巷幫立式預(yù)埋管抽放法治理隅角瓦斯

李鳳儀, 單麒源

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

巷幫立式預(yù)埋管抽放法治理隅角瓦斯

李鳳儀1, 單麒源2

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為排除隅角瓦斯的安全隱患,通過對(duì)上隅角瓦斯來源、采空區(qū)瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析,提出了巷幫立式預(yù)埋管抽放方法。在與其他抽放方法對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了借助輔助措施的聯(lián)合治理方案。經(jīng)過雙鴨山集賢煤礦生產(chǎn)實(shí)踐,結(jié)果表明,該方法施工工藝簡(jiǎn)單、成本低、安全可靠、易于管理,有效地治理了隅角瓦斯,保證了采煤工作面安全生產(chǎn),提高了開機(jī)率,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行。

隅角瓦斯;立式埋管;瓦斯抽放

Abstract:This paper is a imed at eliminating potential dangers associated with upper corner gas,by analyzing goaf gas characteristics ofmotion,and developing the method of vertical buried pipe gas drainage in roadsides.The paper proposes some auxiliarymeasures,following the comparison with othermethods used for gas drainage.The practices in Jixian mine of Shuangyashan show that thismethod exhibiting a simpler process,a lower cost,a safer and more reliable system,and an easiermaintenance ismore capable of an effective control of the upper corner gas,which serves to ensure safe production in coal face and increase the operation rate,and proves feasible technically and economically.

Key words:gas in upper corner;vertical buried pipe;gas drainage

工作面上隅角是采空區(qū)風(fēng)流漏風(fēng)匯集處,由于瓦斯的上浮運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),采空區(qū)瓦斯向外逸散,造成上隅角瓦斯積聚。上隅角還是工作面風(fēng)流轉(zhuǎn)彎處,易形成渦流區(qū),積聚的瓦斯難以被風(fēng)流帶走,是瓦斯超限的多發(fā)性區(qū)域,是煤礦安全的重大隱患,直接影響采煤機(jī)開機(jī)率,制約生產(chǎn)。國內(nèi)現(xiàn)有隅角瓦斯治理方法主要有仰角鉆抽放[1]、抽放巷道[2]、埋管抽放。為了達(dá)到更好的抽放效果,筆者通過對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律等多方面分析,在原有埋管抽放的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),采用巷幫立式預(yù)埋管抽放方法治理隅角瓦斯。

1 巷幫立式預(yù)埋管抽放

隅角瓦斯主要來源于采空區(qū)瓦斯,要解決隅角瓦斯,首先要解決采空區(qū)瓦斯。冒落巖石充填了采空區(qū)中部,形成 O形圈。采空區(qū)一部分瓦斯被排擠到未被充實(shí)的采空區(qū)邊界,造成這一區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。由于這一區(qū)域未被充實(shí),瓦斯流動(dòng)性較強(qiáng),很容易伴隨采空區(qū)風(fēng)流逸散到工作面,造成隅角瓦斯超限。巷幫立式預(yù)埋管抽放可以有效治理采空區(qū)邊界區(qū)域內(nèi)濃度和流動(dòng)性較高的瓦斯。

首先在巷幫上施工一個(gè)豎直的煤槽,然后將抽放管嵌入煤槽中,再將抽放管與總抽放管路連接,最后形成抽放系統(tǒng),同時(shí)在管路的采空區(qū)側(cè)設(shè)置閥門,控制抽放能力。巷幫立式預(yù)埋管抽放施工示意見圖1。

圖 1 巷幫立式預(yù)埋管抽放示意Fig.1 Schematic of vertical buried pipe gas dra inage in roadsides

抽放管的直徑為 200 mm,煤槽寬度 300 mm,左右各預(yù)留 50 mm固定抽放管。煤槽高度等于巷道高度,預(yù)留 200 mm的保護(hù)距離,防止冒落巖石砸堵抽放管。抽放管頂部為抽放口,中部用兩條鋼帶固定。抽放管的水平間距根據(jù)采空區(qū)瓦斯?jié)舛?、抽放口?fù)壓等因素調(diào)整,一般可設(shè)置為 20 m。隨著工作面推進(jìn),抽放管被遺放在采空區(qū)。

2 抽放特點(diǎn)與對(duì)比分析

2.1 抽放特點(diǎn)

巷幫立式預(yù)埋管抽放有以下四個(gè)特點(diǎn):

(1)增加了抽放管路高度,符合瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),提高了瓦斯抽放范圍,降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛?。同時(shí)抽放管路距與隅角水平距離較近,隅角被納入抽放范圍,從而解決隅角瓦斯問題。

