数如下①长壁后退式、综合机械化放顶煤回采工作面,煤厚12m ,工作面长度150m ;②工作面采取U 型或者E 型通风方式;③工作面采用负压通风;④模型与实物比例为1∶100。 模型共由以下4部分组成综放工作面模型主体、供风系统、瓦斯注入系统和数据采集系统。模型的主体部分以2英寸角钢为骨架采用透明的有机玻璃板制作。工作面和采空区组成了一个封闭的空间,并与3条巷道相连。工作面布置液压支架模型,采空区则模拟充填成垮落带和裂隙带;供风系统由回风巷和顶巷的2台风机完成工作面的供风任务,并通过安装在回风巷上的闸板阀来调节供风量;瓦斯注入系统由瓦斯气瓶,减压阀,流量计、瓦斯分配器及其连接管组成;数据采集系统由瓦斯传感器、压力传感器、配套的稳压电源、7v14数据采集器以及电脑系统和相应的数据采集软件组成。整个模型采用全负压供风,回风巷风机为大风机,顶巷风机为小风机。在试验进行之前,为了便于说明,首先对四条沿煤层顶板分布的瓦斯巷进行 3 1 了编号。它们从模型正面回风巷顶部开始向左排列,距离回风巷水平距离依次为50mm 、150mm 、240mm 和420mm ,将它们编号为字母A 、B 、C 和D 。 2 测点布置 该模型是三维立体模型,为了获得瓦斯在三维立体空间的分布情况,总共布置了120个瓦斯传感器,将传感器分3层摆放,层间距27cm ,每层5排每排8个。在采空区共布置了120个测压点,分3层布置,每层40个,位置和瓦斯传感器的位置 相同。在模型空间内部的底座上按照等间距布置了40个金属支柱,用于固定传感器和压力采样点,采样点编号从第1层起以靠近回风巷的测点为1号点按行向后排列。传感器引线从模型后面引出,然后连接到计算机的数据采集系统上。 3 数据采集与分析 试验的数据采集使用计算机系统来自动完成,这样可以实现实时测量,并可以实现数据采集和处理的同步进行,数据采集完毕后所得结果可以立即以表格和图形的形式表现出来,从而增加了试验的可操作性。整个数据采集过程大约耗时约1min ,由于试验时间短,可以避免在数据采集期间外界因素的干扰,减少了人为操作引起的误差,使试验结果更加可靠和精确。驱动7v14数据采集器的数据 采集程序使用Visual Basic 语言编写,通过计算机 串行I/O 接口将采集来的数据保存在计算机中预先设定的目录中。该程序界面友好,从上面可以浏览所采集的原始电压数据,这些数据按照模型中所布置的数据采集点的排列方式进行显示,非常直观易读。此外,程序还可以通过处理数据来转换所采集到的电压信号,并用Excel 表格形式显示出来,便于数据的分析与处理。该试验的数据处理工作就是用Excel 软件的函数来进行的。 4 综放开采采空区的空气压力分布 采空区的空气压力分布使用压力传感器测量并由计算机系统进行数据的同步采集。由于试验周期短,风机运转稳定,所以可以忽略风机运转稳定性和地面大气压变化对测量值的影响。共进行了3次U 型通风方式下的压力分布试验和一组E 型通风 方式下压力分布试验。411 综放面采用U 型通风方式时采空区各分层的压力分布 由不同风量时的采空区内各分层的压力分布完全一致,所以只分析其中一次的测定结果。图1所示是第2次U 型通风方式下采空区各分层压力分布试验结果绘制成的等值线图,等值线数值单位为kg/m 21kg/m 2∶918Pa 。横坐标值小的一侧为回风侧,坐标值大的一侧为进风侧,图1a c 分别是第1层,第2层和第3层 。 