采空区瓦斯流场分布规律及埋管参数研究.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１５Ｊｕｌｙ２０２０现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６１５期２０２０年７月第７期萧煜宏（１９６９），男，常务副总经理，工程师，０４６３０８山西省长治市武乡县墨镫乡。环保生态修复采空区瓦斯流场分布规律及埋管参数研究萧煜宏１闫循强２，３（１．山西马堡煤业有限公司；２．煤科集团沈阳研究院有限公司；３．煤矿安全技术国家重点实验室）摘要针对马堡煤业“ Ｕ ” 型通风工作面上隅角瓦斯超限频繁，严重制约安全高效生产的难题，通过ＦＬＵＥＮＴ软件模拟得到马堡煤业综采开采条件下采空区瓦斯分布，研究现采采空区瓦斯流场分布规律，结合现场试验考察，得到具有指导意义的综采采空区瓦斯运移规律和合理的采空区埋管参数。关键词采空区瓦斯埋管ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０２０．０７．０６９ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＬａｗｏｆＧａｓＦｌｏｗＦｉｅｌｄａｎｄＢｕｒｉｅｄＰａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＧｏａｆＸｉａｏＹｕｈｏｎｇ１ＹａｎＸｕｎｑｉａｎｇ２，３（１．ＳｈａｎｘｉＭａｂａｏＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．；２．ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＳｈｅｎｙａｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ；３．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｏｖｅｒｌｉｍｉｔｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｏｆｔｈｅＵｔｙｐｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｅａｎｄｓｅｒｉｏｕｓｌｙｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏａｌｐｒｏｄｕｃ  ｔｉｏｎ，ＴｈｒｏｕｇｈＦＬＵＥＮＴｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｇａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｉｎｅｄ  ｏｕｔａｒｅａｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｉｎＭａｂａｏＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｇａｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒｕｌｅｉｎｔｈｅｍｉｎｅｄ  ｏｕｔａｒｅａｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｏｎ  ｓｉｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅｇｕｉｄｉｎｇｇａｓｍｉｇｒａｔｉｏｎｒｕｌｅｉｎｔｈｅｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｅｄ  ｏｕｔａｒｅａａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｍｉｎｅｄ  ｏｕｔａｒｅａｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＧｏａｆ，Ｇａｓ，Ｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅ马堡煤业井田处于沁水煤田武乡矿区，受区域构造影响，井田总体为走向ＮＥＳＷ、倾向ＮＷ的单斜构造，地层倾角较平缓，由东北向西南渐陡，一般３～１０，西南部局部倾角甚至达到２５。主采１５号煤层，位于太原组下段，平均４．８１ｍ，顶板主要为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩、中细砂岩；底板主要为泥岩、铝土泥岩，局部为炭质泥岩。