(2)抽氣口產(chǎn)生的負(fù)壓致使采空區(qū)含有瓦斯的風(fēng)流向抽放口積聚,防止采空區(qū)瓦斯向工作面逸散。

(3)頂板冒落時(shí),部分瓦斯瞬時(shí)被排擠到采空區(qū)上下邊界,巷幫立式預(yù)埋管抽放可以有效抽放這部分瓦斯,防止瓦斯突然超限。

(4)抽放管路鑲嵌入巷幫,可減少頂板冒落巖石對(duì)抽放管路的損壞,提高抽放系統(tǒng)可靠性。

2.2 抽放方法比較

與普通埋管抽放對(duì)比,該方法提高了抽放口位置,擴(kuò)大了抽放范圍,改變了抽房管的設(shè)置方式,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,更加快速有效地治理采空區(qū)瓦斯。

與仰角鉆或高位鉆場(chǎng)抽放對(duì)比,仰角鉆工作量大,鉆機(jī)作業(yè)條件要求高且工序繁復(fù),需要配備專職人員,成本高。在打鉆過程中,由于鉆桿剛度、自身重量和巖石硬度變化,導(dǎo)致鉆孔產(chǎn)生孔斜誤差[3],而這種誤差很難減少,使得抽放位置不準(zhǔn)確,達(dá)不到理想的抽放效果。該方法可以彌補(bǔ)上述不足。

與抽放巷道對(duì)比,該方法減少了巷道掘進(jìn)工作量,節(jié)省了巷道維護(hù)費(fèi)用,施工工期短,系統(tǒng)組建迅速,可應(yīng)對(duì)突發(fā)性隅角瓦斯超限。

2.3 其他措施聯(lián)合治理

為了更好地治理隅角瓦斯,還可以選用其他措施聯(lián)合治理[4]:

(1)降低煤層瓦斯含量?？刹捎帽久簩油咚钩榉?、鄰近煤層瓦斯抽放和開采解放層等技術(shù)措施。該方法優(yōu)點(diǎn)是適用于瓦斯含量高,僅采用通風(fēng)方法難以解決問題時(shí)。

(2)改變工作面通風(fēng)系統(tǒng)?？刹捎谩癦”、“Y”和“W”形通風(fēng)或工作面留尾巷。該方法適用于煤層瓦斯含量不高的情況?？梢约哟箫L(fēng)量配合使用,同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)煤層自燃發(fā)火的防治。

(3)采用下行通風(fēng)、改用俯向偽傾斜推面方式回采,以及改變回采工作面的控頂方式,增加工作面的控頂距離,利用瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)使瓦斯向采空區(qū)深部移動(dòng)。

(4)采用局扇、導(dǎo)風(fēng)簾等方法,迫使一部分風(fēng)流流經(jīng)工作面上隅角,將上隅角瓦斯稀釋排出。

3 巷幫立式預(yù)埋管抽放口負(fù)壓核定

雙鴨山集賢煤礦在回采 4109左一片時(shí),最高風(fēng)量配到 840 m3/min,最大瓦斯涌出量 3.6 m3/min,雖采用了仰角鉆排放工程,但隅角處也時(shí)常出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

造成 4109采區(qū)瓦斯超限的主要原因有以下幾點(diǎn):

(1)4109采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,經(jīng)常遇到斷層。在采面正常供風(fēng)的情況下,工作面隅角的瓦斯量還經(jīng)常達(dá) 1%以上。

(2)單純靠增加風(fēng)量來解決瓦斯超限問題十分困難。巷道風(fēng)速超限給防塵工作帶來諸多不利因素,同時(shí)也不利于安全生產(chǎn)。并且集中皮帶道是4109采區(qū)的主要回風(fēng)道,由于巷道斷面小,加之有皮帶頭等設(shè)備影響,最小斷面僅有 4 m2,增加風(fēng)量也有一定難度。

(3)因瓦斯問題時(shí)常制約生產(chǎn)。在回采 4109左一片時(shí),由于工作面瓦斯超限,經(jīng)常造成 3604工作面停產(chǎn),直到瓦斯?jié)舛冉档?1%以下時(shí),方能恢復(fù)生產(chǎn)。

3.1 采空區(qū)埋管抽放支線管路的鋪設(shè)

埋管抽放瓦斯管路:3604工作面下料道 (管徑200 mm、管路長 980 m)→回風(fēng)道 (管徑 200 mm、管路長 280 m)→中一下回風(fēng)道 (管徑 200 mm、管路長260 m)→井下移動(dòng)瓦斯泵站 (管徑 273 mm、管路長50 m)→井下移動(dòng)泵站排氣管路 (管徑 273 mm、管路長 50 m)→中一下山采區(qū)回風(fēng)道。

3.2 管路負(fù)壓損耗計(jì)算

工作面瓦斯最大絕對(duì)涌出量為 15.6 m3/min,配風(fēng)量為 900 m3/min,抽放瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為28%,設(shè)計(jì)管路流量為 Q=28 m3/min,管路直徑D=200 mm,抽放管路長度 L=1 570 m。

管路負(fù)壓損耗基本方程[5]為

式中:ρ——管內(nèi)混合氣體密度,0.716 kg/m3;

