论文部分内容阅读
摘 要：针对高瓦斯突出煤层工作面上隅角瓦斯易超限的技术难题，以邹庄矿3204工作面为工程背景，利用数值模拟、理论分析、现场实测的研究方法，对采空区埋管及无埋管条件下工作面及采空区瓦斯分布规律进行了研究。结果表明： 采空区埋管增加了上隅角瓦斯流动的通道，分流了采空区及工作面涌出的部分瓦斯，降低了上隅角及回风巷瓦斯浓度。据此，提出了采空区埋管为主，高位钻场抽采为辅的采空区瓦斯治理方案，现场实测验证了工作面高位钻场布置层位的合理性。工业性试验表明：采空区埋管为主，高位钻场抽采为辅的采空区瓦斯治理方案对实现采空区瓦斯治理具有积极意义。
关键词：采空区埋管;数值模拟;高位钻场抽采;瓦斯分布规律;瓦斯防治
中图分类号：TD712.6
文献标识码： A
瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，矿井瓦斯安全事故常常造成重大人员伤亡与经济损失[1]。据不完全统计，高瓦斯工作面回采过程中，采空区瓦斯涌出量约占工作面瓦斯涌出量的50%～60%[2-3]，采空区瓦斯治理属于工作面瓦斯治理的关键组成部分[4]。在采空区瓦斯治理方面，秦伟等[5]在辨别采空区瓦斯来源的基础上，对采空区瓦斯抽采钻孔进行了合理布置;胡胜勇等[6]揭示了采空区瓦斯运移特征，为采空区瓦斯治理提供了理论依据;丁厚成等[7-8]通过现场实验、数值模拟及理论分析等方法确定了瓦斯高抽巷的最佳布置方案。工程实践表明，掌握采空区瓦斯运移规律、合理选择瓦斯抽放技术是采空区瓦斯灾害防治的关键[9-10]。
本文以安徽神源煤化工有限公司邹庄矿3204工作面为研究背景，通过数值模拟、现场实测及理论分析等方法，揭示高瓦斯突出煤层工作面采空区瓦斯运移特征，提出适宜该工作面采空区瓦斯治理的技术措施，为类似条件采空区瓦斯治理提供依据和借鉴。
1 工程概况
安徽神源煤化工有限公司邹庄矿按照煤与瓦斯突出矿井设计，设计生产能力为240万t/a，矿井服务年限为50.3 a。3204工作面为邹庄矿首采工作面，工作面倾斜长度225 m，主采32煤层，煤层厚度2.5～3.6 m，平均3.3 m，原始煤层瓦斯压力为2.3 MPa，瓦斯含量为11.1 m3/t，为典型的高瓦斯突出煤层工作面。3204工作面推进过程中，采空区瓦斯涌出来源主要包括采空区遗煤及围岩涌出，采空区内的瓦斯分布特征与瓦斯扩散运动及风流作用有关。
2 采空区瓦斯运移规律的数值模拟
3204工作面采空区瓦斯流动主要考虑瓦斯中的CH4组分以及空气中的O2组分，不考虑采空区空间尺寸的动态变化，而是将某一回采时期进尺较大的采空区作为研究对象，采空区内部瓦斯含量较高，而且不断产生，采空区外部空气和瓦斯通过漏风流入采空区，采空区的部分瓦斯则通过漏风口或采空区埋管流出采空区。数值模拟过程中，不考虑工作面回采引起的顶底板裂隙，瓦斯和空气等气体的流动空间为采空区、工作面和回采巷道。鉴于以上瓦斯流动条件，利用Fluent模拟采空区瓦斯运移规律，归结为三维的多孔介质流动问题。为简化问题，本研究对采空区瓦斯流动模型作了如下规定和假设：
5 结论
（1）通过Fluent数值模拟分析了3204工作面及采空区瓦斯三维分布及瓦斯流动特征，得到：“U”型通风条件下，采空区瓦斯质量分数沿采空区深度方向逐渐增加，在采空区最深处及工作面上隅角处分别达到最大值。
（2）与采空区无埋管条件下瓦斯质量分数的分布相比，埋管条件下采空区深处瓦斯浓度重新分布，峰值影响范围明显降低，同时扩大了工作面附近采空区瓦斯低值区域，降低了工作面及回风巷处的瓦斯浓度，采空区埋管对于治理采空区及上隅角瓦斯浓度超限具有积极意义。
（3）采空区埋管瓦斯抽采技术可以使采空区瓦斯浓度下降4.27%，降低程度为45.57%，效果比较显著。高位钻场抽采方案达到了抽采效果，降低了瓦斯浓度。
（4）实测了工作面回采期间采空区瓦斯浓度、回采期间上隅角瓦斯浓度、高位钻场瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度，综合分析了瓦斯治理效果。得出以采空区埋管为主，高位钻场抽采为辅的采空区瓦斯治理技术方案，并为以后瓦斯治理工作提供借鉴。
参考文献：
[1]付建华，程远平.中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策[J].采矿与安全工程学报，2007，24（3）：253-259.
