不同抽采條件和配風(fēng)條件下工作面瓦斯?jié)舛确植佳芯?/h1>
2022-07-08 02:53:02任晉娟
煤 2022年7期
任晉娟
(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)
我國(guó)能源儲(chǔ)量豐富，但覆存不均，整體呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的特點(diǎn)。煤炭作為我國(guó)重要的能源形式，對(duì)我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)生活影響巨大。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于我國(guó)煤礦綜放面多為U型通風(fēng)[1-2]，使得采煤工作面的上隅角位置處于風(fēng)流的拐點(diǎn)，造成風(fēng)流流速較低，易形成一定范圍的風(fēng)流渦流區(qū)。同時(shí)考慮到瓦斯的升浮特性，當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象時(shí)會(huì)在上隅角位置形成瓦斯聚集[3-5]。上隅角瓦斯聚集的問(wèn)題一直困擾著礦井正常開(kāi)采，對(duì)其治理方法的研究也從未停止。本文對(duì)抽采條件下采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)上隅角瓦斯積聚的影響進(jìn)行研究[6-9]，為煤礦上隅角瓦斯超限治理提供一定的參考，為礦井安全生產(chǎn)提供一定的保障。
1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
采空區(qū)的漏風(fēng)按照其形式可分為內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)，內(nèi)部漏風(fēng)主要是采空區(qū)煤柱、底巷、巖層等存在裂隙而造成，外部漏風(fēng)又可分為礦井間及井口漏風(fēng)。出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象的主要原因是在采空區(qū)的兩側(cè)存在一定風(fēng)壓差導(dǎo)致風(fēng)流的運(yùn)移，所以采空區(qū)漏風(fēng)量的大小與其兩側(cè)風(fēng)壓差有著密切的聯(lián)系。巷道巖層存在貫通裂隙同樣也會(huì)造成采空區(qū)的漏風(fēng)。為了研究漏風(fēng)對(duì)上隅角瓦斯積聚的影響，首先要對(duì)漏風(fēng)進(jìn)行定位。由于采空區(qū)較為復(fù)雜，所以本文采用間接測(cè)量法進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)工作面風(fēng)量分布進(jìn)行分析從而定位漏風(fēng)位置。在工作面布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用斷面單元法進(jìn)行測(cè)量，工作面測(cè)點(diǎn)布置示意如圖1所示。
圖1 工作面測(cè)點(diǎn)布置示意
在選定測(cè)點(diǎn)后，通過(guò)表尺對(duì)測(cè)點(diǎn)的斷面積進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用風(fēng)表得出各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，最終得出風(fēng)量的分布情況，測(cè)取間隔為1 h，根據(jù)測(cè)點(diǎn)風(fēng)量繪制工作面風(fēng)量分布曲線如圖2所示。
圖2 工作面風(fēng)量分布曲線
由圖2可以看出，隨著工作面傾向長(zhǎng)度的不斷增加，風(fēng)流在各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。在工作面傾向長(zhǎng)度為73 m時(shí)，風(fēng)量最小，為1 278 m3/min。根據(jù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)間的相互差值可知，在未抽采時(shí)工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)0～ 30 m及回風(fēng)側(cè)110～145 m區(qū)段內(nèi)風(fēng)量變化較大，所以可以得出，此段為工作面漏風(fēng)主要流動(dòng)區(qū)域。工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)至傾向長(zhǎng)度73 m的區(qū)域?yàn)楣ぷ髅骘L(fēng)量漏入采空區(qū)范圍，在此范圍內(nèi)的漏風(fēng)量約為150 m3/min，相應(yīng)的，從工作面傾向73 m至回風(fēng)側(cè)則為采空區(qū)風(fēng)流流入工作面區(qū)域，風(fēng)量為153 m3/min，可以看出采空區(qū)漏風(fēng)來(lái)源不止工作面一處，存在外部漏風(fēng)。
對(duì)工作面進(jìn)行高位鉆孔抽采瓦斯，高位鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷位置，根據(jù)地質(zhì)資料可知，工作面的垮落帶、裂隙帶高度分別為7～9 m、29～31 m，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算將高位鉆孔的傾角設(shè)定為10～18°，鉆孔深度選定為95 m，終孔點(diǎn)距離頂板及回風(fēng)巷鉆場(chǎng)距離分別為15～25 m、5～20 m。對(duì)抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D3所示。
圖3 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘓D
