Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究.pdf

第 7卷第 2期 2 0 1 1 年 2月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 7 No． 2 Fe b． 2 01 1 文章编号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 1 1 一 0 2 0 0 5 0 0 5 Y型通风 下采 空区瓦斯运移规律及治理研究 何 磊 ， 杨胜强 ， 孙 祺 ， 程 涛 ， 黄瑞玲 1 ． 中圉矿业大学安全工程学院 ， 徐州2 2 1 0 0 8 2 ．中 矿业大学“ 煤炭资源 与安全开采” 国家重点实验室 ， 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 为 r 更好 的研究 Y 通 风系统下 的采空 区的瓦斯流动 和涌出规律 ， 针 对综放 叫 Y型通风 系统特点， 建立了Y 通风采空区流场模拟的计算流体力学模型。通过数值模拟 ， 系统研究 r Y 型通风采空区流场和瓦斯运移规律 ， 对比分析了Y型通风和 U型通风条件下的采空区流场及瓦斯 运移特征， 并将其应用于 1 5 1 2 0高瓦斯综采工作面的 Y型通风系统中， 根据现场的实际情况建立 对应的 C F D模型， 得出 Y型通风系统下采空区瓦斯流动及分布规律 ， 数值模拟结果与现场大量观 测数据相吻合 ， 为 瓦斯治理和通风系统优化提供 理论依据 。研 究表 明， 采用 Y型通 风系统可 消除 采空区 卜 隅角的集 中漏 风 ， 从而有效解决 _r U型通风上隅角瓦斯积聚和 回风巷中的瓦斯 。 关键词 Y 通风 系统 ； 采 区 ； 沿空 留巷 ； 瓦斯运移 中图分类号 X 9 3 6 文献标识码 A S t ud y o n g a s t r a ns po r t at i o n pr i nc i pl e a nd c o n t r o l i n g o a f、 t h Y- s ha p e v e n t i l a t i o n s y s t e m H E L e i 一 ， Y A N G S h e n g ． q i a n g 一， S U N Q i ，C HE N G T a o 一 ，H U A N G R u i l i n g 1 ． F a c u l t y o f s a f e t y e n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a 2 ．S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d Mi n e S a f e t y C U MT ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o b e t t e r g r a s p t h e l a w o f g a s flo w a n d me t h a n e e mi s s i o n un d e r t h e Y s ha p e v e n t i l a t i o n s y s t e m ， a i me d a t t he Y s h a p e v e n t i l a t i o n s y s t e m o f f u l l y me c h a n i z e d s u b l e v e l c a v i n g f a c e，t he mo d e l o f c o mp u t a t i o n a l flu i d d y n a mi c s wa s s e t up f o r s i mu l a t i n g t h e flo w fi e l d o f t he g o a f u n d e r Y s ha p e v e n t i l a t i o n s y s t e m． T h r o ug h n u me r i c a l s i mu l a t i o n，t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g o a f flo w fie l d a n d g a s t r a n s p o r t a t i o n u n d e r Y s h a p e a n d U s h a p e v e n t i l a t i o n s y s t e ms we r e a n a l y z e d．Th e mo d e l a n d e qu a t i o n we r e p u t i n t o t h e CF D s i mu l a t i o n s o f t wa r e，t h e s i mu l a t i o n r e s u l t wa s o b t a i n e d a nd ma t c h e d v e r y we l l wi t h l o t s o f p r a c t i c a l d a t a s ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t he c o n c e n t r a t e d a i r l e a k a g e f r o m t h e g o