高瓦斯特厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征研究(1).pdf

安全技术与工程 “ “ “ “ 构造标志，逆粒序剖面结构及典型的粒度概率曲线 特征，结合区域沉积背景，确立研究区须家河组二、 四、六段为辫状河三角洲沉积相认识。 研究成果对 该地区须家河组储集砂体类型确定及优质储层分 布规律的准确预测具有一定的理论意义。 参考文献 ［1］冯增昭.我国古地理学的形成、发展、问题和共识［J］.古地理学 报,2003, 5（2）129－141. ［2］王宓君.中国石油地质志卷十［M］.北京石油工业出版社,1987. ［3］郭正吾,邓康龄,韩永辉.四川盆地形成与演化［M］.北京地质出 版社, 1996. ［4］张金亮,王宝清.四川盆地中西部上三叠统沉积相［J］.西安石油 学院学报自然科学版，2000，15（2） 1－6，60. ［5］汪泽成,赵文智,张林.四川盆地构造层序与天然气勘探［M］.北 京地质出版社, 2002. ［6］侯方浩,蒋裕强,方少仙,等.四川盆地上三叠统香溪组二段和四段 砂岩沉积模式［J］.石油学报, 2005, 26（2）30－37. ［7］赵霞飞，吕宗刚，张闻林，等.四川盆地安岳地区须家河组-近海 潮汐沉积［J］.天然气工业，2008，28（4）14-18，134. 作者简介 阳伟（1983-），四川成都人，工程师，硕士，在读博士 生，研究方向沉积学与岩相古地理. 责任编辑张欣收稿日期2015－01－07 doi10.13301/ki.ct.2015.05.042 煤炭技术 Coal Technology Vol.34 No.05 May. 2015 第34卷第05期 2015年05月 0引言 矿井瓦斯是煤矿重大自然灾害之一， 严重威 胁、制约着矿井安全生产，而且随着综放开采技术 在我国大范围推广，厚煤层矿井的煤炭开采效率得 到极大提高，并且生产高度集约。 与此同时，对于瓦 斯矿井，综放开采产量大幅提高，采空区遗煤多，采 动影响大等因素使得工作面绝对瓦斯涌出量也显 著增加， 容易使工作面回风巷和上隅角瓦斯超限， 给矿井安全生产造成极大的威胁。 在如此严峻的形势下，国内外煤矿安全科研人 员通过研究提出了相应的措施并将其应用在煤矿 生产中，取得了良好的效果。 但由于矿井条件的复 杂性，不同矿区的矿井条件存在差异，同一措施在 不同矿区、矿井的治理效果不尽相同，因此矿井瓦 高瓦斯特厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出及分布 特征研究 * 李树刚， 丁洋， 安朝峰， 蔚文斌 （西安科技大学 能源学院， 西安710054） 摘要 针对胡家河煤矿401102高瓦斯特厚综放开采工作面的实际条件，采用三维网格测点 布置方法，对该工作面瓦斯浓度三维分布进行测定，绘出工作面瓦斯浓度分布等值线图、沿工作面 倾向及走向的瓦斯浓度曲线图，得到沿风流方向的瓦斯浓度最低点浓度曲线，并对瓦斯浓度最低 点分布函数进行定积分，得到工作面瓦斯涌出分量比例。 关键词 特厚煤层； 综放工作面； 瓦斯分布； 高抽巷； 瓦斯涌出量 中图分类号TD712文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2015）05 － 0113 － 04 Research on Gas Emission and Distribution Characteristics of Fully Mechanized Coal Face in High Methane and Thick Seam LI Shu-gang，DING Yang，AN Zhao-feng，WEI Wen-bin College of Energy Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China AbstractThe three-dimensional distribution of gas concentration measurement at the working face is measured by using the of three -dimensional grid based on the conditions