由圖3可知，當(dāng)設(shè)定的抽采流量為95 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛仍?.26%～0.45%之間波動(dòng)，整個(gè)波動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)3次瓦斯?jié)舛犬惓Ｇ闆r，3次瓦斯?jié)舛犬惓Ｏ峦咚節(jié)舛确謩e升高至0.89%、0.78%、0.84%；對(duì)比抽采流量123 m3/min 時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?0.26%～0.39%范圍內(nèi)波動(dòng)，異常出現(xiàn)2次，2次異常時(shí)的瓦斯?jié)舛确謩e為 0.65%，0.78%；繼續(xù)增大抽采流量至159 m3/min時(shí)，瓦斯?jié)舛仍?.27%～0.35%間穩(wěn)定波動(dòng)，在此抽采量下，上隅角的瓦斯?jié)舛葻o(wú)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)；抽采流量171 m3/min時(shí)，瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)與抽采流量159 m3/min時(shí)相差不大，瓦斯?jié)舛仍?0.27%～0.35%之間波動(dòng)。根據(jù)以上分析可以得出，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量降低，同時(shí)上隅角瓦斯異常升高問(wèn)題能夠得到有效治理。同時(shí)可知，當(dāng)抽采流量大于159 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯治理效果相差較小，所以最佳的瓦斯抽采流量為159 m3/min。
2 數(shù)值模擬研究
為了進(jìn)一步分析不同抽采條件下瓦斯?jié)舛确植记闆r，利用fluent模擬軟件對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)不同抽采能力系數(shù)下瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行模型的建立。工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面長(zhǎng)×寬×高=150 m×4 m×3 m，采空區(qū)尺寸為200 m×150 m×150 m，進(jìn)、回風(fēng)巷尺寸為10 m×4 m×3 m。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用三邊形結(jié)構(gòu)，模型共計(jì)37 851個(gè)網(wǎng)格。對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，將采空區(qū)劃分為不均勻的多孔介質(zhì)，內(nèi)部空氣為混合氣體，忽略流體相互運(yùn)動(dòng)造成的能量損失。根據(jù)計(jì)算設(shè)定瓦斯質(zhì)量流量2.5×10-6kg/(m3·s)。進(jìn)風(fēng)巷為風(fēng)流速度入口，高位抽采鉆孔和回風(fēng)巷為自由出口，壁面為無(wú)滑移靜態(tài)壁面。對(duì)不同抽采能力系數(shù)(抽采流量與配風(fēng)量的比值)下采空區(qū)濃度分布情況進(jìn)行研究，抽采能力系數(shù)取0.05、0.1、0.15，配風(fēng)量為1 400 m3/min，模擬云圖如圖4所示。
圖4 模擬云圖
隨著抽采能力的不斷提高，高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)抽采強(qiáng)度的定義可知，3種抽采強(qiáng)度下的抽采流量分別為70 m3/min、140 m3/min、210 m3/min，在高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯?jié)舛确謩e在 2.8%～3.6%、1.8%～2.3%、1.4%～1.6%之間波動(dòng)，對(duì)提前設(shè)定的上隅角瓦斯點(diǎn)P(1，3，200)進(jìn)行瓦斯含量監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)3種抽采強(qiáng)度下瓦斯?jié)舛确謩e為 0.49%、0.31%、0.26%.所以可以看出，隨著抽采強(qiáng)度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。綜合而言，當(dāng)抽采流量為140～210 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛忍幱诳煽胤秶?/p>
對(duì)不同工作面配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植加绊戇M(jìn)行研究，同樣設(shè)定進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷為風(fēng)流的速度入口和出口，設(shè)定抽采流量與工作面配風(fēng)量比值為1∶9，模擬工作面配風(fēng)量1 000 m3/min、1 400 m3/min、1 800 m3/min時(shí)濃度分布情況，繪制距工作面不同距離下回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛确植记€，如圖5所示。
圖5 不同距離下回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛确植记€
由圖5可知，隨著工作面配風(fēng)量的不斷增加，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?。這是由于配風(fēng)量增大，漏風(fēng)量也相應(yīng)增大，使得漏入采空區(qū)的風(fēng)流對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了一定的稀釋，所以上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?。同時(shí)由于高位抽采鉆孔的存在，使得工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流由此排出，一旦配風(fēng)量較小時(shí)，工作面與采空區(qū)壓力差較小，風(fēng)流流動(dòng)速度較小，造成上隅角瓦斯?jié)舛仍龃?；?dāng)工作面配風(fēng)量增大時(shí)，工作面與采空區(qū)壓力差增大，漏風(fēng)攜帶的瓦斯?jié)舛冉档?，風(fēng)流攜帶瓦斯由抽采鉆孔排出，所以抽采鉆孔處的瓦斯?jié)舛纫灿兴档?，因此適當(dāng)增大配風(fēng)量能夠解決上隅角瓦斯異常超限問(wèn)題。
3 結(jié) 語(yǔ)
1) 對(duì)抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量有了一定降低，同時(shí)上隅角瓦斯異常升高現(xiàn)象能夠得到有效治理。
2) 隨著抽采強(qiáng)度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。綜合而言，當(dāng)抽采流量為140～210 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛忍幱诳煽胤秶?/p>