a f t o t h e u p p e r c o r n e r c a n b e e l i mi n a t e d b y a p p l y i n g Y s h a pe v e n t i l a t i o n s y s t e m ，a n d t h e pr o b l e m o f g a s a c c u mu l a t i o n a t t h e u p p e r c o me r u n de r U- s h a p e v e n t i a h i o n s y s t e m a n d t h e g a s o f t h e r e t ur n a i r wa y c a n b e e f f e c t i v e -- l y s o l v e d． Ke y wo r d sY s ha p e v e n t i l a t i o n s y s t e m ；g o a l ；g o b s i d e e n t ry r e t a i n i n g；g a s t r a n s p o r t a t i o n 近些年 ， 我国综放采煤方法得到了快速发展 ， 但 工作面高瓦斯涌出一直是制约综放工作面安全 、 高 效生产 的主要 因素。澳 大利 亚 B a l u s u ，We n d t和 R e n ， T ． X ．使用 C F D技术对立井抽放下以及不 同 收稿 日期 2 0 1 01 0 2 5 工 作 面 通 风 情 况 的 采 空 区 瓦斯 分 布 进 行 了模 拟 引； 国内王凯对 J型通风综放采空区流场与瓦斯 运移进行了数值模拟 ； 胡千庭对 采空 区瓦斯 流动 规律的情况进行 了模拟l 6 j 。治理综 放开采瓦斯 问 题主要可采取三个方面的技术措施 ， 即加强通风 ， 加 强瓦斯抽放以及综合通风与瓦斯抽放 ， 其中加强 第 2期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 5 1 通风式解决综放面高瓦斯涌出的最基础和最直接的 手段 ， 本文以 1 5 1 2 0高瓦斯综放工作面为例 ， 采取沿 空 留巷的 Y型通风方式 ， 并在沿空留巷 的回风巷 中 打钻孔抽放瓦斯 ， 从 而减少上隅角的瓦斯聚集 ， 合理 的降低工作面的瓦斯 ， 有利于安全生产 。 1 1 5 1 2 0工作面基本情况 1 5 1 2 0工作面煤层厚度 2 ． 5 m左右 ， 煤层倾角约 为 7 。 ， 瓦斯绝对 涌出量最大 3 3 ． 6 5 m ／ m i n ， 平 均为 3 3 ． 5 6 m ／ m i n ， 相对 瓦斯 涌出量最 大为 8 ． 1 9 m ／ t ， 平均为 8 ． 1 7 m ／ t 。综放 面倾 向长 1 5 1 m， 走 向长 5 8 4 m。该区域煤层较厚 ， 赋存稳定 ， 地质构造简单 ， 适合于综合机械化放顶煤采煤 。综合机械化放顶煤 开采 ， 工作面平均 日产量大概为 3 0 0 0 t 。 2 建 立流体模 型 2 ． 1 采空区渗流控 制方程 将综放面采空区视为煤岩混合体组成的多孔介 质空间， 由于松散煤体空隙的时空分布不均匀 ， 漏风 源和漏风汇难 以确定 ， 松散煤体 中的漏风 流场 十分 复杂， 将采空区内风流看作不可压缩气体在 三维空 间的非线性渗流， 包 括紊流 、 层流 、 过渡流。所服从 的基本方程为非线性渗流方程 ，即 B a c h m a t 方程 ， 达西定律仅仅是 B a c h ma t 方程在低速层流状态下的 特例。三维非线性渗流定律公式为⋯ 田 1 1 g 凡 式中 一渗透率 ， m ； 卜 压力坡度 ； 一 运动粘性系数 ， m ／ s ； D 一平均调和粒径 ； 采动裂隙椭抛带 的风速 ， m ／ s ； n 一采动裂隙椭抛带的孔隙率 ； 渗流速度 ， m ／ s ； g 一重力加速度 ， 9 ． 8 1 m ／ s ； 一 多孔介质粒子形状系数。 根据质量守恒定律和流体动力弥散定律 ， 瓦斯 在采场中的动力弥散方程为 蠹 D o 老 一 蠹 C U i 2 式 中 c 一采空区内瓦斯的质量浓度 ； m ； D 一动力弥散系数的九个分量 ， m ／ s ； 一 平均流速向量的分量 ， m ／ s 。 2 ． 2采空区孔隙率及渗透率 采空区漏风强度和煤体蓄热条件都与孔隙密切 相关 ， 但严格说采空区孔隙率应分为二部分考虑 一 是松散煤体 的孔隙率 ； 二是垮落顶板的孔隙率 。松 散煤体孔隙率主要影响煤体 内部氧的渗透和分布 、 高温点的深度 ， 垮落顶板的孑 L 隙率 主要影响煤体表 面散热的快慢和漏风强度。随着工作面向前推进和 时间的推移 ， 采空区的空隙率随时发生变化。一般 而言， 顶板岩层越坚硬 ， 空隙率越大 ； 矿压越大空 隙 率越小； 作用时间越长， 孑 L 隙率就越小， 反之就越 大 - I o j 。孑 L 隙率为 n 11 ／ K p 3 式 中 一岩石及煤的碎胀系数 。 由 B l a k e K o z e n y公式 [ 4 ] ， 多孔介质 的渗 透率 e 为 3 ⋯ 而 4 式中 D 一平均调和粒径。 2 ． 3 U型通风工作面采空区模型的建立和边界条 件分析 模型的坐标原 点为模拟 回风巷矩形的中心点， 即图 1中左边坐标系原点所在位置， X 轴由回风端 指向进风端 ， y轴 指 向顶板 ， Z轴沿 着 回风 巷风 流 方向。 图 1 Y型综 采工作 面模 型图 u 型通 风 工作 面进 风 为 速 度 进 口， 风 量 为 8 0 0 m。 ／ mi n ； Y型通风 工作 面两进风 均为 为速度进 口， 风量分别 为 6 0 0 m ／ mi n ， 2 0 0 m ／ m i n 。气 体成分 的体积分数为甲烷 C H 为0 ． 4 ％， 氧气为2 1 ％， 其余 为氮气 。一般数据参数设置见表 1 。 5 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 3采场数值模拟分析 3 ． 1 u型通风采场瓦斯分布规律 3 ． 1 ． 1 工作 面倾 斜方 向 瓦斯 浓度 分布规 律 1 在距工作丽较近的采空区内由于风流流动 方向是从进风侧 向回风侧 ， 瓦斯呈现向回风侧运移 的趋势， 瓦斯浓度逐渐增大。在上隅角和回风巷则 成为整个工作面瓦斯浓度较高的区域。 2 由图 2可 以看到 在工作 面的回风端 瓦斯 浓度梯度较大 ； 在工作面进风端 瓦斯梯度较小。这 主要是 由工作面漏风的情况决定的。工作面回风端 瓦斯浓度 梯 度 的增加 主要 是来 自采 空 区气 体 的 流入 。 3 ． 1 ． 2采 空 区瓦斯 浓度 分布规 律 采空区瓦斯浓度分布规律见图 2 。从水平方向 上看 ， 瓦斯从下隅角往其采空区对角浓度逐渐升高 ， 离工作面越远浓度越大。在采空区内的瓦斯浓度最 高区域也是整个采场 的瓦斯浓度最高 区域， 此区域 成为实际工作中采空 区瓦斯抽放 的理想地点 ； 从纵 向上看 ， 由于在靠近工 作面的采空区上部渗流速度 很小 ， 形成一个相对较高浓度的瓦斯区域 ， 这是高位 水平抽放瓦斯针对 的高瓦斯浓度区。 3 ． 2 Y型通风采场瓦斯分布规律 3 ． 2 ． 1 Y 型通风 工作 面倾斜 方 向 瓦斯 浓度 分布 规律 1 在距工作面较近 的采空区内由于风流流动 方 向是从进风侧 向回风侧 ， 而在 Y型通风方式下 ， 由于两条进风巷的风压不同， 使得上 隅角和回风巷 的瓦斯浓度较低 ， 但是 瓦斯浓度较 高的区域向采空 区深部运移的趋势 。 2 由图 3 、 图 4和图 5可 以看到 在工作面的 进风巷的瓦斯浓度不一样 ， 这主要是由于两侧风压 比例不 同决定的， 靠近进风压力大的一侧瓦斯浓度 梯度较小 ； 工作面瓦斯浓度地主要是 Y型通风 良好 的方式决定 的。 3 ． 2 ． 2 Y型通风 采 空 区瓦斯 浓度 分布规 律 采空区瓦斯浓度分布规律见图 3 。从水平方向 上看， 瓦斯从上隅角往其采空区中部浓度逐渐升高。 在采空区内的瓦斯浓度最 高区域也是整个采场的瓦 斯浓度最高区域 ， 从纵 向上看 ， 由于在采空区深部的 瓦斯浓度偏大 ， 这主要是由工作面漏风的情况决定 的， 此处附近形成一个相对较高浓度的瓦斯区域 ， 为 此成为实际工作中采空区瓦斯抽放的高瓦斯浓度区。 L 图 2 U型通风下瓦斯浓度等值 线图 L 图 3 Y型通风瓦斯浓度等值线图 篙篇 一 磷 ． ■ 5 4 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 危险性 ， 降低了煤层瓦斯含量 ， 使高瓦斯突出危险煤 层变为低瓦斯 无突 出危 险煤层 ， 保 证工作 面高效 高产 。 参考文献 [ 1 ] B a l u s u ，R ． ，D e g u c h i ，G ． ，H o l l a n d ， R ． ， Mo r e b y ，R ． ， X u e ，S ． ， W e n d t ，M． ＆ Ma l l e t t ，C． Go a f g a s f l o w me - c h a ni c s a n d de v e l o pme n t o f g a s a n d S po n c o m c o nt r o l s t r a t e g i e s a t a h i g h l y g a s s y m i n e [ J ] ．C o a l a n d S a f e t y ． 2 0 02， 203 5- 45 [ 2 ] R e n ，T ． X． ，E d w a r d s ， J ． s ．＆J o z e f o w i e z ，R ． R ．C F D mo d e l i n g o f m e t h a n e f l o w a r o u n d l o n g w a l l c o a l f a c e s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 6 t h I n t e r n a t i o n a l Mi n e V e n t i l a t i o n C o n ． g r e s s，Pi t t s bu r g h，1 9 9 7，1 7- 2 2 [ 3 ] We n d t ， M．＆ B al u s u ， R ． C F D m o d e l i n g o f l o n g w a l l g o af g a s fl o w d y n a m i c s[ J ] ．C o a l a n d S af e t y ．2 0 0 2 ，2 0 1 7 3 4 [ 4 ] L i m i n g Y u a n ， A l e x C ． S m i t h ．N u m e r i c a l s t u d y o n e f f e c t s o f c o a l pr o pe r t i e s o n s p o n t a ne o us he a t i ng i n l o n g wa l l g oaf a r e a s [ J ] ．