（安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)論文）Y型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)數(shù)值模擬研究.pdf

安徽理工人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 a b s 打a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rd i s c u s s e si nm o r ed e t a i lt h ec h a r a c t e ro fy - t y p e v e n t i l a t i o ns y s t e m 、i lt w oi n l e t sa n do n er e t u r n ，a n ds i m u l a t e st h el a wo fg a sf l o w a n dt h ed i s t r i b u t i o no fg a sc o n c e n t r a t i o ni nf u l l m e c h a n i z e dm i n i n gw o r k i n gf a c e b a s e do nd a t aa b o u t1115 ( 1 ) f u l l m e c h a n i z e dm i n i n g w o r k i n gf a c eo f h u a in a n g u q i a o c o a lm i l l e t h ea u t h o rc o n t r a s t e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o nw i t hm e t r i c a ld a t a ，a n d i n - d e p t ha n a l y s i st h el a wo f e m i s s i o ng a sw h i c hf r o mg o b a tf i r s t , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h el a wa n dt h et h e o r ya b o u tt h ef l o wo fg a s f r o mg o bb a s e do nl i t e r a t u r e s e c o n d l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h et e c h n i ca b o u tg a s h a r n e s s i n g i nt h en e x t , t h ea u t h o rs t u d i e st h et h e o r ya b o u tp o r o u sm e d i u ma n ds e e p a g e i no r d e rt om e e tt h ep r e c i s i o no f p a r a m e t e rw h e ns i m u l a t i n gb yc o m p u t e r , t h ea u t h o r s t u d i e sp o r o s i t ya n dr e s i s t a n c eo fa i rl e a k a g e ，a n dt h e ne s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，p r o g r a m su s e r - d e f i n e df u n c t i o n t h ea u t h o rs i m u l a t e st h es i t u a t i o no fa i rf l o w f i e l di ng o ba r e aa n dg a sf i e l db yu s i n gf l u e n t ( c f ds o f t w a r e ) t h el a wa b o u tt h e s i t u a t i o no fa i rf l o wf i e l di ng o ba n dg a sf i e l di sc o n c l u d e db ys i m u l a t i n g t h ea u t h o r g a t h e r s l o t so fm e t r i c a ld a t s t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni s p r o v e dc o r r e c t n e s sb y c o m p a r i n g t os u mu p ，t h ea u t h o ra n a l y s et h ei nm o r ed e t a i lt h ec h a r a c t e ro fs o m ev e n t i l a t i o n m a n n e r i ti sp r o v e dt h a ty - t y p ev e n t i l a t i o ns y s t e m 謝lt w oi n l e t sa n do n er e t u r ni s v e r yg o o df o rg a sh a r n e s s i n g f i g u r e 【3 4 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 【7 4 】 k e yw o r d s ：y - g c p ev e n t i l a t i o ns y s t e m ；g o ba r e a ；g a sf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 712 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方以外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 塞筮理王太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一 同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并 表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：蟬吼咩年j 月上日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬于 塞筮壟王太堂。