沙曲矿采空区瓦斯抽采相似模拟实验研究＊

张浩然赵耀江谢生荣

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

沙曲矿采空区瓦斯抽采相似模拟实验研究＊

张浩然1赵耀江1谢生荣2

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

为了有效治理沙曲矿综采工作面采空区瓦斯隐患,依据流动相似理论和几何相似规律,在实验室建立了比例为1∶50的相似模拟通风系统及采空区模型。模型通过采用“U+L”型通风系统,得到了瓦斯在采空区内的分布特征,确定了综采工作面采空区瓦斯移动规律,该实验结果被应用于确定沙曲矿采空区瓦斯高位钻孔的位置。应用结果表明,根据模拟的结果布置的钻孔瓦斯抽采量稳定,效果显著。

采空区瓦斯 高抽钻孔 相似模拟 运移规律

1 矿井概况

离柳矿区位于山西省西部河东煤田中段,井田煤系地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,共发育15层煤。煤层平均厚度为2.45 m。其中沙曲矿的4#煤层及其上、下邻近层原始平均瓦斯含量为30 m3/t左右。该矿先后探索了多种瓦斯抽采方法,但采空区瓦斯抽采效果均不佳,大量未能抽采出的瓦斯集中涌入综采工作面,导致上隅角和回风流中瓦斯浓度经常超限,严重影响了矿井安全生产。

2 理论基础及模型的建立

2.1 采空区瓦斯运移相似准则

瓦斯运移的基本方程为:

式中:Dij——扩散系数,m2/s;

Vi——平均速度分量,m/s;

C——采空区瓦斯质量浓度,g/m3;

I——采空区顶底板单位面积的瓦斯涌出速率,g/m3·s。

本模拟实验中所依据的瓦斯运移准则为雷诺准则、佛汝德准则、贝克列准则和瓦斯流量准则。其中,佛汝德准则中重力起主要作用,而对于受迫流动,重力影响可以忽略;由于实验条件的限制,要使模型和实型中的雷诺数Re数值相等很困难,在单值条件相似的前提下,只要保证Re满足自模化要求即可,从而保证模型和实型中流体的流动状态相似;贝克列准则是对流瓦斯运移和动力弥散瓦斯运移之比,在保证渗流场相似的条件下,贝克列准则可得到满足;瓦斯流量准则是采空区瓦斯涌出量与对应瓦斯运移量之比,在流动和瓦斯涌出稳定的条件下,瓦斯流量准则自动得到满足。

2.2 实验模型的建立

据前文相似理论,本实验用空气作流动介质,将井下风流的流动看做有压稳定流,建立模型和原型间的相似关系,在满足几何相似的基础之上,确保动力相似和运动相似。整个通风系统及采空区模型主要参考沙曲矿14205综采面的实际情况,模型构建见图1。

图1 相似模拟通风系统及采空区效果图

模型的具体设计如下。

(1)实验模型主要有模型主体(巷道、工作面及采空区)、通风机及附属装置、瓦斯源系统、测试系统和采集系统多个部分。

(2)模型具体比例为1∶50,模型采空区尺寸4.32 m×4.16 m×0.2 m,工作面长度4.0 m,断面尺寸为0.09 m×0.05 m,工作面倾斜角度为8°,区段巷道尺寸为0.08 m×0.06 m。

(3)模型巷道的实测风速为3 m/s,风流流态为安全紊流。

(4)模型采用钢管、钢板焊接而成,顶部为8mm厚的钢化玻璃覆盖。

(5)为充分反映现场岩性特征,根据矿压理论划分了“横三区,竖三带”,将粒度不等的破碎煤体、岩石及废矸分区、分带堆放在相似模拟采空区,以达到与实际采空区相似的目的,满足区、带理论的渗透特性。

