沙曲礦采空區(qū)瓦斯抽采相似模擬實驗研究＊

張浩然趙耀江謝生榮

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

沙曲礦采空區(qū)瓦斯抽采相似模擬實驗研究＊

張浩然1趙耀江1謝生榮2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

為了有效治理沙曲礦綜采工作面采空區(qū)瓦斯隱患,依據(jù)流動相似理論和幾何相似規(guī)律,在實驗室建立了比例為1∶50的相似模擬通風(fēng)系統(tǒng)及采空區(qū)模型。模型通過采用“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng),得到了瓦斯在采空區(qū)內(nèi)的分布特征,確定了綜采工作面采空區(qū)瓦斯移動規(guī)律,該實驗結(jié)果被應(yīng)用于確定沙曲礦采空區(qū)瓦斯高位鉆孔的位置。應(yīng)用結(jié)果表明,根據(jù)模擬的結(jié)果布置的鉆孔瓦斯抽采量穩(wěn)定,效果顯著。

采空區(qū)瓦斯 高抽鉆孔 相似模擬 運移規(guī)律

1 礦井概況

離柳礦區(qū)位于山西省西部河?xùn)|煤田中段,井田煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,共發(fā)育15層煤。煤層平均厚度為2.45 m。其中沙曲礦的4#煤層及其上、下鄰近層原始平均瓦斯含量為30 m3/t左右。該礦先后探索了多種瓦斯抽采方法,但采空區(qū)瓦斯抽采效果均不佳,大量未能抽采出的瓦斯集中涌入綜采工作面,導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限,嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)。

2 理論基礎(chǔ)及模型的建立

2.1 采空區(qū)瓦斯運移相似準(zhǔn)則

瓦斯運移的基本方程為:

式中:Dij——擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

Vi——平均速度分量,m/s;

C——采空區(qū)瓦斯質(zhì)量濃度,g/m3;

I——采空區(qū)頂?shù)装鍐挝幻娣e的瓦斯涌出速率,g/m3·s。

本模擬實驗中所依據(jù)的瓦斯運移準(zhǔn)則為雷諾準(zhǔn)則、佛汝德準(zhǔn)則、貝克列準(zhǔn)則和瓦斯流量準(zhǔn)則。其中,佛汝德準(zhǔn)則中重力起主要作用,而對于受迫流動,重力影響可以忽略;由于實驗條件的限制,要使模型和實型中的雷諾數(shù)Re數(shù)值相等很困難,在單值條件相似的前提下,只要保證Re滿足自模化要求即可,從而保證模型和實型中流體的流動狀態(tài)相似;貝克列準(zhǔn)則是對流瓦斯運移和動力彌散瓦斯運移之比,在保證滲流場相似的條件下,貝克列準(zhǔn)則可得到滿足;瓦斯流量準(zhǔn)則是采空區(qū)瓦斯涌出量與對應(yīng)瓦斯運移量之比,在流動和瓦斯涌出穩(wěn)定的條件下,瓦斯流量準(zhǔn)則自動得到滿足。

2.2 實驗?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

據(jù)前文相似理論,本實驗用空氣作流動介質(zhì),將井下風(fēng)流的流動看做有壓穩(wěn)定流,建立模型和原型間的相似關(guān)系,在滿足幾何相似的基礎(chǔ)之上,確保動力相似和運動相似。整個通風(fēng)系統(tǒng)及采空區(qū)模型主要參考沙曲礦14205綜采面的實際情況,模型構(gòu)建見圖1。

圖1 相似模擬通風(fēng)系統(tǒng)及采空區(qū)效果圖

模型的具體設(shè)計如下。

(1)實驗?zāi)Ｐ椭饕心Ｐ椭黧w(巷道、工作面及采空區(qū))、通風(fēng)機(jī)及附屬裝置、瓦斯源系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和采集系統(tǒng)多個部分。

(2)模型具體比例為1∶50,模型采空區(qū)尺寸4.32 m×4.16 m×0.2 m,工作面長度4.0 m,斷面尺寸為0.09 m×0.05 m,工作面傾斜角度為8°,區(qū)段巷道尺寸為0.08 m×0.06 m。

(3)模型巷道的實測風(fēng)速為3 m/s,風(fēng)流流態(tài)為安全紊流。

(4)模型采用鋼管、鋼板焊接而成,頂部為8mm厚的鋼化玻璃覆蓋。

(5)為充分反映現(xiàn)場巖性特征,根據(jù)礦壓理論劃分了“橫三區(qū),豎三帶”,將粒度不等的破碎煤體、巖石及廢矸分區(qū)、分帶堆放在相似模擬采空區(qū),以達(dá)到與實際采空區(qū)相似的目的,滿足區(qū)、帶理論的滲透特性。