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)安徽理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位 論文在解密后適用本授權(quán)書(shū)) 學(xué)位論文作者簽名： 醇鮮 簽字日期：塒年月b 日 f 攤名孝灣：1 棚神 引言 引言 瓦斯是危害礦井安全生產(chǎn)的重要因素。瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。 瓦斯對(duì)礦井安全的威脅主要有爆炸、突出、窒息等三種形式，特別是瓦斯爆炸和 煤與瓦斯突出給煤礦企業(yè)帶來(lái)的危害極大，嚴(yán)重威脅著井下人員的生命和礦井設(shè) 施的安全，還會(huì)引起煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、井巷垮塌等二次災(zāi)害。傳統(tǒng)的u 型通 風(fēng)系統(tǒng)，不能很好的解決巷道瓦斯超限問(wèn)題，尤為突出的是工作面上隅角，是受 瓦斯影響最大的地方，瓦斯?jié)舛瘸３３瑯?biāo)。造成這種現(xiàn)象的最根本原因是采空區(qū) 漏風(fēng)流場(chǎng)易于引起上隅角瓦斯積聚。雖然可以采用各種技術(shù)手段對(duì)u 型通風(fēng)系統(tǒng) 進(jìn)行改進(jìn)，但效果并不特別明顯。對(duì)于瓦斯涌出量較大的工作面，采用兩進(jìn)一回 y 型通風(fēng)系統(tǒng)可以很好地解決回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗^(guò)高和上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題。 兩進(jìn)一回y 型通風(fēng)系統(tǒng)可以在采煤工作面的上、下巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)，而其中的副 進(jìn)風(fēng)巷在采空區(qū)的部分變?yōu)榛仫L(fēng)巷，并在巷旁充填支護(hù)。這種形式的工作面通風(fēng) 方式不僅可以從根本上解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題，而且運(yùn)煤、各種管道、設(shè)備都 在新風(fēng)中，在回風(fēng)巷中無(wú)軌道、管路及電纜等，大大提高了回風(fēng)巷的安全性。研 究表明，y 型通風(fēng)工作面能位最低點(diǎn)是留巷的末端( 而u 型通風(fēng)工作面上隅角是 能位的最低點(diǎn)) ，因此不會(huì)產(chǎn)生上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，如果主、副進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量分配 合理，兩進(jìn)一回y 型通風(fēng)方式完全可以徹底解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題。 本文針對(duì)顧橋礦1 1 1 5 ( i ) i 作面，采用計(jì)算機(jī)模擬方法，對(duì)兩進(jìn)一回y 型通 風(fēng)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行了細(xì)致的分析和研究，得出了采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)分布規(guī)律。 安徽理工人學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1 礦井瓦斯的來(lái)源及危害 l 緒論 我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，在一次能源消費(fèi)構(gòu)成中，煤炭的 比例占到7 0 以上。我國(guó)的煤炭開(kāi)采主要采用地下作業(yè)的方式進(jìn)行，其中大部分 是瓦斯礦井，有些礦井不但瓦斯涌出量大、煤與瓦斯突出現(xiàn)象也相當(dāng)頻繁。據(jù)相 關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦屬高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井達(dá)3 0 0 多個(gè)，中國(guó) 的煤與瓦斯突出總次數(shù)占世界突出總次數(shù)的1 3 以上【l 】；不僅如此，瓦斯( 瓦斯煤 塵) 爆炸事故也時(shí)有發(fā)生。