of the fully mechanized coal face named 401102 in Hujiahe high methane and thick seam. Draws the gas concentration leaning to the face and trending to the face research demonstrates that the gas concentration leaning to the face increases, but it occurs the biggest point near the working face at the bottom of high drainage way because the drainage negative pressure of high drainage way leads to accumulating methane, along the wind flowing , the lowest area of the gas concentrationleaning to working face waves from gob to the wall. Also analyzes the working face gas emission law relationship with the production and operation. Key wordsspecial thick seam; fully mechanized caving face; methane distribution; high drainage way; gas emission *国家自然科学基金科学仪器基础研究专款资助项目（51327007）； 国家自然科学基金资助项目（51174157；51104118；51204134） 113 斯治理措施的效果检验十分必要，而瓦斯涌出及分 布特征能够较为直接地反映出矿井瓦斯治理现状， 因此开展工作面瓦斯涌出及分布特征的研究工作 至关重要。 1工作面概况 胡家河煤矿401102工作面为高瓦斯特厚煤层 综放开采工作面，该工作面设计长度1 643 m，可采 长度1 493 m，倾向180 m；该工作面布置4条巷道， 即泄水巷、运输巷、回风巷及高抽巷。 工作面所采煤层平均厚度24 m，上分层可采煤 层厚度13.5 m。 截煤高度3.5 m，放煤高度10 m ，设 计采放比为12.86。 该工作面瓦斯治理采取扇形孔 掘前预抽、平行钻孔采前预抽、高抽巷抽放、上隅角 埋管抽放等立体抽放综合治理措施。 2工作面瓦斯测定方法 工作面从474支架每隔10个支架设立1个 测量断面，7494支架处在高抽巷附近， 每隔2个 支架设立1个测量断面，每个测量断面沿煤壁到采 空区的方向设立15个测点。 用光学瓦斯检定仪测 定每测点瓦斯浓度，测定顺序统一由煤壁侧到采空 区侧进行，具体测点布置如图1所示，测量数据如 表1所示。 图1测点布置图 表1瓦斯浓度测量结果 3工作面瓦斯分布特征 3.1工作面瓦斯浓度沿倾向分布特征 由工作面瓦斯浓度沿倾向分布（见图2）可知， 采面瓦斯浓度从进风侧至回风侧逐渐增大。 进风到 采面前部（1～16支架）范围内瓦斯浓度变化不大且 浓度较低，这是由于现场为治理采空区漏风挂设有 风帘。 在没有挂设风帘之后的位置瓦斯浓度增加较 快，尤其是靠近回风侧20 m范围内瓦斯浓度较高。 造成这种分布规律的原因是风流从进风侧经过采 场时， 有一部分风流至采面中部逐渐漏入采空区， 漏入采空区的风流从工作面的后半段又逐渐返回 到工作面，同时将采空区的较高浓度瓦斯带进工作 面，使工作面瓦斯浓度逐渐增高，理论和实践表明， 靠近回风隅角从采空区返回的风量最大，带出的瓦 斯量也大，致使上隅角附近瓦斯浓度增高，这就是 上隅角瓦斯容易超限的原因。 与进风巷距离/m 图2沿工作面倾向瓦斯浓度分布 从图2中还可以看出，在距离工作面回风巷30 m 处的瓦斯浓度曲线处于峰值点， 此处的瓦斯浓度高 于距离回风巷10 m处测点。 这是由于高抽巷布置 在距回风巷25 m处， 由于高抽巷内抽采负压的存 在，造成一部分含瓦斯风流聚集此处，从而致使瓦 斯浓度曲线在此处出现1个较明显的峰值点。 