图1 各分层压力分布等值线 a c 第13分层 通过分析试验结果可以得出如下结论 1在U 型通风条件下,采空区内的压力分布与采空区本身的物理特性有关即采空区垮落岩石的块度、孔隙性等,其压力值的大小由工作面的端压差决定。 2在支架后部约45cm 远,高34cm 测点所在位置,相当于原型中45m 远,高23m 范围内沿工作面长度方向,以测点1号为基 准点,则从回风巷到60cm 处原型60m 风压差从零快速增加到9117Pa ,属于第一层面低风压区。从60cm 处到进风侧下隅角属于高风压区,压差最高达到151Pa 。一分层采空区距离支架后部约 4 1 30cm 相当于原型长度30m 远内的压力变化是 明显的。采空区距离工作面超过30cm 以后的区域各层的测值基本一致,压力起伏相对较小。根据达西渗流理论,由于压力梯度较小,因此在这一区域内渗流速度很小。 3在采空区距离工作面30cm ,高27cm 的范围内,也即在原型中采空区距离工作面30m 高27m 这个三维立体空间内,采空区压力分布的变化比较明显。在这个区域之外的采空区风压基本上保持稳定,分子扩散在瓦斯运移中将起主要作用。 4采空区靠近上隅角处的风压很低,属于第一层面的低风压区,所以瓦斯容易向这里运移并积聚。412 综放面采用E 型通风方式时采空区各分层的压力分布 E 型通风方式下,采空内的压力分布与U 型通风方式下采空区内的压力分布有所差别。E 型通风方式下,采空区内的压力分布状态在工作面风量一定的情况下,顶巷的位置是影响采空区风压分布状态的主要因素。试验结果与U 型通风方式的试验结果对照,可以看出 1采空区距工作面支架后部的风压影响范围的宽度和U 型通风方式下采空区中的风压影响范围是相同的,都是约等于原型的30m 深。 2E 型通风方式下工作面上下隅角的压力梯度与U 型通风方式下工作面上下隅角的压力梯度相比是减小的。这说明采空区漏风大部分从顶巷排出了,而且这样的结果可以确保风流较U 型通风方式下更为稳定,减少在隅角处涡流的产生,更利 于瓦斯的排出。 3E 型通风方式下,采空区中风压明显变化的范围较U 型通风方式大。由于影响范围的扩大,因此可以推断E 型通风方式更有利于排放深部瓦斯,从而可以防止深部瓦斯积聚和瓦斯库的形成,对安全更为有利。 5 综放开采采空区的瓦斯分布 该试验共进行了3次U 型通风方式下的采空区瓦斯分布测定和2组E 型通风方式下的瓦斯浓度分布测定。511 U 型通风方式下的采空区瓦斯分布 1采空区中的瓦斯分布和压力分布是相互印证的。图2是由第一次试验数据绘制成的采空区各分层瓦斯分布的等值线图,横坐标值小的一侧为回风侧,坐标值大的一侧为进风侧。图2a c 分别是第1层,第2层和第3层。从图2中可以看出因在模型中距离工作面30cm 原型30m 后和模型中测点的第2层上部原型中采空区距离底板垂直高度27m 以上风压差的变化很小,所以瓦斯在这个范围内的压力梯度相对较小,流动缓慢而容易产生瓦斯积聚,使瓦斯浓度升高。对应U 型通风时流场的相似性,瓦斯浓度分布也是相似的沿走向,离工作面越远处的瓦斯浓度越高,靠近工作面处由于风量大、风速较高瓦斯迅速被带走,其瓦斯浓度接近于零;沿工作面方向,从进风侧到回风侧,瓦斯浓度总的趋势是逐渐增高的,到上隅角处增加到最大。第1层和第2层的变化趋势相近,第3层的变化趋势不明显 。 图2 瓦斯浓度分布等值线 a 1a 6瓦斯浓度分别为015、1、115、2、215、3的曲线; b 1b 5瓦斯浓度分别为1、115、2、215、3的曲 线;c 1c 7瓦斯浓度分别为215、2175、3、3125、315、3175、4的曲线 2在距离支架后部45cm 远的采空区范围 内,从距离回风侧60cm 原型中60m 处起向上隅角方向的瓦斯浓度变化较大,呈快速增加趋势,瓦斯浓度由0103增加到0185左右;在支架后 5 1 部45cm到30cm采空区范围内,从距离回风侧约60cm处起向上隅角后部的瓦斯变化呈增加趋势,瓦斯浓度由0109增加到4以上。