瓦斯事故所造成的損失是巨大的，例如：瓦斯突出可以 摧毀井下的各種設(shè)備、破壞礦井通風(fēng)系統(tǒng)、造成人員窒息死亡及煤流埋人，其至 可能引起瓦斯爆炸與火災(zāi)事故；瓦斯爆炸會(huì)造成大量人員傷亡、嚴(yán)重摧毀井下各 種設(shè)備、引起煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、井巷垮塌等二次災(zāi)害。據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察 局統(tǒng)計(jì)，2 0 0 5 。2 0 0 7 年全國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故4 0 5 起，死亡2 1 5 7 人，死亡人數(shù)居 各類(lèi)煤礦事故首位。因此，瓦斯災(zāi)害是威脅礦井安全的重要因素，制約了煤礦的 正常生產(chǎn)工作。 1 1 1 礦井瓦斯的來(lái)源 廣義的礦井瓦斯是指井下有害氣體的總稱(chēng)1 2 1 。主要來(lái)源于四個(gè)方面：第一， 是在煤層與圍巖內(nèi)賦存并能涌入到礦井的氣體；第二，是在礦井生產(chǎn)過(guò)程中生成 的氣體；第三，是井下空氣與煤、巖、礦物、支架和其它材科之間的化學(xué)或生物 化學(xué)反應(yīng)生成的氣體；第四，是放射性物質(zhì)蛻變過(guò)程生成的或地下水放出的放射 性情性氣體氡( r n ) 及惰性氣體氦( h c ) 。其中，第一來(lái)源中主要是有機(jī)質(zhì)在煤化過(guò) 程中生成的并賦存于煤( 巖) 中的氣體，統(tǒng)稱(chēng)為有機(jī)源氣體，在有火成巖侵入或碳 酸鹽受熱分解生成的c 0 2 經(jīng)斷層侵入的煤田，還有無(wú)機(jī)源氣體。 這些不同成因的氣體，具有不同組成成分和性質(zhì)。從安全的觀點(diǎn)看，屬于可 燃可爆炸的氣體有甲烷( c h 4 ) 及其同系物烷烴( c n h 2 n + 2 ) 、環(huán)烷烴( c n h 2 川) 、芳香烴 ( c 6 h 6 ，c h 3 c 6 i ) 、h 2 、c o 、h 2 s 等等；屬于有毒的氣體有h 2 s 、s o2 、c o 、n h 3 、 n 0 2 、n o 等等：屬于窒息性氣體有n 2 ，c h 4 、c 0 2 與h 2 ；屬于放射性的氣體有 氫氣。礦井瓦斯各組分在數(shù)量上的差別是很大的，煤礦大部分瓦斯來(lái)自于煤層， 而煤層中的瓦斯一般以甲烷為主，它構(gòu)成威脅礦工礦井安全的主要危險(xiǎn)，所以在 煤礦狹義的礦井瓦斯是甲烷。 緒論 1 i2 瓦斯的性質(zhì)及其賦存方式 甲烷是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、可燃的氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，溶于水，在 1 0 1 3 k p a 條件下，當(dāng)溫度為0 時(shí)i o o l 水可溶3 3 1 l 甲烷；當(dāng)溫度為時(shí)i o o l 水可溶解55 6 l 甲烷。甲烷對(duì)人呼吸系統(tǒng)的影響同氯相似，一定濃度的甲烷可使 人窒息。甲烷的擴(kuò)散速度是空氣的1 _ 3 4 倍，它會(huì)很快地?cái)U(kuò)散到巷道空間。甲烷的 密度為07 1 6 k g 一( 標(biāo)準(zhǔn)狀況n ，為空氣密度的05 5 4 倍。自然條件下，甲烷在 空氣中表現(xiàn)出強(qiáng)擴(kuò)散性，所以它經(jīng)與空氣均勻混合，就不會(huì)園其比重較空氣輕 而上浮、聚積，因此在礦井中當(dāng)無(wú)瓦斯涌出時(shí)，巷道內(nèi)甲烷的濃度是均勻分布的， 當(dāng)有瓦斯涌出時(shí)，甲烷的濃度則里不均勻分布。在有z i 斯涌出的側(cè)壁附近甲烷的 濃度高，有時(shí)見(jiàn)到在巷道頂板、冒落區(qū)頂部積存瓦斯，這并不是由于甲烷的密度 比窄氣小，而是說(shuō)明這里的頂部有瓦斯在涌出川。 煤層瓦斯是腐植型有機(jī)物在成煤過(guò)程中生成的。由于成氣過(guò)程的復(fù)雜性和地 質(zhì)構(gòu)造的不斷演變，不同煤f f i ，甚至同一煤田不同區(qū)域煤層的瓦斯含量都有很大 的區(qū)別。在成煤膠結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生原生孔隙，而在成煤后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中也會(huì)產(chǎn)生 大量的 l 隙和裂隙，這就形成了很大的自由空間和孔隙衷面。重慶煤科分院對(duì)四 川、江西三個(gè)煤礦1 1 個(gè)煤層煤的比表面積進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明雖小為2 74 m 2 g ，昂大為5 51 3 m 2 g ，因此，成煤過(guò)程中生成的瓦斯就能以游離和吸附這兩 種狀態(tài)存在于煤體內(nèi)。 國(guó)l 瓦斯在煤體內(nèi)的存在形態(tài)示意圍 f i 9 1 c o n f i g u r a t i o n o f g a s s i n c o a l l 吸收瓦斯；2 一煤體；3 吸著瓦斯：4 游離瓦斯；5 孔隙 所謂游離狀態(tài)( 也叫自由狀態(tài)) 是指瓦斯以白由氣體存在，呈現(xiàn)出壓力并服 從自由氣體定律，存在于煤體或圍巖的裂隙和較大孔隙( 孔徑大于0o l “m ) 內(nèi)，如 圖1 所示。游離瓦斯量的大小與貯存空間的容積和瓦斯壓力成j el g ，與瓦斯溫度 安徽理： 人學(xué)碩士學(xué)位論文 成反比。所謂吸附狀態(tài)，是指瓦斯吸附在煤的微孔表面上和煤的微粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部。 