3) 通過(guò)不同配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植加绊戇M(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著工作面配風(fēng)量的不斷增加，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛戎鸩浇档汀?/p>
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任晉娟
(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)
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1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
采空區(qū)的漏風(fēng)按照其形式可分為內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)，內(nèi)部漏風(fēng)主要是采空區(qū)煤柱、底巷、巖層等存在裂隙而造成，外部漏風(fēng)又可分為礦井間及井口漏風(fēng)。出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象的主要原因是在采空區(qū)的兩側(cè)存在一定風(fēng)壓差導(dǎo)致風(fēng)流的運(yùn)移，所以采空區(qū)漏風(fēng)量的大小與其兩側(cè)風(fēng)壓差有著密切的聯(lián)系。巷道巖層存在貫通裂隙同樣也會(huì)造成采空區(qū)的漏風(fēng)。為了研究漏風(fēng)對(duì)上隅角瓦斯積聚的影響，首先要對(duì)漏風(fēng)進(jìn)行定位。由于采空區(qū)較為復(fù)雜，所以本文采用間接測(cè)量法進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)工作面風(fēng)量分布進(jìn)行分析從而定位漏風(fēng)位置。在工作面布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用斷面單元法進(jìn)行測(cè)量，工作面測(cè)點(diǎn)布置示意如圖1所示。
圖1 工作面測(cè)點(diǎn)布置示意
在選定測(cè)點(diǎn)后，通過(guò)表尺對(duì)測(cè)點(diǎn)的斷面積進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用風(fēng)表得出各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，最終得出風(fēng)量的分布情況，測(cè)取間隔為1 h，根據(jù)測(cè)點(diǎn)風(fēng)量繪制工作面風(fēng)量分布曲線如圖2所示。
圖2 工作面風(fēng)量分布曲線
由圖2可以看出，隨著工作面傾向長(zhǎng)度的不斷增加，風(fēng)流在各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。在工作面傾向長(zhǎng)度為73 m時(shí)，風(fēng)量最小，為1 278 m3/min。根據(jù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)間的相互差值可知，在未抽采時(shí)工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)0～ 30 m及回風(fēng)側(cè)110～145 m區(qū)段內(nèi)風(fēng)量變化較大，所以可以得出，此段為工作面漏風(fēng)主要流動(dòng)區(qū)域。工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)至傾向長(zhǎng)度73 m的區(qū)域?yàn)楣ぷ髅骘L(fēng)量漏入采空區(qū)范圍，在此范圍內(nèi)的漏風(fēng)量約為150 m3/min，相應(yīng)的，從工作面傾向73 m至回風(fēng)側(cè)則為采空區(qū)風(fēng)流流入工作面區(qū)域，風(fēng)量為153 m3/min，可以看出采空區(qū)漏風(fēng)來(lái)源不止工作面一處，存在外部漏風(fēng)。
對(duì)工作面進(jìn)行高位鉆孔抽采瓦斯，高位鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷位置，根據(jù)地質(zhì)資料可知，工作面的垮落帶、裂隙帶高度分別為7～9 m、29～31 m，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算將高位鉆孔的傾角設(shè)定為10～18°，鉆孔深度選定為95 m，終孔點(diǎn)距離頂板及回風(fēng)巷鉆場(chǎng)距離分別為15～25 m、5～20 m。對(duì)抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D3所示。
圖3 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘓D
由圖3可知，當(dāng)設(shè)定的抽采流量為95 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛仍?.26%～0.45%之間波動(dòng)，整個(gè)波動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)3次瓦斯?jié)舛犬惓Ｇ闆r，3次瓦斯?jié)舛犬惓Ｏ峦咚節(jié)舛确謩e升高至0.89%、0.78%、0.84%；對(duì)比抽采流量123 m3/min 時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?0.26%～0.39%范圍內(nèi)波動(dòng)，異常出現(xiàn)2次，2次異常時(shí)的瓦斯?jié)舛确謩e為 0.65%，0.78%；繼續(xù)增大抽采流量至159 m3/min時(shí)，瓦斯?jié)舛仍?.27%～0.35%間穩(wěn)定波動(dòng)，在此抽采量下，上隅角的瓦斯?jié)舛葻o(wú)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)；抽采流量171 m3/min時(shí)，瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)與抽采流量159 m3/min時(shí)相差不大，瓦斯?jié)舛仍?0.27%～0.35%之間波動(dòng)。根據(jù)以上分析可以得出，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量降低，同時(shí)上隅角瓦斯異常升高問(wèn)題能夠得到有效治理。同時(shí)可知，當(dāng)抽采流量大于159 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯治理效果相差較小，所以最佳的瓦斯抽采流量為159 m3/min。
