3001工作面采空區(qū)瓦斯抽采流場研究

趙 賀

(中煤第一建設(shè)有限公司,河北 邯鄲 056022)

1 概述

根據(jù)山西省煤礦礦井瓦斯等級鑒定報告,七一新發(fā)煤業(yè)有限公司相對瓦斯涌出量為18.59 m3/t,絕對瓦斯涌出量為44.66 m3/min,回采工作面最大瓦斯涌出量為18.33 m3/min,掘進工作面最大瓦斯涌出量為3.99m3/min,瓦斯等級為高瓦斯礦井。其中影響工作回采的安全隱患主要是采空區(qū)瓦斯,由于采空區(qū)瓦斯較高造成工作面上隅角瓦斯超限,為確保礦井安全高效生產(chǎn)以3001工作面為例對采空區(qū)瓦斯抽采進行了研究。

2 3001工作面概況及抽采理論分析

3001工作面長170 m,有效推進長度為850 m,煤層傾角5°,煤層平均厚度為2.91 m,采用綜采一次采全高采煤工藝,走向長壁采煤方法,全部垮落法控制頂板。工作面日循環(huán)進尺為3.6 m,周期來壓為25 m左右。

工作面采空區(qū)是一個相對密閉的空間,在沒有外部干擾的情況下氣流運移速度較慢,根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體特性和工作面風(fēng)流的影響,因此采空區(qū)的氣流運移規(guī)律符合達西定律,運移速度公式為[1-2]:

3 實驗室模擬

3.1 原理

模擬采空區(qū)中的氣流采用細(xì)粒度的鋸末覆蓋在燃燒狀態(tài)下的木炭阻止其燃燒產(chǎn)生的煙氣,煙氣的性質(zhì)與采空區(qū)氣體相似,在發(fā)煙器的作用下通過閥門控制氣體的大小,經(jīng)過冷卻裝置使得煙氣的溫度接近采空區(qū)氣體的溫度,在風(fēng)機的作用下煙氣通過管路進入采空區(qū)模型,其中管路中間設(shè)有檢測煙氣流速的補償微壓計[3-5]。實驗原理如圖1所示。

圖1 實驗原理圖Fig.1 Experiment schematic diagram

3.2 采空區(qū)模型

根據(jù)3001工作的實際情況和相似原理將采空區(qū)模型[6]制作成為長1 700 mm、寬1 200 mm、高291 mm,如圖2所示。采空區(qū)模型上部采用透明玻璃覆蓋,為了方便觀測，玻璃上畫有100 mm×100 mm的方格。工作面斷面為500 mm×291 mm,工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷的斷面均為400 mm×291 mm。采空區(qū)垮落矸石模型采用黑色泡沫，按照矸石垮落的規(guī)律，距離工作面的越遠孔隙率越小,中間到兩巷的孔隙率逐漸增大。

圖2 采空區(qū)模型Fig.2 Model for goaf

3.3 實驗?zāi)M

首先對未進行采空區(qū)瓦斯抽采時采空區(qū)瓦斯分部規(guī)律進行模擬,發(fā)煙器產(chǎn)生的煙氣能夠穩(wěn)定10 min,通過調(diào)節(jié)閥門將模擬工作面的風(fēng)速控制在2.2 m/s,煙氣在風(fēng)流的作用下在采空區(qū)模型中形成有規(guī)律的分部,在此過程中通過錄像機和彩筆相互印證記錄煙氣的分部區(qū)域如圖3所示。橫坐標(biāo)為工作面長度以m為單位,0刻度為進風(fēng)巷;縱坐標(biāo)為采空區(qū)距工作面的深度以m為單位。由圖3可以看出,1號邊界線遠離工作面的區(qū)域氣體基本不流動;1號線和2號線之間的區(qū)域的煙氣濃度較大,可以看出該區(qū)域為瓦斯易集聚的區(qū)域;2號線與工作面之間的區(qū)域煙氣流動性較強不會產(chǎn)生瓦斯集聚。因此瓦斯抽采的關(guān)鍵區(qū)域為1號線與2號線之間的區(qū)域。

圖3 模擬工作面風(fēng)速為2.2 m/s時采空區(qū)流場Fig.3 Flow field in goaf with air speed 2.2 m/s in simulated working face

根據(jù)上圖實驗?zāi)M的結(jié)果,并結(jié)合3001工作面采空區(qū)瓦斯情況和相似規(guī)律計算,在回風(fēng)側(cè)埋入抽放管路模型,將抽采速度控制在7 m/s,管徑為27 mm,抽采管路伸入采空區(qū)100 mm。其他操作重復(fù)上述模擬過程。煙氣分部區(qū)域如圖4所示。

圖4 模擬回風(fēng)巷道內(nèi)增加抽放管路后采空區(qū)流場Fig.4 Flow field in goaf after adding drainage pipelines in simulated roadway

根據(jù)上述實驗記錄結(jié)果可以看出,增加瓦斯抽放管路模型后,1號線與2號之間的區(qū)域大大縮小,即瓦斯集聚區(qū)域大大縮小,1號線的峰值朝著回風(fēng)側(cè)巷道移動了100 mm,靠近回風(fēng)側(cè)的煙氣流通性增強。

4 現(xiàn)場驗證

結(jié)合上述實驗室模擬結(jié)果和3001工作面回采速度為3.6 m/d、采空區(qū)瓦斯涌出量和頂板垮落情況,對采空區(qū)采取地壓埋管抽采如圖5所示,在3001工作面回風(fēng)順槽埋管采用矸石裝袋將采空區(qū)密閉,砌三道墻,墻與墻之間的間隔為4.5 m,抽采管路伸入采空區(qū)的深度為10 m,同時在砌筑最外側(cè)的墻時將第2根抽采管路埋入,根據(jù)工作面向前推移待第二根管路埋入采空區(qū)10 m時開始抽采,第一根管路關(guān)閉,具體管路參數(shù)如表1所示。

圖5 埋管抽采現(xiàn)采空區(qū)瓦斯示意圖Fig.5 Gas in goaf in buried pipe drainage

表1 采空區(qū)埋管抽采參數(shù)Table 1 Buried pipe drainage parameters in goaf

根據(jù)數(shù)據(jù)記錄3001采空區(qū)瓦斯抽采量為0.81 m3/min。根據(jù)采空區(qū)束管檢測數(shù)據(jù)分析上隅角未出現(xiàn)瓦斯超限,采空區(qū)瓦斯?jié)舛群苄〔粫ιa(chǎn)造成威脅，且實驗室模擬數(shù)據(jù)相吻合。

5 結(jié)論

經(jīng)過實驗室試驗和相似模擬計算選取3001工作面采空區(qū)瓦斯抽采管路,以及設(shè)置抽采為低負(fù)壓抽采,孔口負(fù)壓為8 kPa,使得采空區(qū)瓦斯抽采量為0.81 m3/min,解決了上隅角瓦斯超限問題,確保工作面安全回采。