吸附瓦斯量的大小，與煤的性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及瓦斯壓力和溫度有關(guān)。 雖然煤體中的瓦斯含量是一定的，但以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在的瓦斯量卻 可以相互轉(zhuǎn)化，這取決于溫度和壓力以及煤中水分等條件的變化。例如，當(dāng)溫度 降低或壓力升高時(shí)，一部分瓦斯將由游離狀態(tài)轉(zhuǎn)化為吸附狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做吸 附。反之，如果溫度升高或壓力降低時(shí)，一部分瓦斯就由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀 態(tài)，這種現(xiàn)象叫做解吸。在現(xiàn)今開(kāi)采深度內(nèi)，煤層內(nèi)的瓦斯主要是以吸附狀態(tài)存 在，游離狀態(tài)的瓦斯只占總量的1 0 左右。原蘇聯(lián)科學(xué)院礦物資源綜合開(kāi)發(fā)研究 所1 9 8 7 年的研究結(jié)果表明，在3 0 0m 1 2 0 0r a 開(kāi)采深度范圍內(nèi)，游離瓦斯僅占5 1 2 。但是在斷層，大的裂隙、孔洞和砂巖內(nèi)，瓦斯貝l j 主要以游離瓦斯?fàn)顟B(tài) 賦存f 4 】。 1 1 3 礦井瓦斯的危害 礦井瓦斯的危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，污染環(huán)境，加劇大氣“溫室效 應(yīng) 。瓦斯的溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的2 l 倍。2 0 0 6 年，我國(guó)產(chǎn)生的瓦斯估計(jì) 為1 9 0 億立方米。2 0 0 7 年產(chǎn)生的瓦斯估計(jì)為2 1 0 億立方米。我國(guó)現(xiàn)在可利用的瓦 斯僅為l o 多億立方米。也就是說(shuō)，2 0 0 7 年我國(guó)有近2 0 0 億立方米的瓦斯直接排 放到大氣中，這對(duì)于環(huán)境的污染相當(dāng)嚴(yán)重。第二，可造成瓦斯窒息事故：當(dāng)空氣 中甲烷濃度為4 3 時(shí)，人就會(huì)感到呼吸非常短促；而當(dāng)甲烷濃度在空氣中達(dá)5 7 時(shí)，人就會(huì)馬上處于昏迷狀態(tài)，有死亡的危險(xiǎn)。第三，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀? 或 大于1 5 時(shí)可釀成瓦斯燃燒事故。第四，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍? - - 1 5 時(shí)，可引起瓦斯 爆炸事故。第五，產(chǎn)生煤與瓦斯突出事故。另外，瓦斯災(zāi)害還可引發(fā)二次災(zāi)害。 1 2 采空區(qū)瓦斯流動(dòng)相關(guān)理論及規(guī)律研究現(xiàn)狀 礦井瓦斯事故主要發(fā)生在采煤工作面，采煤工作面的瓦斯主要有以下三個(gè)來(lái) 源：本煤層瓦斯、鄰近層瓦斯、采空區(qū)瓦斯。在以上三個(gè)來(lái)源中，采空區(qū)瓦斯的 涌出是主要來(lái)源，甚至可以占到整個(gè)工作面瓦斯來(lái)源的7 5 以上，所以采空區(qū)瓦斯 涌出一直是煤礦安全生產(chǎn)中的重大隱患。采空區(qū)是由采空區(qū)內(nèi)遺煤、上下鄰近層 有瓦斯解吸和流動(dòng)的固體煤巖、空隙所組成的空間區(qū)域。在采空區(qū)內(nèi)存在兩種特 性相差很大的空隙：采動(dòng)空隙和原有空隙。采動(dòng)空隙的分布往往有很大的隨機(jī)性， 空隙的間距較大，且與工作面采高、冒落帶巖塊大小及其排列狀況、本層和鄰近 煤巖層的巖性等因素有關(guān)，而原有空隙則可被認(rèn)為只與煤巖性質(zhì)和原始應(yīng)力岡素 1 緒論 有關(guān)，且同一煤巖層的原有空隙相比之下可視為均勻分布。由于采空區(qū)內(nèi)兩種空 隙的并存，因而瓦斯在采空區(qū)內(nèi)的運(yùn)移表現(xiàn)為煤塊內(nèi)的解吸、擴(kuò)散和煤巖采動(dòng)空 隙系統(tǒng)的層流滲透、紊流，其中采動(dòng)空隙是瓦斯流動(dòng)的主要通道。在風(fēng)流由迸風(fēng) 巷進(jìn)入采場(chǎng)時(shí)，其中有一部分風(fēng)流將會(huì)漏入采空區(qū)中，而作為工作面的漏風(fēng)匯的 上隅角則成為采空區(qū)瓦斯涌入工作面的必經(jīng)之路。所以漏風(fēng)流把采空區(qū)中的瓦斯 從上隅角帶出，又由于上隅角處的風(fēng)速很低，引起瓦斯在上隅角的積聚。 另外，相對(duì)于空氣而言，采空區(qū)內(nèi)瓦斯比空氣的密度小，當(dāng)具有高差時(shí)產(chǎn)生 “瓦斯風(fēng)壓 的自然上升力，必然使采空區(qū)內(nèi)含高濃度瓦斯的空氣向上隅角運(yùn)移， 使上隅角成為采空區(qū)高濃度瓦斯集中涌出的地點(diǎn)，這也是上隅角成為工作面采空 區(qū)瓦斯集中涌出和局部積聚超限的重要原因之一。 綜上所述，為了更好的治理工作面及其上隅角的瓦斯隱患，掌握采空區(qū)內(nèi)瓦 斯的分布及流動(dòng)規(guī)律具有重要意義。 1 2 1 采空區(qū)瓦斯?jié)B流理論及實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀 采空區(qū)瓦斯?jié)B流研究是我國(guó)滲流力學(xué)研究領(lǐng)域中正在開(kāi)拓的一個(gè)新方向。