3001工作面采空区瓦斯抽采流场研究

2020-01-15赵贺

山西煤炭 2019年4期

赵贺

(中煤第一建设有限公司,河北邯郸 056022)

1 概述

根据山西省煤矿矿井瓦斯等级鉴定报告,七一新发煤业有限公司相对瓦斯涌出量为18.59 m3/t,绝对瓦斯涌出量为44.66 m3/min,回采工作面最大瓦斯涌出量为18.33 m3/min,掘进工作面最大瓦斯涌出量为3.99m3/min,瓦斯等级为高瓦斯矿井。其中影响工作回采的安全隐患主要是采空区瓦斯,由于采空区瓦斯较高造成工作面上隅角瓦斯超限,为确保矿井安全高效生产以3001工作面为例对采空区瓦斯抽采进行了研究。

2 3001工作面概况及抽采理论分析

3001工作面长170 m,有效推进长度为850 m,煤层倾角5°,煤层平均厚度为2.91 m,采用综采一次采全高采煤工艺,走向长壁采煤方法,全部垮落法控制顶板。工作面日循环进尺为3.6 m,周期来压为25 m左右。

工作面采空区是一个相对密闭的空间,在没有外部干扰的情况下气流运移速度较慢,根据采空区内气体特性和工作面风流的影响,因此采空区的气流运移规律符合达西定律,运移速度公式为[1-2]:

3 实验室模拟

3.1 原理

模拟采空区中的气流采用细粒度的锯末覆盖在燃烧状态下的木炭阻止其燃烧产生的烟气,烟气的性质与采空区气体相似,在发烟器的作用下通过阀门控制气体的大小,经过冷却装置使得烟气的温度接近采空区气体的温度,在风机的作用下烟气通过管路进入采空区模型,其中管路中间设有检测烟气流速的补偿微压计[3-5]。实验原理如图1所示。

图1 实验原理图Fig.1 Experiment schematic diagram

3.2 采空区模型

根据3001工作的实际情况和相似原理将采空区模型[6]制作成为长1 700 mm、宽1 200 mm、高291 mm,如图2所示。采空区模型上部采用透明玻璃覆盖,为了方便观测，玻璃上画有100 mm×100 mm的方格。工作面断面为500 mm×291 mm,工作面进风巷和回风巷的断面均为400 mm×291 mm。采空区垮落矸石模型采用黑色泡沫，按照矸石垮落的规律，距离工作面的越远孔隙率越小,中间到两巷的孔隙率逐渐增大。

图2 采空区模型Fig.2 Model for goaf

3.3 实验模拟

首先对未进行采空区瓦斯抽采时采空区瓦斯分部规律进行模拟,发烟器产生的烟气能够稳定10 min,通过调节阀门将模拟工作面的风速控制在2.2 m/s,烟气在风流的作用下在采空区模型中形成有规律的分部,在此过程中通过录像机和彩笔相互印证记录烟气的分部区域如图3所示。横坐标为工作面长度以m为单位,0刻度为进风巷;纵坐标为采空区距工作面的深度以m为单位。由图3可以看出,1号边界线远离工作面的区域气体基本不流动;1号线和2号线之间的区域的烟气浓度较大,可以看出该区域为瓦斯易集聚的区域;2号线与工作面之间的区域烟气流动性较强不会产生瓦斯集聚。因此瓦斯抽采的关键区域为1号线与2号线之间的区域。

图3 模拟工作面风速为2.2 m/s时采空区流场Fig.3 Flow field in goaf with air speed 2.2 m/s in simulated working face

根据上图实验模拟的结果,并结合3001工作面采空区瓦斯情况和相似规律计算,在回风侧埋入抽放管路模型,将抽采速度控制在7 m/s,管径为27 mm,抽采管路伸入采空区100 mm。其他操作重复上述模拟过程。烟气分部区域如图4所示。

图4 模拟回风巷道内增加抽放管路后采空区流场Fig.4 Flow field in goaf after adding drainage pipelines in simulated roadway

根据上述实验记录结果可以看出,增加瓦斯抽放管路模型后,1号线与2号之间的区域大大缩小,即瓦斯集聚区域大大缩小,1号线的峰值朝着回风侧巷道移动了100 mm,靠近回风侧的烟气流通性增强。

4 现场验证

结合上述实验室模拟结果和3001工作面回采速度为3.6 m/d、采空区瓦斯涌出量和顶板垮落情况,对采空区采取地压埋管抽采如图5所示,在3001工作面回风顺槽埋管采用矸石装袋将采空区密闭,砌三道墙,墙与墙之间的间隔为4.5 m,抽采管路伸入采空区的深度为10 m,同时在砌筑最外侧的墙时将第2根抽采管路埋入,根据工作面向前推移待第二根管路埋入采空区10 m时开始抽采,第一根管路关闭,具体管路参数如表1所示。