K——管道負(fù)壓損耗系數(shù)。

將式 (2)帶入式 (1)中,Q的單位換成 m3/h,D的單位換成 cm,則

管道負(fù)壓損耗系數(shù)方程

式中:Δ——管道內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度,取 0.017 cm;

n——瓦斯黏稠度,取 14.095 ×10-6m2/s。

由式 (4)計(jì)算得 K=0.020 36。將 K代入式(3),計(jì)算得Δp=12.63 kPa。則管路局部負(fù)壓損耗

管路總負(fù)壓損耗

3.3 抽放口負(fù)壓核定

抽放口負(fù)壓 pc=pb-ΔpT,pb為抽放泵負(fù)壓,為85 kPa,pc=69.84 kPa。煤礦安全規(guī)程規(guī)定抽放口負(fù)壓不得小于 13 kPa,69.84 kPa>13 kPa,滿足抽放口負(fù)壓要求。

4 抽放管抽放面積估算與采空區(qū)風(fēng)速模擬

4.1 抽放管抽放面積估算

3604工作面煤厚 1.8 m,頂板巖石碎漲系數(shù)取1.5,經(jīng)計(jì)算,當(dāng)頂板冒落高度為 3.6 m時(shí),采空區(qū)將被冒落巖石充滿并接頂。采空區(qū)的孔隙率為 33.33%,該區(qū)域 1 m2含氣體體積為 1.8 m3。以 20 min作為一個(gè)抽放時(shí)段,20 min內(nèi)抽放管可以抽放采空區(qū)氣體 560 m3,則 20 min內(nèi)抽放面積可估算為311 m2,抽放半徑為 10 m。抽放截面示意見圖 2。

圖 2 抽放截面示意Fig.2 Schematic cross section of buried pipe gas dra inage in roadsides

4.2 采空區(qū)風(fēng)速數(shù)值模擬

Fluent是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè)計(jì)算流體力學(xué) (簡(jiǎn)稱 CFD)軟件包之一,用于模擬和分析復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象[6]。設(shè)定抽放負(fù)壓為 69.84 kPa,流量為 28 m3/min。用 Gambit[7]軟件作前處理,將采空區(qū)劃分成網(wǎng)格,見圖 3;然后Fluent開始計(jì)算模擬;最后用 Tecplot后處理軟件,描繪風(fēng)速等值線,見圖 4。

y軸為采空區(qū)邊界坐標(biāo),單位 m,x軸為工作面坐標(biāo),單位 m。從圖 4中可以看出,抽放口的最大吸氣速度為 11.5 m/s,隨著距離增大,速度逐漸衰減。

實(shí)施巷幫立式預(yù)埋管抽放前 3604工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.8%～0.9%,實(shí)施巷幫立式預(yù)埋管抽放技術(shù)后上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.3%～0.5%,此后,抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定,達(dá)到較好的治理效果。

5 結(jié)束語

煤礦安全是全國安全生產(chǎn)工作的重中之重,做好煤礦安全生產(chǎn)意義重大。因此,制定有效合理的瓦斯抽放措施是十分必要的。巷幫立式預(yù)埋管抽放根據(jù)采空區(qū)瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律,提高了抽放口的位置,避免了采空區(qū)垮落對(duì)抽放系統(tǒng)可靠性的影響,有效地降低采空區(qū)邊界區(qū)域的瓦斯?jié)舛?避免采空區(qū)瓦斯向工作面逸散,最終防止隅角瓦斯超限,排除了安全隱患,保證了工作面安全、穩(wěn)定生產(chǎn),在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行,獲得了良好的社會(huì)效益。

[1] 賈寶財(cái),紀(jì)道榮,韓玉發(fā).頂板高抽鉆孔抽放瓦斯的應(yīng)用[J].煤礦安全,2008(6):39-40.

[2] 許福利.頂板高抽巷在雞西礦區(qū)的應(yīng)用 [J].煤炭技術(shù),2010,29(3):127-129.

[3] 劉志軍,孫廣義,肖福坤.瓦斯抽放水平長鉆孔定向施工技術(shù)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2007(4):262-263.

[4] 張 彤.綜采工作面多元抽放綜合治理瓦斯[J].煤炭技術(shù),2010,29(5):103-104.

[5] 馬志遠(yuǎn).瓦斯抽放系統(tǒng)管路摩擦阻力計(jì)算公式的探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008(5):73-74.

[6] 時(shí)國慶,王德明,奚志林,等.基于 FLUENT對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(6):76-79.

[7] AN HONG WEI,CHENG L IANG,ZHAO M ING.Steady streaming around a circular cylinder in an oscillatory flow[J].Ocean Engineering,2009,36(14):1 089-1 097.

(編輯 徐 巖)

Research on vertical buried pipe gas drainage in roadsides govern gas in upper corner

LI Fengyi1, SHAN Q iyuan2
(1.College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD724

A

1671-0118(2011)01-0036-04

2010-12-20

李鳳儀 (1963-),男,黑龍江省雞西人,教授,博士,研究方向:礦山壓力與控制,E-mail:shanqiyuan@126.com。