建 立瓦斯流動(dòng)介質(zhì)中瓦斯參量隨空間和時(shí)問(wèn)變化的數(shù)學(xué)模型，即建立起瓦斯?jié)B流的 控制方程，是瓦斯流動(dòng)理論研究中一項(xiàng)最基本的工作。早在本世紀(jì)四十年代末， 蘇聯(lián)學(xué)者已經(jīng)建立起考慮吸附瓦斯作用在內(nèi)的煤層瓦斯控制方程。我國(guó)的很多學(xué) 者在這方面也做了大量工作，取得了顯著的成績(jī)。 2 0 世紀(jì)8 0 年代初，遼寧工程技術(shù)大學(xué)( 原阜新礦業(yè)學(xué)院) 著名力學(xué)專(zhuān)家章夢(mèng) 濤【5 l 教授，利用滲流理論，將采場(chǎng)中的空氣流動(dòng)視為在工作面和采空區(qū)不同介質(zhì) 中的滲流，其中將工作面中的滲流視為空隙率為1 的滲流，并依據(jù)質(zhì)量守恒原理建 立了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。這是將多孔介質(zhì)滲流力學(xué)首次應(yīng)用到對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)的研究。 2 0 世紀(jì)9 0 年代，周世寧【6 j 等，在達(dá)西定律( d a r c yl a w ) 基礎(chǔ)上對(duì)建立和應(yīng)用煤層瓦 斯流動(dòng)理論做了開(kāi)拓性工作，其觀點(diǎn)在當(dāng)前瓦斯?jié)B流的研究中仍然有著指導(dǎo)意義。 破碎巖體的滲透率是直接反映采空區(qū)滲流特征的參數(shù)，因此很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)巖石 材料的滲透特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)分析和研究。2 0 0 1 年，l e g r a n d 7 1 采用毛細(xì)管模 型對(duì)破碎巖體滲流時(shí)其孔壓梯度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并與特征長(zhǎng)度為滲透率 的平方根的一個(gè)模型進(jìn)行了比較，得到了每個(gè)模型之問(wèn)結(jié)構(gòu)參數(shù)、雷諾數(shù)、摩擦 因子的關(guān)系式。陳占清、繆協(xié)興【8 】分析了影響巖石材料滲透性諸因素，用巖體的灰 色結(jié)構(gòu)解釋巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣滲透率試驗(yàn)結(jié)果的離散性，指出巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定 巖石滲透率分散的根本原因，巖石的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)僅是誘使?jié)B透率變化的外部條 5 安徽理：【人學(xué)碩士學(xué)位論文 件。余為、李強(qiáng)9 1 等從實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)微分方程出發(fā)，推導(dǎo)出了破碎巖體中的氣體 滲流微分方程，并進(jìn)一步結(jié)合流一固耦合理論導(dǎo)出了破碎巖體中的流一固耦合隨機(jī)微 分方程，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法，進(jìn)行了破碎巖體中的氣體滲流試 驗(yàn)，得出了不同粒徑的破碎砂巖的氣體滲透率，并給出了破碎巖體中的滲透率變 化規(guī)律，豐富了破碎巖體中氣體的滲流理論和試驗(yàn)方法，對(duì)以后該問(wèn)題的進(jìn)一步 研究具有一定的參考價(jià)值。p r a d i pk u m a r 陽(yáng)利用一種專(zhuān)門(mén)的滲透儀對(duì)粗顆粒破碎 巖體和大理石的非d a r c y 收斂流動(dòng)速度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)用于分析破碎巖體流 動(dòng)行為的f o r c h h e i m e r 方程、m i s s b a c h 方程以及w i l k i n s 方程分別進(jìn)行了驗(yàn)證；張 東明、劉見(jiàn)中【l l 】通過(guò)分析上隅角瓦斯積聚的根本原因，依據(jù)滲流理論，在分析采 空區(qū)內(nèi)瓦斯流態(tài)的前提下，通過(guò)建立采空區(qū)瓦斯?jié)B流和分布的數(shù)學(xué)模型，定出邊 界條件，對(duì)采空區(qū)瓦斯流動(dòng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，為分析上隅角瓦斯?jié)舛确植己?預(yù)測(cè)上隅角瓦斯?jié)舛忍峁┝死碚撘罁?jù)。 在采礦工程中，作為承載結(jié)構(gòu)的破碎巖體往往承受較高的軸壓或圍壓，在孔 隙率變化的同時(shí)其固體顆粒的棱角存在進(jìn)一步的破碎或細(xì)化。對(duì)于承壓破碎巖體， 劉衛(wèi)群1 1 2 1 、馬占國(guó)1 1 3 1 等利用破碎巖石滲透儀( 專(zhuān)利號(hào)：z l 0 221 9 4 5 8 4 ) 與m t s 8 1 5 0 2 型巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，基于穩(wěn)態(tài)滲透法和軸向應(yīng)力控制法，研究了不同粒徑的破 碎砂巖、頁(yè)巖、煤等巖體在不同應(yīng)力水平下的水滲流特性。