F u e l ， 2 0 0 8 ， 8 7 1 5 1 6 3 4 0 9 3 4 1 9 [ 5 ] 王凯等， 吴伟阳．J 型通风综放采空区流场与瓦斯运 移数值模 拟[ J ] ．中国矿业 大学 学报 ，2 0 0 7 ， 3 6 3 27 7- 28 2 W ANG Ka i ， WU W e i y a n g． Nume r i c a l S i mul a t i o n o f Fl 【 w Fi e l d a nd Gas T r a ns p o rta t i o n i n Goa f o f Fu l l y Me c h a n i z e d S u b - L e v e l C a v i n g F a c e w i t h J - S h a p e Ve n t i l a t i o n S y s t e m[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ T e c h n o l o g y ．2 0 0 7 ， 3 6 3 2 7 7 2 8 2 [ 6 ] 胡下庭 ， 梁运培等．采空区瓦斯流动规律的 C F D模拟 一 “一⋯ ”- [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 7 H U Q i a n t i n g ，L I A N G Y u n p e i ，L I U J i a n - z h o n g ．C F D s i m u l a t i o n o f g o a l g a s fl o w p a t t e r n s [ J ] ．J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 2 7 [ 7 ] 俞启香， 王凯， 杨胜强． 中国采煤工作面瓦斯涌出规律 及其控制研究 [ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 1 9． 1 4 Y U Q i x i a n g ， WA N G K a i ， Y A N G S h e n g q i a n g ．S t u d y o n p a t t e rn a n d c o n t r o l o f g a s e mi s s i o n a t c o a l f a c e i n Ch i n a [ J ] ．J o u rna l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n gT e c h n o l o ． gy， 2 0 0 0， 2 9 1 9 - 1 4 [ 8 ] 丁广骧． 矿井大气与瓦斯三维流动[ M] ． 徐州 中国矿 业大学出版社 ， 1 9 9 6 7 7 8 0 [ 9 ] 蒋曙光．综放采场瓦斯运移规律三维模 型试 验及 数值 模拟的研究[ D] ， 徐州 中国矿业大学，1 9 9 4 [ 1 0 ] 屈庆栋， 许家林 ， 钱鸣高． 关键层运动对邻近层瓦斯 涌出影响的研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7， 2 6 7 1 4 7 9 1 4 8 3 Q U Q i n g d o n g ，X U J i a l i n ，Q I A N Mi n g g a o ．S t u d y O H i n flu e n c e s o f k e y s t r a t a mo v e me nt o n g a s e mi s s i o ns o f a d j a c e n t l a y e r s [ J ] ．C h i n e s e J o u rna l o f R o c k M e c h a n i c s n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 2 6 7 1 4 7 8 - 1 7 8 4 [ 1 1 ] 汪银华， 文虎， 魏引尚．高瓦斯大倾角煤层综放面采 空区火灾治理[ J ] ．中国安全生产科学技术， 2 0 0 8 ， 4 3 2 2 - 2 5 WANG Yi n h u a，WEN Hu， WEI Yi n s h a n g． Ma na g e me n t o n fi r e i n e mpt y a r e a o f c o a l s e a m wi t h hi g h g a s a n d b i g o b l i q u i t y[ J ] ．J o u rna l o f S af e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 4 3 2 2 - 2 5 - 一 一 n 一 十一 一 ” ” ” 国家安全监管总局 印发安全生产检测检验机构 资质 审批程序 和资质评 审专家管理规则 的通知 2 0 1 1 年 1月 2 9日， 国家安全生产监督管理总局印发安全生产检测检验机构资质审批程序和资质评 审 专家管理规则的通知 安监总规划[ 2 0 1 1 ] 2 1号 。为进一步加强和规范安全生产检测检验机构资质审批工 作 ， 按照公开 、 公正 、 公平的原则 ， 依据有关法律法规 的规定 ， 国家安全监管总局制定 了 安全生产检测检验 机构资质审批程序 和 安全生产检测检验机构资质评审专家管理规则 。