3001工作面采空區瓦斯抽采流場研究

趙 賀

(中煤第一建設有限公司,河北 邯鄲 056022)

1 概述

根據山西省煤礦礦井瓦斯等級鑒定報告,七一新發煤業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瓦斯,由于采空區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以3001工作面為例對采空區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。工作面日循環進尺為3.6 m,周期來壓為25 m左右。

工作面采空區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,根據采空區內氣體特性和工作面風流的影響,因此采空區的氣流運移規律符合達西定律,運移速度公式為[1-2]:

3 實驗室模擬

3.1 原理

模擬采空區中的氣流采用細粒度的鋸末覆蓋在燃燒狀態下的木炭阻止其燃燒產生的煙氣,煙氣的性質與采空區氣體相似,在發煙器的作用下通過閥門控制氣體的大小,經過冷卻裝置使得煙氣的溫度接近采空區氣體的溫度,在風機的作用下煙氣通過管路進入采空區模型,其中管路中間設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 采空區模型

根據3001工作的實際情況和相似原理將采空區模型[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,工作面進風巷和回風巷的斷面均為400 mm×291 mm。采空區垮落矸石模型采用黑色泡沫，按照矸石垮落的規律，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 采空區模型Fig.2 Model for goaf

3.3 實驗模擬

首先對未進行采空區瓦斯抽采時采空區瓦斯分部規律進行模擬,發煙器產生的煙氣能夠穩定10 min,通過調節閥門將模擬工作面的風速控制在2.2 m/s,煙氣在風流的作用下在采空區模型中形成有規律的分部,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域如圖3所示。橫坐標為工作面長度以m為單位,0刻度為進風巷;縱坐標為采空區距工作面的深度以m為單位。由圖3可以看出,1號邊界線遠離工作面的區域氣體基本不流動;1號線和2號線之間的區域的煙氣濃度較大,可以看出該區域為瓦斯易集聚的區域;2號線與工作面之間的區域煙氣流動性較強不會產生瓦斯集聚。因此瓦斯抽采的關鍵區域為1號線與2號線之間的區域。

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

根據上圖實驗模擬的結果,并結合3001工作面采空區瓦斯情況和相似規律計算,在回風側埋入抽放管路模型,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100 mm。其他操作重復上述模擬過程。煙氣分部區域如圖4所示。

圖4 模擬回風巷道內增加抽放管路后采空區流場Fig.4 Flow field in goaf after adding drainage pipelines in simulated roadway

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

4 現場驗證

結合上述實驗室模擬結果和3001工作面回采速度為3.6 m/d、采空區瓦斯涌出量和頂板垮落情況,對采空區采取地壓埋管抽采如圖5所示,在3001工作面回風順槽埋管采用矸石裝袋將采空區密閉,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的深度為10 m,同時在砌筑最外側的墻時將第2根抽采管路埋入,根據工作面向前推移待第二根管路埋入采空區10 m時開始抽采,第一根管路關閉,具體管路參數如表1所示。

圖5 埋管抽采現采空區瓦斯示意圖Fig.5 Gas in goaf in buried pipe drainage

表1 采空區埋管抽采參數Table 1 Buried pipe drainage parameters in goaf

根據數據記錄3001采空區瓦斯抽采量為0.81 m3/min。根據采空區束管檢測數據分析上隅角未出現瓦斯超限,采空區瓦斯濃度很小不會對生產造成威脅，且實驗室模擬數據相吻合。

5 結論

經過實驗室試驗和相似模擬計算選取3001工作面采空區瓦斯抽采管路,以及設置抽采為低負壓抽采,孔口負壓為8 kPa,使得采空區瓦斯抽采量為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。