結(jié)果表明：滲透系數(shù) 與軸壓之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系變化；軸壓一定時(shí)滲透系數(shù)和粒徑按冪次關(guān)系變化。李 順才【1 4 1 基于上述試驗(yàn)系統(tǒng)，利用軸向位移控制法，研究了不同粒徑的破碎灰?guī)r、 煤矸石、砂巖菲達(dá)西滲透特性隨孔隙率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：滲流穩(wěn)定時(shí)破碎 巖石的孔壓梯度字與滲流速度v 之間可用二次多項(xiàng)式罷呈：一譬，一b y 2 來(lái)擬合。式 蹴o 蓐 中：為流體的動(dòng)力學(xué)粘度：k 為破碎巖石的滲透率：b 稱(chēng)為d a r c y 流偏離因子。 隨著孔隙率的減少，滲透率七減少，而d a r c y 流偏離因子b 的絕對(duì)值增加。劉衛(wèi)群 【1 5 j 利用r f p a 2 0 0 0 軟件平臺(tái)，結(jié)合支承壓力與破碎巖體充實(shí)率的關(guān)系建立了采空區(qū) 破碎巖體滲流計(jì)算的數(shù)值模型，考慮瓦斯釋放前后的滲流流量變化近似計(jì)算了j 型 通風(fēng)采空區(qū)各處的瓦斯?jié)舛确植?。陳占清、繆協(xié)興【0 6 1 等用譜截?cái)喾ㄓ懻摿瞬蓜?dòng)圍 巖滲流系統(tǒng)在時(shí)變滲透特性和時(shí)變邊界條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，建立了a h m e d s u n a d a 型t e d a r c y 滲流系統(tǒng)的降階動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出系統(tǒng)的失穩(wěn) 條件，通過(guò)研究滲流系統(tǒng)失穩(wěn)，分析了煤礦突水的機(jī)理。黃先伍、唐平等l i ，j 認(rèn)為 破碎巖石的滲透特性主要是由孔隙率決定的，孔隙率不僅與當(dāng)i i 的應(yīng)力有關(guān)，更 取決于加載歷史。劉澤功、石必吲幅】等以瓦斯?jié)B流連續(xù)和穩(wěn)定方程、d a r c y 定律 l 緒論 和l a n g m u i r 方程，研究了瓦斯在釋放通道壁的滲流規(guī)律，并建立了煤層內(nèi)瓦斯單 向滲流的控制方程。 相對(duì)于直接研究巖石材料在應(yīng)力應(yīng)變等條件下滲透率的變化規(guī)律，對(duì)采空區(qū) 破碎巖體的碎脹系數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而利用碎脹系數(shù)來(lái)導(dǎo)出采空區(qū)滲流系數(shù)的方法， 則是截然不同的另一種思路。 繆協(xié)興【l9 】等對(duì)兗州礦區(qū)巖( 煤) 樣進(jìn)行了碎脹與壓實(shí)特性研究，測(cè)定了巖石 ( 煤) 的碎脹系數(shù)、碎脹曲線、壓實(shí)曲線和測(cè)壓曲線。隨后，張振南、繆協(xié)興【2 0 】 又對(duì)松散巖塊壓實(shí)破碎進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出松散巖塊的壓突破規(guī)律。李樹(shù)剛【2 1 】 以采空區(qū)冒落體碎脹特性為劃分依據(jù)，在將采空區(qū)劃分為自然堆積區(qū)、載荷影響 區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了采空區(qū)巖體的碎脹特性。隨后又論述了由于 綜放面采空區(qū)冒落巖體碎脹特性的區(qū)別使在其內(nèi)瓦斯的運(yùn)移形態(tài)有所不同 2 2 1 。張 冬至 2 3 1 等利用相似材料模型實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)資料，研究了采空區(qū)上方覆巖在壓實(shí)過(guò)程 中碎脹系數(shù)隨時(shí)間、工作而推進(jìn)及距離煤層高度的變化規(guī)律。張永波 2 4 1 等利用相 似模擬實(shí)驗(yàn)得出采動(dòng)巖體裂隙分形維數(shù)隨開(kāi)采寬度的增加而增大，巖體碎脹系數(shù) 隨采動(dòng)巖體裂隙分形維數(shù)的增大而增大的結(jié)論。張俊英【2 5 】認(rèn)為長(zhǎng)壁全采時(shí)位于采 空區(qū)邊界內(nèi)附近的破碎巖體碎脹系數(shù)最大，條帶部分開(kāi)采比長(zhǎng)壁全采時(shí)巖體的碎 脹系數(shù)小得多，部分開(kāi)采時(shí)巖體的碎脹系數(shù)隨高度波浪變化，在加載時(shí)煤層區(qū)域 可壓縮量較大。李樹(shù)剛1 2 6 j 通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析了綜放面覆巖關(guān)鍵層頂板來(lái)壓時(shí)對(duì) 采空區(qū)瓦斯的影響，得到了綜放采空區(qū)瓦斯運(yùn)移分布的特點(diǎn)。李宗翔i 2 7 1 等將采空 區(qū)冒落區(qū)看作是非均質(zhì)變滲透系數(shù)的耦合流場(chǎng)，用k o z c r y 理論描述了采空區(qū)滲透 性系數(shù)與巖石冒落碎脹系數(shù)的關(guān)系，用有限元數(shù)值模擬方法求解了采空區(qū)風(fēng)流移 動(dòng)，結(jié)合圖形技術(shù)和具體算例，求解了綜放工作面采空區(qū)三維流場(chǎng)瓦斯涌出擴(kuò)散 方程。為研究冒落非均質(zhì)采空區(qū)流場(chǎng)流態(tài)及其隨邊界條件的變化，李宗翔1 2 8 】等基 于多孔介質(zhì)滲流方程建立了采空區(qū)漏風(fēng)流態(tài)的有限元數(shù)值模型。