煤层标高＋７１０～＋９１０ｍ，埋深３８０～５８０ｍ，瓦斯含量５．５２～７．２０ｍ３／ｔ。工作面采用Ｕ型通风方式，受采空区漏风影响，上隅角和工作面积聚的瓦斯是煤矿安全生产的重大隐患，严重制约工作面的安全回采。掌握采空区瓦斯运移分布规律和采空区埋管设计参数是解决上隅角瓦斯超限等问题的关键。１采空区瓦斯运移及涌出工作面回采后，采空区顶板岩层垮落，加上上区段煤柱的支撑作用，在采空区形成一个三角形的区域，为瓦斯的运移和涌出提供了条件。１．１采空区瓦斯运移（１）采空区内瓦斯的升浮。采空区出现气体升浮的主要原因是密度差，其根本条件是瓦斯气体的密度小于其周围气体的密度。瓦斯气体的主要成分是ＣＨ４，标况下的密度为０．７１６ｇ／ｃｍ３，仅相当于空气密度０．５５４倍。采空区的瓦斯气体，由于密度小于周围采空区内的气体，产生了密度差，从而产生瓦斯升浮现象。瓦斯的迁移过程和浓度分布状况取决于巷道内的速度分布和瓦斯来源情况［１］。采空区瓦斯涌出源的位置不定常，在瓦斯气体的上浮的过程中不断和采空区内的其他气体混合在一起，密度差逐渐减小，上升速度也渐渐减慢，当上浮气体的密度差不存在时，升浮力消失，升浮过程就会消失。３２２（２）采空区内瓦斯的扩散。采空区内瓦斯气体分子的扩散就是指受浓度梯度的作用，瓦斯气体从浓度高的区域向浓度低的区域移动，最终达到浓度平衡。断裂带内是瓦斯扩散的主要场所。气体分子的扩散根据原因可分为４种形式，包括纯扩散、压强扩散、强制扩散和热扩散［２］。压强扩散通常是由于压强不均匀，产生压强梯度而产生的扩散。强制扩散是外力对气体分子作用时，单位质量受力不均匀而产生的扩散，例如在磁场和电场下的扩散，在矿井中很少见。热扩散以温度分布不均，产生温度差，而引起的扩散，纯扩散是由于混合气中某一气体的物质含量不均匀所引起的扩散，有浓度梯度的存在，必定发生纯扩散。只要存在其他形式的扩散，必定同时发生纯扩散。通常情况下，扩散现象是２种或２种以上扩散形式混合出现。在理想状态下，采空区瓦斯气体的扩散可以不用考虑强制扩散和热扩散［３］。采空区上覆岩层裂隙和孔隙是瓦斯扩散的介质基础，瓦斯气体的扩散方向是由高浓度区域向低浓度区域。因此，采空区的瓦斯扩散可被认为是纯扩散。（３）采空区内瓦斯运移的聚集性。绝大部分瓦斯在岩层与采空区的孔隙和裂隙聚集，包括２种过程一是采空区空气的高浓度瓦斯气体和局部的瓦斯气体的不均匀性的聚集，其原因是和周围采空区气体存在密度差而产生的升浮。二是在自身浓度差的作用下，混入空气的瓦斯分子引起扩散。瓦斯气体具有向上扩散的现象，这为采空区断裂带是高浓度瓦斯聚集区作出了解释，为断裂带瓦斯抽放提供了科学依据［４］。１．２采空区瓦斯涌出工作面回采时，采空区内的瓦斯会向工作面涌出。采空区的瓦斯是邻近煤层、采空区遗煤和围岩涌出瓦斯的二次积聚。采空区瓦斯涌出包括２部分，第一部分是新鲜风流由进风巷进入工作面区域，由于工作面区域与采空区有一定的连通性，必然有部分风流漏入采空区，即为采空区漏风。采空区漏风会把采空区瓦斯携带出采空区进入工作面，引起上隅角和回风巷中瓦斯浓度的升高，采空区漏风是引起采空区瓦斯涌出的重要原因。另一部分是工作面的通风期间，工作面和采空区之间的气流存在气压差［５］，从而造成采空区瓦斯向工作面涌出。采空区漏风量的大小和流场分布是影响采空区瓦斯涌出量大小的重要原因。当工作面采用不同通风方式，因为工作面的巷道的位置和数量不同，工作面的汇风源位置和数量不同，因而工作面向采空区的漏风量的大小和采空区内漏风流的流场不同，因此采空区的瓦斯涌出量也不尽相同。瓦斯抽采强度的大小也是影响采空区瓦斯涌出量大小的原因之一。当瓦斯抽采强度大时，采空区内的瓦斯很少向回采工作面涌出。当瓦斯抽采强度较小或者不进行瓦斯抽采时，采空区内的瓦斯大量涌入回采工作面，特别是上隅角区域。２Ｕ型通风空区瓦斯分布规律为研究抽采对工作面瓦斯涌出量的影响，用ＦＬＵＥＮＴ软件以马堡煤业１５２０１工作面为原型进行数值模拟，模拟抽采对工作面瓦斯涌出量数值模拟研究，模型参数如下工作面为Ｕ型通风，模型尺寸为３２０ｍ１６０ｍ５０ｍ；进风巷与回风巷和工作面处于同一水平，尺寸均为３０ｍ５ｍ４．５ｍ，巷道断面积为２２．５ｍ２；进风风速１．２１ｍ／ｓ，风量１５６１ｍ３／ｍｉｎ；回风风速１．２７ｍ／ｓ，回风量１５３９ｍ３／ｍｉｎ。模型网格划分完毕后，进风面设置为速度边界，回风面设置为自由出口边界。采空区瓦斯涌出源项根据马堡煤业１５号煤层瓦斯参数编写ＵＤＦ实现。工作面Ｕ型通风无抽放模型见图１。图１工作面Ｕ型通风无抽放模型采空区瓦斯浓度从进风巷到回风巷逐渐升高，在上隅角处瓦斯浓度达到最大［５］。低浓度区域主要集中在进风巷尾端，越靠近进风端，漏风影响越大，瓦斯浓度越低。