(6)为了模拟邻近层和工作面及采空区的瓦斯涌出及其运移规律,模型底板预先铺设了数条供气管道,并可以通过阀门调节来控制瓦斯涌出量。

(7)实验前,采空区内设64个测点,并在工作面的上、下隅角分别专设了气体采样点,具体测点布置情况如图2所示。

图2 实验中特征气体检测点布置图

3 实验数据的收集与分析

经反复测定得到稳定结果,相似模拟瓦斯浓度等值图见图3。

图3 相似模拟采空区瓦斯浓度等值线图

从实验抽采的数据可以看出:沿工作面走向方向,测点的瓦斯浓度在相似模拟采空区浅部变化幅度较小,但随着深度的增加而增加,并在距离工作面135 cm测点处急剧变大,最终在243 cm测点之后趋于稳定,达65%左右,如图3所示。沿着工作面倾斜方向,从进风侧到回风侧,测点的瓦斯浓度总趋势逐渐增大,这是由于采空区漏风和通风压力共同作用的结果;沿煤层底板竖直向上方向,测点瓦斯浓度在模拟采空区的顶端达到最高值。表1为最顶端测点组所得结果。

表1 相似模拟采空区瓦斯浓度测定数据%

4 工程应用

矿山岩层理论指出:工作面采空区由浅至深部依次存在煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。重新压实区已经压实,煤壁支撑影响区变化较快,都不利于瓦斯抽采,而离层区存在的裂隙较大,是瓦斯抽采的理想区域。覆岩产生变形移动自下而上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。弯曲下沉带无明显采动裂隙,冒落带已经垮落,均不利于瓦斯抽采,而裂隙带采动裂隙较大,是瓦斯抽采的合理地带。因此,参照实验结果,综合考虑沙曲矿14205综采工作面实际瓦斯涌出量,初步确定3个顶板裂隙钻孔布置在距煤层顶板垂高24～28 m范围内,间距40 m左右,具体的抽采孔位置随工作面的变化而变化,让其始终保持在距工作面40 m处。另外3个高位钻孔位于开采煤层顶板10～25 m内,回风侧水平距离10～30 m范围内,布置在距离工作面60 m处,具体设计如图4所示。

图4 采空区瓦斯抽采钻孔布置图

为了验证相似模拟采空区瓦斯抽采实验的结论和14205综采面瓦斯抽采的效果,实验组对实验后的上隅角、回风巷和尾巷进行了现场实测,结果表明:三者的瓦斯浓度一直稳定在《煤矿安全规程》的允许值以下。

5 结论

采空区瓦斯抽采技术的关键在于准确定位抽采位置。本文通过采用在实验室建立相似模拟实验模型的方法,较准确地得到了采空区瓦斯浓度分布规律。从矿压理论的角度来看,实验结果证明了离层区和裂隙带是采空区瓦斯发育的理想区域,更是抽采的核心地带。根据实验结果来布置抽采钻孔位置,达到了对采空区深部瓦斯涌出的截流目的,避免了上隅角瓦斯大量堆积,为矿井安全高效生产创造了条件,也为其他矿井的瓦斯抽采治理提出了值得借鉴的方案。

[1]袁亮,刘泽功.淮南矿区开采煤层顶板抽采瓦斯技术的研究[J].煤炭学报,2003(4)

[2]赵耀江,温百根.高瓦斯煤层群顶板大直径千米钻孔抽采技术[J].煤炭学报,2009(6)

[3]王红刚.采空区漏风流场与瓦斯运移的叠加方法研究[D].西安:西安科技大学,2009

[4]钱鸣高等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

(责任编辑 梁子荣)

Similarity simulation experimental study on gas drainage from goaf in Shaqu Coal Mine

Zhang Haoran1,Zhao Yaojiang1,Xie Shengrong2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China;2.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Minging&Technology(Beijing),Haidian,Beijing 100083,China)

In order to control the gas trouble hidden in goaf of the fully mechanized working face,and to accurately locate drainage hole,a similarity simulation model was established in the laboratory with a scale of 1∶50 for the ventilation system and goaf in full-mechanizedmining working face according to Flow Similarity Theory and Geometry Similitude Rule(GSR).Using U+L-shape ventilation system,the characteristics of index gas distribution in different space and the gas movement law in goaf were gained.Based on experimental results,the accurate location of boreholes was determined for gas drainage in goaf in Shaqu coalmine.The results show that the layouts of actual drainage boreholes are rational and effective with a result of stability gas drainage,reaching a good gas drainage effect.

goaf gas,high-level borehole,simulation experiment,movement law

TD712.6

A

中央高校基本科研业务费专项资金(2010QZ06)。

张浩然(1985-),辽宁抚顺人,硕士研究生,主要从事矿井设计、矿井灾害治理等方面的研究。