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例， 從宏觀上描繪了復(fù)雜幾何形狀采空區(qū)的漏風(fēng)流態(tài)( 風(fēng)壓分布等值線和流函數(shù)線) ， 給出更準(zhǔn)確的流態(tài)圖形分布解。指出用流函數(shù)l a p l a c e 方程修正函數(shù)，對(duì)復(fù)雜形 狀和沿多邊界方向非均質(zhì)的采空區(qū)流場(chǎng)計(jì)算，仍能滿(mǎn)足流網(wǎng)正交，其正交性可通 過(guò)剖分網(wǎng)格精度來(lái)控制。得到采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度沿固壁邊界附近的冒落非壓實(shí)區(qū)相 對(duì)較大，工作面上下端附近處的漏風(fēng)強(qiáng)度很大，并直通采空區(qū)深部。 1 2 2 滲流擴(kuò)散理論及實(shí)驗(yàn)研究 瓦斯分子在其本身濃度梯度作用下，由高濃度向低濃度方向運(yùn)移，這就是擴(kuò) 7 一 安徽理：i = 大學(xué)碩士學(xué)位論文 散。章夢(mèng)秋【2 9 】等人對(duì)瓦斯在采空區(qū)的動(dòng)力彌散方程進(jìn)行了推導(dǎo)，同時(shí)介紹了流體 動(dòng)力彌散方程在一些特殊情況下的解析解及其在具體情況下的應(yīng)用。吳強(qiáng)、梁棟【3 0 】 系統(tǒng)闡述了針對(duì)通風(fēng)工程中的風(fēng)流流動(dòng)和瓦斯流動(dòng)、擴(kuò)散問(wèn)題，運(yùn)用流體力學(xué)、 滲流力學(xué)和擴(kuò)改動(dòng)力學(xué)等理論和方法，建立了具有異重流特性的巷道風(fēng)流中瓦斯 紊流運(yùn)移、采場(chǎng)風(fēng)流中瓦斯運(yùn)移和采動(dòng)空間煤層雙重介質(zhì)瓦斯流動(dòng)理論和研究方 法，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)( c f d ) ) 原理開(kāi)展的計(jì)算機(jī)模擬方法的研究。并分別介紹 了回采工作面、巷道、采場(chǎng)空間風(fēng)流流動(dòng)結(jié)構(gòu)、瓦斯運(yùn)移及濃度分布的計(jì)算機(jī)數(shù) 值模擬結(jié)果，以及鄰近煤層瓦斯向開(kāi)采層采空區(qū)流動(dòng)、回采和掘進(jìn)過(guò)程煤層瓦斯 流動(dòng)等流場(chǎng)的瓦斯流動(dòng)和壓力分布約計(jì)算結(jié)果。何啟林【3 l j 在假設(shè)采空區(qū)滲流場(chǎng)與 瓦斯?jié)舛确植剂鲌?chǎng)都是二維穩(wěn)定流場(chǎng)的前提下，根據(jù)瓦斯彌散方程和質(zhì)量守恒定 律建立了瓦斯?jié)舛确植剂鲌?chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并利用伽遼金有限算法作出了模擬解算。 劉澤功、葉建設(shè)【3 2 】基于煤層采動(dòng)后上覆巖層所形成的“o ”形圈分布特征，探討了采 空區(qū)頂板瓦斯抽采巷道的布置原則，并應(yīng)用流場(chǎng)理論分析了實(shí)施項(xiàng)板抽采瓦斯技 術(shù)前后采空區(qū)等處瓦斯流場(chǎng)的分布特征【3 3 1 。 丁廣驤【3 4 j 利用相似理念的基本原理，導(dǎo)出了采場(chǎng)復(fù)雜場(chǎng)流在忽略換熱和壓縮 性條件下的準(zhǔn)則關(guān)系式，隨后又在文獻(xiàn)【3 5 】中給出了三維采空區(qū)內(nèi)變密度混合氣非 線性滲流及擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的基本方程組，并利用g a l e r k i n 有限元法和上游加權(quán)技術(shù)對(duì) 其經(jīng)過(guò)變換的可解方程組進(jìn)行了求解，丁廣驤在文獻(xiàn)【3 6 】以理論流體力學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、 多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)等基本理論，結(jié)合礦井大氣、瓦斯流動(dòng)的特殊性，較詳細(xì)地 介紹了礦井大氣以及采空區(qū)瓦斯的流動(dòng)。蔣曙光、張人偉 3 7 1 將瓦斯一空氣混合氣體 在采空區(qū)中的流動(dòng)視為在多孔介質(zhì)中的滲流，應(yīng)用多孔介質(zhì)流體力學(xué)理論建立了 綜放采場(chǎng)三維流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并采用上浮加權(quán)多單元均衡法對(duì)氣體流動(dòng)模型進(jìn) 行了數(shù)值解算。齊慶杰、黃伯軒【3 8 】根據(jù)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析了采場(chǎng)瓦斯超限 的基本原因，對(duì)采場(chǎng)瓦斯治理的技術(shù)進(jìn)行了論述，并給出了幾種采場(chǎng)瓦斯治理的 方法。李宗翔p 圳從理論上描繪了工作面開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)的漏風(fēng)流態(tài)、氧、氧 化碳、瓦斯和溫度等分布狀態(tài)及其動(dòng)態(tài)過(guò)程。