[2]俞启香，程远平.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2012：80-88.
[3]程远平，周德永，俞启香，等. 保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23（1）：12-18.
[4]凡永鹏，王钰博.塔山矿特厚煤层综放面采空区瓦斯治理措施研究[J].中国安全科学学报，2016，26（12）：116-121.
[5]秦伟，许家林，彭小亚，等.老采空区瓦斯抽采地面钻井的井网布置方法[J].采矿与安全工程学报，2013，30（2）：289-295.
[6]胡胜勇，张甲雷，冯国瑞，等.煤矿采空区瓦斯富集机制研究[J].中国安全科学学报，2016，26（2）：121-126.
[7]丁厚成，马超.走向高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟与试验分析[J].中国安全生产科学技术，2012，8（5）：5-10.
[8]武磊，毛桃良.黄岩汇煤矿高抽巷的最佳位置选择[J].中国矿业，2012，21（10）：105-108.
[9]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京： 煤炭工业出版社，2000：245-248.
[10]林柏泉， 崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中國矿业大学出版社， 1998：169-172.
[11]王兆丰，李宏，杨宏民，等.采空区瓦斯治理及利用实践[J].煤炭科学技术，2011，39（04）：55-59，113.
[12]王兆丰，田富超，赵彬，等.羽状千米长钻孔抽采效果考察试验[J].煤炭学报，2010，35（1）：76-79.
（责任编辑：周晓南）
关键词：采空区埋管;数值模拟;高位钻场抽采;瓦斯分布规律;瓦斯防治
中图分类号：TD712.6
文献标识码： A
瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，矿井瓦斯安全事故常常造成重大人员伤亡与经济损失[1]。据不完全统计，高瓦斯工作面回采过程中，采空区瓦斯涌出量约占工作面瓦斯涌出量的50%～60%[2-3]，采空区瓦斯治理属于工作面瓦斯治理的关键组成部分[4]。在采空区瓦斯治理方面，秦伟等[5]在辨别采空区瓦斯来源的基础上，对采空区瓦斯抽采钻孔进行了合理布置;胡胜勇等[6]揭示了采空区瓦斯运移特征，为采空区瓦斯治理提供了理论依据;丁厚成等[7-8]通过现场实验、数值模拟及理论分析等方法确定了瓦斯高抽巷的最佳布置方案。工程实践表明，掌握采空区瓦斯运移规律、合理选择瓦斯抽放技术是采空区瓦斯灾害防治的关键[9-10]。
本文以安徽神源煤化工有限公司邹庄矿3204工作面为研究背景，通过数值模拟、现场实测及理论分析等方法，揭示高瓦斯突出煤层工作面采空区瓦斯运移特征，提出适宜该工作面采空区瓦斯治理的技术措施，为类似条件采空区瓦斯治理提供依据和借鉴。
1 工程概况
安徽神源煤化工有限公司邹庄矿按照煤与瓦斯突出矿井设计，设计生产能力为240万t/a，矿井服务年限为50.3 a。3204工作面为邹庄矿首采工作面，工作面倾斜长度225 m，主采32煤层，煤层厚度2.5～3.6 m，平均3.3 m，原始煤层瓦斯压力为2.3 MPa，瓦斯含量为11.1 m3/t，为典型的高瓦斯突出煤层工作面。3204工作面推进过程中，采空区瓦斯涌出来源主要包括采空区遗煤及围岩涌出，采空区内的瓦斯分布特征与瓦斯扩散运动及风流作用有关。
2 采空区瓦斯运移规律的数值模拟