(6)為了模擬鄰近層和工作面及采空區(qū)的瓦斯涌出及其運移規(guī)律,模型底板預(yù)先鋪設(shè)了數(shù)條供氣管道,并可以通過閥門調(diào)節(jié)來控制瓦斯涌出量。

(7)實驗前,采空區(qū)內(nèi)設(shè)64個測點,并在工作面的上、下隅角分別專設(shè)了氣體采樣點,具體測點布置情況如圖2所示。

圖2 實驗中特征氣體檢測點布置圖

3 實驗數(shù)據(jù)的收集與分析

經(jīng)反復(fù)測定得到穩(wěn)定結(jié)果,相似模擬瓦斯?jié)舛鹊戎祱D見圖3。

圖3 相似模擬采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊戎稻€圖

從實驗抽采的數(shù)據(jù)可以看出:沿工作面走向方向,測點的瓦斯?jié)舛仍谙嗨颇M采空區(qū)淺部變化幅度較小,但隨著深度的增加而增加,并在距離工作面135 cm測點處急劇變大,最終在243 cm測點之后趨于穩(wěn)定,達(dá)65%左右,如圖3所示。沿著工作面傾斜方向,從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè),測點的瓦斯?jié)舛瓤傏厔葜饾u增大,這是由于采空區(qū)漏風(fēng)和通風(fēng)壓力共同作用的結(jié)果;沿煤層底板豎直向上方向,測點瓦斯?jié)舛仍谀M采空區(qū)的頂端達(dá)到最高值。表1為最頂端測點組所得結(jié)果。

表1 相似模擬采空區(qū)瓦斯?jié)舛葴y定數(shù)據(jù)%

4 工程應(yīng)用

礦山巖層理論指出:工作面采空區(qū)由淺至深部依次存在煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。重新壓實區(qū)已經(jīng)壓實,煤壁支撐影響區(qū)變化較快,都不利于瓦斯抽采,而離層區(qū)存在的裂隙較大,是瓦斯抽采的理想?yún)^(qū)域。覆巖產(chǎn)生變形移動自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。彎曲下沉帶無明顯采動裂隙,冒落帶已經(jīng)垮落,均不利于瓦斯抽采,而裂隙帶采動裂隙較大,是瓦斯抽采的合理地帶。因此,參照實驗結(jié)果,綜合考慮沙曲礦14205綜采工作面實際瓦斯涌出量,初步確定3個頂板裂隙鉆孔布置在距煤層頂板垂高24～28 m范圍內(nèi),間距40 m左右,具體的抽采孔位置隨工作面的變化而變化,讓其始終保持在距工作面40 m處。另外3個高位鉆孔位于開采煤層頂板10～25 m內(nèi),回風(fēng)側(cè)水平距離10～30 m范圍內(nèi),布置在距離工作面60 m處,具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔布置圖

為了驗證相似模擬采空區(qū)瓦斯抽采實驗的結(jié)論和14205綜采面瓦斯抽采的效果,實驗組對實驗后的上隅角、回風(fēng)巷和尾巷進(jìn)行了現(xiàn)場實測,結(jié)果表明:三者的瓦斯?jié)舛纫恢狈€(wěn)定在《煤礦安全規(guī)程》的允許值以下。

5 結(jié)論

采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確定位抽采位置。本文通過采用在實驗室建立相似模擬實驗?zāi)Ｐ偷姆椒?較準(zhǔn)確地得到了采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。從礦壓理論的角度來看,實驗結(jié)果證明了離層區(qū)和裂隙帶是采空區(qū)瓦斯發(fā)育的理想?yún)^(qū)域,更是抽采的核心地帶。根據(jù)實驗結(jié)果來布置抽采鉆孔位置,達(dá)到了對采空區(qū)深部瓦斯涌出的截流目的,避免了上隅角瓦斯大量堆積,為礦井安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件,也為其他礦井的瓦斯抽采治理提出了值得借鑒的方案。

[1]袁亮,劉澤功.淮南礦區(qū)開采煤層頂板抽采瓦斯技術(shù)的研究[J].煤炭學(xué)報,2003(4)

[2]趙耀江,溫百根.高瓦斯煤層群頂板大直徑千米鉆孔抽采技術(shù)[J].煤炭學(xué)報,2009(6)

[3]王紅剛.采空區(qū)漏風(fēng)流場與瓦斯運移的疊加方法研究[D].西安:西安科技大學(xué),2009

[4]錢鳴高等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

(責(zé)任編輯 梁子榮)

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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2010QZ06)。

張浩然(1985-),遼寧撫順人,碩士研究生,主要從事礦井設(shè)計、礦井災(zāi)害治理等方面的研究。