2 數(shù)值模擬研究
為了進(jìn)一步分析不同抽采條件下瓦斯?jié)舛确植记闆r，利用fluent模擬軟件對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)不同抽采能力系數(shù)下瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行模型的建立。工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面長(zhǎng)×寬×高=150 m×4 m×3 m，采空區(qū)尺寸為200 m×150 m×150 m，進(jìn)、回風(fēng)巷尺寸為10 m×4 m×3 m。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用三邊形結(jié)構(gòu)，模型共計(jì)37 851個(gè)網(wǎng)格。對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，將采空區(qū)劃分為不均勻的多孔介質(zhì)，內(nèi)部空氣為混合氣體，忽略流體相互運(yùn)動(dòng)造成的能量損失。根據(jù)計(jì)算設(shè)定瓦斯質(zhì)量流量2.5×10-6kg/(m3·s)。進(jìn)風(fēng)巷為風(fēng)流速度入口，高位抽采鉆孔和回風(fēng)巷為自由出口，壁面為無(wú)滑移靜態(tài)壁面。對(duì)不同抽采能力系數(shù)(抽采流量與配風(fēng)量的比值)下采空區(qū)濃度分布情況進(jìn)行研究，抽采能力系數(shù)取0.05、0.1、0.15，配風(fēng)量為1 400 m3/min，模擬云圖如圖4所示。
圖4 模擬云圖
隨著抽采能力的不斷提高，高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)抽采強(qiáng)度的定義可知，3種抽采強(qiáng)度下的抽采流量分別為70 m3/min、140 m3/min、210 m3/min，在高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯?jié)舛确謩e在 2.8%～3.6%、1.8%～2.3%、1.4%～1.6%之間波動(dòng)，對(duì)提前設(shè)定的上隅角瓦斯點(diǎn)P(1，3，200)進(jìn)行瓦斯含量監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)3種抽采強(qiáng)度下瓦斯?jié)舛确謩e為 0.49%、0.31%、0.26%.所以可以看出，隨著抽采強(qiáng)度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。綜合而言，當(dāng)抽采流量為140～210 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛忍幱诳煽胤秶?/p>
對(duì)不同工作面配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植加绊戇M(jìn)行研究，同樣設(shè)定進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷為風(fēng)流的速度入口和出口，設(shè)定抽采流量與工作面配風(fēng)量比值為1∶9，模擬工作面配風(fēng)量1 000 m3/min、1 400 m3/min、1 800 m3/min時(shí)濃度分布情況，繪制距工作面不同距離下回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛确植记€，如圖5所示。
圖5 不同距離下回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛确植记€
由圖5可知，隨著工作面配風(fēng)量的不斷增加，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?。這是由于配風(fēng)量增大，漏風(fēng)量也相應(yīng)增大，使得漏入采空區(qū)的風(fēng)流對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了一定的稀釋，所以上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?。同時(shí)由于高位抽采鉆孔的存在，使得工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流由此排出，一旦配風(fēng)量較小時(shí)，工作面與采空區(qū)壓力差較小，風(fēng)流流動(dòng)速度較小，造成上隅角瓦斯?jié)舛仍龃?；?dāng)工作面配風(fēng)量增大時(shí)，工作面與采空區(qū)壓力差增大，漏風(fēng)攜帶的瓦斯?jié)舛冉档?，風(fēng)流攜帶瓦斯由抽采鉆孔排出，所以抽采鉆孔處的瓦斯?jié)舛纫灿兴档?，因此適當(dāng)增大配風(fēng)量能夠解決上隅角瓦斯異常超限問(wèn)題。
3 結(jié) 語(yǔ)
1) 對(duì)抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量有了一定降低，同時(shí)上隅角瓦斯異常升高現(xiàn)象能夠得到有效治理。
2) 隨著抽采強(qiáng)度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。綜合而言，當(dāng)抽采流量為140～210 m3/min時(shí)，上隅角的瓦斯?jié)舛忍幱诳煽胤秶?/p>
3) 通過(guò)不同配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植加绊戇M(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著工作面配風(fēng)量的不斷增加，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛戎鸩浇档汀?/p>
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