3204工作面采空区瓦斯流动主要考虑瓦斯中的CH4组分以及空气中的O2组分，不考虑采空区空间尺寸的动态变化，而是将某一回采时期进尺较大的采空区作为研究对象，采空区内部瓦斯含量较高，而且不断产生，采空区外部空气和瓦斯通过漏风流入采空区，采空区的部分瓦斯则通过漏风口或采空区埋管流出采空区。数值模拟过程中，不考虑工作面回采引起的顶底板裂隙，瓦斯和空气等气体的流动空间为采空区、工作面和回采巷道。鉴于以上瓦斯流动条件，利用Fluent模拟采空区瓦斯运移规律，归结为三维的多孔介质流动问题。为简化问题，本研究对采空区瓦斯流动模型作了如下规定和假设：
5 结论
（1）通过Fluent数值模拟分析了3204工作面及采空区瓦斯三维分布及瓦斯流动特征，得到：“U”型通风条件下，采空区瓦斯质量分数沿采空区深度方向逐渐增加，在采空区最深处及工作面上隅角处分别达到最大值。
（2）与采空区无埋管条件下瓦斯质量分数的分布相比，埋管条件下采空区深处瓦斯浓度重新分布，峰值影响范围明显降低，同时扩大了工作面附近采空区瓦斯低值区域，降低了工作面及回风巷处的瓦斯浓度，采空区埋管对于治理采空区及上隅角瓦斯浓度超限具有积极意义。
（3）采空区埋管瓦斯抽采技术可以使采空区瓦斯浓度下降4.27%，降低程度为45.57%，效果比较显著。高位钻场抽采方案达到了抽采效果，降低了瓦斯浓度。
（4）实测了工作面回采期间采空区瓦斯浓度、回采期间上隅角瓦斯浓度、高位钻场瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度，综合分析了瓦斯治理效果。得出以采空区埋管为主，高位钻场抽采为辅的采空区瓦斯治理技术方案，并为以后瓦斯治理工作提供借鉴。
参考文献：
[1]付建华，程远平.中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策[J].采矿与安全工程学报，2007，24（3）：253-259.
[2]俞启香，程远平.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2012：80-88.
[3]程远平，周德永，俞启香，等. 保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23（1）：12-18.
[4]凡永鹏，王钰博.塔山矿特厚煤层综放面采空区瓦斯治理措施研究[J].中国安全科学学报，2016，26（12）：116-121.
[5]秦伟，许家林，彭小亚，等.老采空区瓦斯抽采地面钻井的井网布置方法[J].采矿与安全工程学报，2013，30（2）：289-295.
[6]胡胜勇，张甲雷，冯国瑞，等.煤矿采空区瓦斯富集机制研究[J].中国安全科学学报，2016，26（2）：121-126.
[7]丁厚成，马超.走向高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟与试验分析[J].中国安全生产科学技术，2012，8（5）：5-10.
[8]武磊，毛桃良.黄岩汇煤矿高抽巷的最佳位置选择[J].中国矿业，2012，21（10）：105-108.
[9]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京： 煤炭工业出版社，2000：245-248.
[10]林柏泉， 崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中國矿业大学出版社， 1998：169-172.
[11]王兆丰，李宏，杨宏民，等.采空区瓦斯治理及利用实践[J].煤炭科学技术，2011，39（04）：55-59，113.
[12]王兆丰，田富超，赵彬，等.羽状千米长钻孔抽采效果考察试验[J].煤炭学报，2010，35（1）：76-79.
（责任编辑：周晓南）