在距离工作面30cm后的瓦斯浓度的增加更为明显。在距离支架后部约45cm范围内,从距离回风侧60cm 起向下隅角方向的瓦斯浓度变化较小,也呈略微的增加趋势,瓦斯浓度由0103增加到011左右;在支架后部45cm到30cm深的采空区范围内,从距离回风侧60cm处向下隅角方向的瓦斯浓度变化较小。结合采空区的压力场分布可以知道,在上隅角处风压最低,采空区内瓦斯在压力梯度作用下必然向上隅角处聚集,所以这里瓦斯浓度相对较高,容易产生瓦斯超限现象。而下隅角处有涡流产生,所以有瓦斯升高现象。 3第二次U型通风方式的瓦斯试验是在第一次通风量的基础上增加约17进行的,第二次试验中在距离支架后部约45cm远的采空区范围内,从距离回风侧60cm起,瓦斯浓度是从约0102增加到0198。对比第一、二两次的试验结果可知,在U型通风方式下增加通风风量时上隅角的瓦斯反而容易积聚。 512 E型通风方式下的采空区瓦斯分布 每组E型通风方式的试验又包括了不同顶巷位置的4次分试验。故2组E型通风方式试验一共进行了8次试验。在U型通风方式试验的基础上,综合各次的试验结果可以得出 1E型通风方式与U型通风方式相比,在相同条件下如产量、风量、工作面长度等,能有效地排放支架后部、上部、上隅角后部的瓦斯,因而可以有效解决上隅角瓦斯超限问题。 2E型通风方式时通过调节顶巷位置和顶巷与回风巷的风量比,可以明显影响上隅角后部的瓦斯浓度因而E型通风方式可以作为治理综放开采瓦斯问题的有效手段。 3顶巷位置与其风量的大小有一个合理的范围。确定瓦斯排放巷风量与回风巷的合理风量比范围为1∶ 81∶5,瓦斯巷与回风巷间的距离应该在10 15m。 6 结 论 通过综放开采采空区瓦斯运移规律的模拟实验得到如下结论 1综放开采采空区中的瓦斯分布规律①试验表明,采空区内的瓦斯分布规律与流场特性是相互印证的,在进风侧的采空区由于漏入的是新鲜风流,新鲜风流稀释和带走了沿程的瓦斯而使该区域的瓦斯浓度很小。在回风侧风压最低,漏入的风流几乎都从该出流出,因而流出的携带瓦斯的风流使该处瓦斯浓度相对较高。在采空区后部压力梯度非常小,因而渗流速度缓慢,瓦斯容易积聚浓度迅速升高,形成“瓦斯仓库”。②U型通风方式下,通风风量越大时,上隅角瓦斯越容易积聚。③E 型通风方式与U型通风方式相比,在相同条件下如产量、风量、工作面长度等,能有效地排放支架后部、上部、上隅角后部的瓦斯,可以有效解决上隅角瓦斯超限问题。④E型通风方式时通过调节顶巷位置和顶巷与回风巷的风量比,可以明显影响上隅角后部的瓦斯浓度。因而E型通风方式作为治理综放开采瓦斯问题的有效手段。 2E型通风方式中排放瓦斯顶巷的合理位置。由现场实测数据和试验室相似模拟试验的结果综合分析得出,综放工作面顶巷即瓦斯排放巷的合理位置为距离工作面回风巷1015m范围内,瓦斯排放巷距工作面回风巷的距离与工作面长度之比为1∶ 121∶ 7。 3排放瓦斯顶巷与回风巷的合理风量比。顶巷风量与回风巷风量的合理风量比的范围为1∶ 81∶5。 参考文献 [1] 黄伯轩.采场通风与防火[M].北京煤炭工业出版社. 1991. 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