图3是401102工作面在倾向上沿垂向上中下 3点平均瓦斯浓度分布等值线。 从图3中可以看出， 工作面沿风流方向瓦斯浓度分布不均匀， 总体上 看，在距离进风巷0100 m靠近煤壁侧瓦斯浓度要 高于采空区侧，100180 m瓦斯浓度呈现两侧高中 间低的状态，从整个倾向方向看瓦斯浓度的最低点 由采空区侧逐渐向煤壁侧靠近。 由于工作面煤壁瓦 斯涌出沿风流方向逐渐叠加， 瓦斯浓度沿程总体呈 逐渐增加趋势，局部有上下起伏变化，介于0.08～ 0.49，工作面的平均浓度为0.285。 图3工作面倾向平均瓦斯浓度分布等值线 煤壁 0.14 0.23 0.25 0.30 0.25 0.28 0.28 0.33 0.31 0.32 0.39 0.38 0.40 0.38 0.35 0.35 0.37 0.37 前部刮板输送机 0.13 0.12 0.25 0.19 0.23 0.23 0.25 0.26 0.29 0.29 0.34 0.31 0.31 0.34 0.33 0.34 0.34 0.35 支架前部 0.11 0.15 0.19 0.17 0.20 0.23 0.26 0.29 0.31 0.30 0.32 0.31 0.32 0.32 0.33 0.36 0.35 0.35 支架中部 0.09 0.14 0.17 0.19 0.22 0.23 0.28 0.29 0.31 0.32 0.32 0.32 0.33 0.33 0.34 0.37 0.37 0.37 支架后部 0.08 0.12 0.19 0.21 0.26 0.28 0.29 0.32 0.32 0.33 0.34 0.34 0.38 0.36 0.37 0.38 0.39 0.38 4 14 24 34 44 54 64 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 瓦斯浓度/ 支架 高抽巷 401102进风巷 顶板 煤 壁 推 进 方 向 401102回风巷 第34卷第05期Vol.34No.05高瓦斯特厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征研究李树刚，等 煤壁侧 020406080100120140160 采空区侧 0.42 0.38 0.34 0.30 0.26 0.22 0.18 0.14 0.10 0.06 4 3 2 1 0 与回风巷距离/m 与煤壁距离/m 瓦斯浓度/ 瓦斯浓度/ 2565105 煤壁 前部刮板输送机 支架前部 支架中部 支架后部 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 1451531611691771855 114 3.2工作面瓦斯浓度沿走向分布特征 从工作面横断面瓦斯浓度分布总体上看，有以 下几个特点①在靠近进风巷的一侧，由煤壁至采 空区瓦斯浓度逐渐降低，靠近煤壁的下角瓦斯浓度 最大；②在靠近回风巷的一侧，瓦斯浓度的最高点 出现在近采空区侧，说明风流将采空区的瓦斯带回 到工作面；③在靠近工作面煤壁附近的瓦斯浓度等 值线几乎平行于煤壁，表面煤壁附近的瓦斯浓度表 明受采空区漏风的影响很小；④横断面的瓦斯浓度 最低点，沿风流方向逐渐从采空区侧向工作面煤壁 侧移动。 为了全面反映工作面横断面瓦斯分布特征，平 行于煤壁方向取上中下3点平均值，得到煤壁至采 空区方向5个测点的平均瓦斯浓度，由此作出各断 面的瓦斯浓度分布如图4所示。 图4各断面沿走向平均瓦斯体浓度曲线 从图4中可以看出①在靠近进风巷一侧，在 424支架之间， 从煤壁侧到采空区侧断面瓦斯浓 度分布为单调递减函数，靠近煤壁处的瓦斯浓度最 高；②在3494 支架之间，断面瓦斯浓度分布为不 对称的凹函数，采空区侧高于煤壁侧，说明风流将 采空区瓦斯带到工作面， 其中由于84支架处于高 抽巷的下部，风流在此有汇聚现象，导致在84支架 处的瓦斯浓度煤壁侧高于采空区侧。 4工作面和采空区瓦斯涌出比例计算 以表1中各测量断面瓦斯浓度最低点至煤壁 距离为纵坐标y， 各测量断面至进风巷距离为横坐 标x，采用n次多项式拟合的方法，求出401102综 放工作面断面瓦斯浓度最低点分布最佳拟合函数 为y8.922 710-5x2-0.034 9x5.318 6，相关系数为 0.985 94，函数拟合曲线如图5所示。 