沙曲礦采空區瓦斯抽采相似模擬實驗研究＊

張浩然趙耀江謝生榮

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

沙曲礦采空區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.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024;2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

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

采空區瓦斯 高抽鉆孔 相似模擬 運移規律

1 礦井概況

離柳礦區位于山西省西部河東煤田中段,井田煤系地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組,共發育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,導致上隅角和回風流中瓦斯濃度經常超限,嚴重影響了礦井安全生產。

2 理論基礎及模型的建立

2.1 采空區瓦斯運移相似準則

瓦斯運移的基本方程為:

式中:Dij——擴散系數,m2/s;

Vi——平均速度分量,m/s;

C——采空區瓦斯質量濃度,g/m3;

I——采空區頂底板單位面積的瓦斯涌出速率,g/m3·s。

本模擬實驗中所依據的瓦斯運移準則為雷諾準則、佛汝德準則、貝克列準則和瓦斯流量準則。其中,佛汝德準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Re數值相等很困難,在單值條件相似的前提下,只要保證Re滿足自?；蠹纯?從而保證模型和實型中流體的流動狀態相似;貝克列準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,貝克列準則可得到滿足;瓦斯流量準則是采空區瓦斯涌出量與對應瓦斯運移量之比,在流動和瓦斯涌出穩定的條件下,瓦斯流量準則自動得到滿足。

2.2 實驗模型的建立

據前文相似理論,本實驗用空氣作流動介質,將井下風流的流動看做有壓穩定流,建立模型和原型間的相似關系,在滿足幾何相似的基礎之上,確保動力相似和運動相似。整個通風系統及采空區模型主要參考沙曲礦14205綜采面的實際情況,模型構建見圖1。

圖1 相似模擬通風系統及采空區效果圖

模型的具體設計如下。

(1)實驗模型主要有模型主體(巷道、工作面及采空區)、通風機及附屬裝置、瓦斯源系統、測試系統和采集系統多個部分。

(2)模型具體比例為1∶50,模型采空區尺寸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°,區段巷道尺寸為0.08 m×0.06 m。

(3)模型巷道的實測風速為3 m/s,風流流態為安全紊流。

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

(6)為了模擬鄰近層和工作面及采空區的瓦斯涌出及其運移規律,模型底板預先鋪設了數條供氣管道,并可以通過閥門調節來控制瓦斯涌出量。

(7)實驗前,采空區內設64個測點,并在工作面的上、下隅角分別專設了氣體采樣點,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 實驗數據的收集與分析

經反復測定得到穩定結果,相似模擬瓦斯濃度等值圖見圖3。

圖3 相似模擬采空區瓦斯濃度等值線圖

從實驗抽采的數據可以看出:沿工作面走向方向,測點的瓦斯濃度在相似模擬采空區淺部變化幅度較小,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測點之后趨于穩定,達65%左右,如圖3所示。沿著工作面傾斜方向,從進風側到回風側,測點的瓦斯濃度總趨勢逐漸增大,這是由于采空區漏風和通風壓力共同作用的結果;沿煤層底板豎直向上方向,測點瓦斯濃度在模擬采空區的頂端達到最高值。表1為最頂端測點組所得結果。

表1 相似模擬采空區瓦斯濃度測定數據%

4 工程應用

礦山巖層理論指出:工作面采空區由淺至深部依次存在煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。重新壓實區已經壓實,煤壁支撐影響區變化較快,都不利于瓦斯抽采,而離層區存在的裂隙較大,是瓦斯抽采的理想區域。覆巖產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,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,回風側水平距離10～30 m范圍內,布置在距離工作面60 m處,具體設計如圖4所示。

圖4 采空區瓦斯抽采鉆孔布置圖

為了驗證相似模擬采空區瓦斯抽采實驗的結論和14205綜采面瓦斯抽采的效果,實驗組對實驗后的上隅角、回風巷和尾巷進行了現場實測,結果表明:三者的瓦斯濃度一直穩定在《煤礦安全規程》的允許值以下。

5 結論

采空區瓦斯抽采技術的關鍵在于準確定位抽采位置。本文通過采用在實驗室建立相似模擬實驗模型的方法,較準確地得到了采空區瓦斯濃度分布規律。從礦壓理論的角度來看,實驗結果證明了離層區和裂隙帶是采空區瓦斯發育的理想區域,更是抽采的核心地帶。根據實驗結果來布置抽采鉆孔位置,達到了對采空區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創造了條件,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.淮南礦區開采煤層頂板抽采瓦斯技術的研究[J].煤炭學報,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[J].煤炭學報,2009(6)

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

[4]錢鳴高等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003

(責任編輯 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

中央高校基本科研業務費專項資金(2010QZ06)。

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