高浓度的瓦斯主要集中在采空区深部，是因为采空区深部的漏风较小，从工作面到采空区深部瓦斯浓度是逐渐升高的，至采空区最深部瓦斯浓度达到最高值。为了进一步分析采空区内瓦斯浓度分布，作出了采空区瓦斯浓度分布等值线，如图２所示。图２Ｕ型通风采空区瓦斯浓度等值线由图２可以得知，靠近回风巷侧，采空区瓦斯浓度快速增加，在上隅角处积聚大量瓦斯。３Ｕ型通风系统工作面采空区埋管技术试验为了确定上隅角瓦斯抽采管路抽采孔口位置的合理参数，对不同抽采口位置的抽采效果进行现场考察研究，通过分析不同的埋管深度和高度得到适合煤矿的埋管抽采参数。并对埋管设计进行了优化，在钢４２２总第６１５期现代矿业２０２０年７月第７期管端头联接Ｔ形竖管，Ｔ形竖管直径与敷设管路同径，然后通过  ３２５ｍｍ高压骨架胶管与巷道内抽采支管连接；在Ｔ形头处加设袋子墙，并挂设在巷道顶板，在钢管末端加设铁砂网，防止煤渣进入瓦斯抽采管路。具体施工方式见图３。图３Ｔ形竖管段加工（单位ｍｍ）试验过程中采用埋管高度１．０、１．５、２．０、２．５ｍ，对不同埋管深度下的上隅角瓦斯浓度跟踪考察。不同埋管高度情况下，上隅角瓦斯浓度变化与埋管深度关系见图４。图４上隅角瓦斯浓度与埋管深度变化关系 ◆埋管高度１ｍ；■埋管高度１．５ｍ； ▲埋管高度２ｍ；埋管高度２．５ｍ４采空区埋管抽放效果分析根据上隅角附近浓度分布的实际情况，得出以下分析。（１）当埋管处于５～２０ｍ范围的采空区，随着埋管深度不断增加，上隅角瓦斯均出现下降趋势。当由于埋管距离上隅角较近时，随着埋管抽采大量瓦斯，采空区源性瓦斯不断向上隅角补充。而随着埋管深度增加，埋管对区域内瓦斯进行大量抽采，可以有效截断采空区瓦斯向工作面涌出，减少采空区瓦斯涌出量，对治理工作面上隅角瓦斯超限和积聚亦具有显著效果。此外，埋管高度越高，上隅角瓦斯抽采效果越好。（２）当埋管处于２０～３０ｍ范围的采空区，埋管设２．５ｍ高时，上隅角瓦斯出现上升趋势，说明Ｔ型管进入瓦斯富集区域，由于负压作用，促进了采空区源性瓦斯向上隅角方向运移；埋管高度设置１．５ｍ时，抽采效果最好，有效切断了采空区源性瓦斯对上隅角的补充。（３）当埋管进入３０ｍ以上范围时，上隅角瓦斯浓度均出现快速升高，说明上隅角均已超出了埋管抽采的保护范围，抽放负压对上隅角附近瓦斯影响趋于减小。５结语通过开展采空区埋管抽采，可以了解采空区瓦斯流场，指导抑制采空区瓦斯向上隅角和工作面涌出，确定了合理的埋管设计参数。从而成功解决上隅角瓦斯超限的问题。综合考虑马堡煤业人员配备和生产经济效益，埋管深度设计为３０ｍ，埋管高度设计为１．５ｍ。参考文献［１］梁栋．巷道气体分层流特性分析［Ｊ］．广州大学学报自然科学版，２００４（４）５４  ５７．［２］刘波．大佛寺矿综放面采空区瓦斯抽采效果研究［Ｄ］．阜新辽宁工程技术大学，２０１２．［３］周利峰．赵庄矿大采高工作面瓦斯抽采技术研究［Ｄ］．阜新辽宁工程技术大学，２０１４．［４］赵长波．基于Ｆｌｕｅｎｔ的采空区流场与瓦斯分布规律研究［Ｄ］．青岛山东科技大学，２０１１．［５］刘强．Ｕ型通风工作面上隅角瓦斯治理技术分析［Ｊ］．能源与节能，２０１６（８）６２  ６５．（收稿日期２０２０  ０５  ０８櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄）（上接第１８６页）控制中心的数据通信，并执行控制中心发送的调控指令，能够满足井下恶劣环境下工作稳定性和可靠性的需求。（３）该供电监控系统，控制逻辑简洁、高效，能够快速处理供电网络异常，将故障范围维持在最小的范围内，最大限度地满足井下供电安全的需求。参考文献［１］赵建保，许沛丰，陈延昌．１１０ｋＶ线路单相接地故障实例及改进措施的分析［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９（２２）２２  ２４．［２］任启洪，申云飞，张大臣．基于嵌入式工控机的分站在煤矿供电监控系统中的应用［Ｊ］．科技创业家，２０１３（４）９９  １００．［３］李文峰，赵敏．总线式煤矿安全监控系统联网技术［Ｊ］．煤炭技术，２０１０，２９（３）１０８  １１０．［４］李先妹，黄家栋，唐宝锋．数字化变电站继电保护测试技术的分析研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０（３）１０５  １０８．［５］李大锋，赵帅，吴峰．基于工业以太网的煤矿电力监控系统的应用［Ｊ］．工矿自动化，２０１１，３７（１）８４  ８６．（收稿日期２０２０  ０５  １１）５２２萧煜宏闫循强采空区瓦斯流场分布规律及埋管参数研究２０２０年７月第７期

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