图5401102工作面横断面瓦斯浓度最低点分布曲线 从图5可知，401102工作面瓦斯浓度最低点沿 风流方向逐渐向工作面靠近。 显然，瓦斯浓度分布 最低点曲线靠采空区一侧的面积越大，说明采空区 涌入工作面的瓦斯量就越大；相反，靠近煤壁一侧 的面积越大， 说明煤壁涌入工作面的瓦斯量就越 大。 因此，用这2个面积占总面积的百分比在一定 程度上可以近似反映两者涌出所占的比例。 对方程y8.922 710-5x2-0.034 9x5.318 6进 行定积分，可以得到曲线、x0、x180与x轴所围成 的曲边梯形的面积。 经计算可得工作面煤壁涌出影 响面积Sw565.425 m2， 所以采空区涌出影响面积 SgS-Sw334.575 m2， 则该工作面瓦斯涌出比例煤 壁占62.825 ，采空区占37.175 ；说明工作面的 瓦斯涌出主要来源于工作面的煤壁。 5综放工作面瓦斯涌出影响因素分析 5.1瓦斯涌出量与日产量的关系 在工作面回采初期， 绝对瓦斯涌出量较大，这 是由于煤壁瓦斯涌出强度随着时间呈衰减趋势，即 在煤壁暴露的初期，其瓦斯涌出最大。 随着工作面 推进，绝对涌出量逐渐降低，并且大致符合以下变 化趋势进尺数较大时，瓦斯涌出量也较大；进尺数 较小时，瓦斯涌出量也较低；同时也可以看出一段 时间内进尺数稳定的情况下瓦斯涌出量也较为稳 定。 主要原因是工作面瓦斯主要来源于本煤层采 落煤和采空区。 一方面，当工作面推进速度增加时， 本煤层采落煤量增加， 导致本煤层瓦斯涌出量增 加， 所以工作面绝对瓦斯涌出量也会相应地增加。 另一方面，围岩的移动和变形受工作面推进速度快 慢的直接影响，推进速度慢时，围岩变形和垮落充 分，从而使得来源于围岩的瓦斯涌出量增加；反之， 当推进速度加快时，围岩变形相对减小，相应地围 岩的瓦斯涌出量也会减小。 当工作面推进减慢时， 围岩充分卸压增加的瓦斯涌出量没有弥补工作面 减少的瓦斯涌出量，所以，表现出推进速度慢涌出 量就减小的现象。 5.2瓦斯涌出量与配风量的关系 采面配风量对瓦斯涌出量大小有一定的影响， 但主要是其对采空区瓦斯涌出影响较大。 风量过 小，上隅角及回风易超限,但配风量过大，造成采空 区瓦斯涌出量大，同样易造成上隅角瓦斯超限。 6结语 （1）采面瓦斯浓度大致符合从进风侧至回风侧 逐渐增大，但在高抽巷底部位置由于高抽巷抽放负 压的影响，出现瓦斯浓度峰值点； （2）在工作面沿走向分布的测点中煤壁处的瓦 斯浓度最高；瓦斯浓度最低的测点随着与进风巷的 距离的增大从采空区侧向煤壁侧逐渐移动；同一支 前部刮板 输送机 测点位置 支架 前部 煤壁 瓦斯浓度/ 4 24 44 64 84 94 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 支架 中部 支架 后部 与进风巷距离/m 020 与煤壁距离/m 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 406080100 120 140 160 180 第34卷第05期Vol.34No.05高瓦斯特厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征研究李树刚，等 115 架处沿工作面走向的瓦斯浓度变化幅度也随着距 离进风巷的距离增大而增大； （3）得到沿风流方向的瓦斯浓度最低点浓度曲 线，并对瓦斯浓度最低点分布函数进行定积分，经计 算得到煤壁占62.825 ，采空区占37.175 ；说明工 作面的瓦斯涌出主要来源于工作面的煤壁。 参考文献 ［1］袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术［J］.中国煤炭, 2010，36 65-12. ［2］袁亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究［J］.岩石力学 与工程学报, 200871 370-1 379. ［3］李树刚,钱鸣高.综放采空区冒落特征及瓦斯流态［J］.矿山压力 与顶板管理, 1997Z179-81. ［4］徐小马.李雅庄煤矿瓦斯涌出量预测及瓦斯涌出影响因素的研究 ［D］.太原太原理工大学, 2007. ［5］林海飞.综放开采覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律及工程应用 ［D］.西安西安科技大学, 2009. ［6］卢平,袁亮,程桦,等.低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强化抽 采卸压瓦斯机理及试验［J］.煤炭学报, 2010，354580-585. ［7］李树刚,肖鹏,林海飞.乌兰煤矿5343综放工作面瓦斯涌出规律 分析［J］.煤矿安全, 2011，421122-124. ［7］陈开岩,张占国,林柏泉,等.综放工作面抽放条件下瓦斯涌出及 分布特征［J］.采矿与安全工程学报, 2009，264418-422. 作者简介 李树刚1963- ，甘肃会宁人，教授，博士生导师，博 士，从事围岩活动与瓦斯治理技术、非稳态渗流力学、矿山安全工程 技术等方面的研究；通讯作者丁洋，电子信箱dingyang663. 责任编辑王凤英收稿日期2014－11－12 煤炭技术 Coal Technology Vol.34 No.05 May. 2015 第34卷第05期 2015年05月 0前言 回采工作面的通风方式对工作面采空区瓦斯 治理具有重要影响，在传统的U形通风方式的基础 上人们提出了Y 形、 W 形、 UL 形、 J形等。 目前UL 形通风方式被大范围地推广和应用，但是Y形通风 因其具有强大的排瓦斯能力和有效地降低采空区 自然发火的危险性，开始逐渐被人们接受，综合比 较，Y形通风更具有治理优势。 利用Fluent流体软件模拟工作面采空区在Y 形通分方式的情况下瓦斯浓度分布规律以及风速 分布，对矿井安全高效生产具有指导意义。 1采空区瓦斯的运移规律 煤矿采空区气体的流动可以被看作是在多孔 介质中的空气流，如图1所示。 采空区冒落的岩石 和煤体呈不规则排列，气体在采空区渗流性系数和 渗透率在不同位置也有很大差别。 国内和国外的诸 多研究提出空气在采空区内的流动是层流、 紊流、 过渡流的复杂流动，但同时也发现，在采掘工作面 附近小面积的实验中，由于空气流漏风，而在采空 区的区域则是类似于小雷诺数的层流。 图1气体在采空区的流动示意图 2采空区瓦斯运移规律的一般方程 其也被称为线性渗透定律，流体的渗流速度和 水力梯度与流体在多孔介质中的流动呈现的数学 线性关系，流速 u- Kdp μdx -λ dp dx Y 形通风系统采空区瓦斯运移规律数值模拟 张金山， 赵晓坤 内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头014010 摘要 通过建立二维模型， 应用流体力学软件Fluent对采空区漏风场及瓦斯运移规律进行 数值模拟研究。 结果表明Y形通风系统可以有效解决上隅角瓦斯积聚问题。 关键词 瓦斯场；Y形通风； 瓦斯超限； 漏风场 中图分类号TD712文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2015）05 － 0116 － 02 Numerical Simulation of Y Type Ventilation Goaf Gas Migration Law ZHANG Jin-shan，ZHAO Xiao-kun （Mining Research Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China） Abstract A two-dimensional model is established, and use fluid dynamics software Fluent and obtain the gas migration law of goal air leakage on numerical simulation study. The results show that Y type ventilation system can effectively solve the problem of gas accumulation in upper corner. Key words gas field; Y type ventilation; gas overrun；air leakage field doi10.13301/ki.ct.2015.05.043 进风巷 回风巷 116