李宗翔f 刪等又用迎風(fēng)格式的有限 元方法求解了非均質(zhì)回采采空區(qū)流場(chǎng)的瓦斯大氣兩相混溶滲流一擴(kuò)散方程。 以上的這些成果為我國(guó)煤礦采空區(qū)瓦斯?jié)B流方面的研究提供了理論基礎(chǔ)，并 為進(jìn)一步研究提供了理論支撐。 l 緒論 1 3 采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究及應(yīng)用 1 3 1 上隅角瓦斯積聚處理技術(shù)研究現(xiàn)狀 對(duì)于綜采面上隅角瓦斯積聚及采空區(qū)瓦斯的處理，國(guó)內(nèi)外采用了很多方法， 主要分為以下幾類(lèi)： 1 降低煤層瓦斯含量措施。 降低煤層瓦斯含量措施主要有本煤層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放和開(kāi)采解放 層等技術(shù)措施。瓦斯抽放的優(yōu)點(diǎn)是適用于瓦斯含量高，僅通風(fēng)方法解決不了時(shí)采 用。 2 消除上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象的措施。 消除上隅角瓦斯措施主要有改變工作面通風(fēng)系統(tǒng)，如采用“z 、“y ，和“w 型通 風(fēng)：工作面留尾巷。這些方法一般適用于煤層瓦斯含量不高，回采工作面瓦斯絕對(duì) 涌出量在5 m 3 m i n 以下時(shí)，通過(guò)與加大風(fēng)量配合使用效果比較好。但對(duì)有煤層自燃 發(fā)火的回采工作面對(duì)防治自燃發(fā)火不利。 3 控制上隅角瓦斯措施。 控制上隅角瓦斯措施主要有采空區(qū)瓦斯抽放、采用下行通風(fēng)、改用俯向偽傾 斜推面方式回采和改變回采工作面的控頂方式增加工作面的控頂距離；采用通風(fēng) 方法、采用改變采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)存三個(gè)區(qū)域的分布方法及利用瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)使瓦斯 向采空區(qū)深部移動(dòng)。這些措施容易實(shí)旌，但受周?chē)h(huán)境因素影響大，穩(wěn)定性差， 且當(dāng)瓦斯絕對(duì)涌出量大于5 m 3 m i n 效果比較差。 4 稀釋上隅角瓦斯?jié)舛却胧?稀釋上隅角瓦斯?jié)舛却胧┏Ｓ玫挠芯稚?、?dǎo)風(fēng)簾等方法。這種措施是迫使一 部分風(fēng)流流經(jīng)工作面上隅角，將上隅角瓦斯稀釋并排出。此法多用于工作面瓦斯 涌出量不大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸薹炔淮髸r(shí)。 1 3 2 采空區(qū)瓦斯處理技術(shù)研究現(xiàn)狀 采空區(qū)瓦斯的涌出，在礦井瓦斯來(lái)源中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，這是由于在瓦斯礦 井采煤時(shí)，尤其是開(kāi)采煤層群和厚煤層條件下，鄰近煤層、未采分層、圍巖、煤 柱和工作面丟煤中都會(huì)向采空區(qū)涌出瓦斯，不僅在工作面開(kāi)采過(guò)程中涌出，并且 工作面采完密閉后也仍有瓦斯繼續(xù)涌出。對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，可防止采空區(qū) 瓦斯的積聚，減少采空區(qū)瓦斯涌出量，消除瓦斯對(duì)工作面安全生產(chǎn)的威脅。 我國(guó)對(duì)采空區(qū)的研究非常重視，國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“采空區(qū)瓦斯抽放技 - 9 安徽理下大學(xué)碩士學(xué)位論文 術(shù)”、“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“采空區(qū)瓦斯抽放工藝與自控裝備的研究”、“十五”科技 攻關(guān)項(xiàng)目“均壓引導(dǎo)抽放采空區(qū)瓦斯控制鄰近層瓦斯涌出技術(shù)與裝備的研究等， 都把采空區(qū)瓦斯治理作為重大課題來(lái)解決。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2 0 0 2 年，我國(guó)共有1 4 1 個(gè)煤礦實(shí)施瓦斯抽放，年抽放瓦斯總量 達(dá)n 1 2 1 7 億m 3 。與2 0 世紀(jì)5 0 年代初期相比，瓦斯抽放礦井?dāng)?shù)量增加了2 5 5 倍，年 瓦斯抽放量增加了近1 0 倍。煤礦瓦斯抽放不僅是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯 爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施，而且可以變害為利，作為煤炭的伴生資源 加以開(kāi)發(fā)利用【4 1 1 。 我國(guó)礦井瓦斯抽放技術(shù)主要有：從抽放的部位上分為本煤層、頂( 底) 板鄰近層、 采空區(qū)瓦斯抽放，從抽放時(shí)間上分為采掘前( 預(yù)抽) 抽放、邊采邊抽、采后抽放( 采 空區(qū)) ；從抽放的管道形狀上分為鉆孔抽放、巷道抽放、封閉己采區(qū)插管抽放等； 從抽放的井上下位置分為井下抽放和地面抽放【4 2 】。 采空區(qū)瓦斯抽放的方式，按采空區(qū)狀態(tài)基本上可劃分為兩類(lèi)：半封閉采空區(qū)抽 放和全封閉采空區(qū)抽放1 4 3 1 。 1 半封閉采空區(qū)瓦斯抽放 半封閉采空區(qū)是指回采工作面后方、工作面回采過(guò)程中始終存在、并且隨著 采面的推進(jìn)，范圍逐漸增加的采空區(qū)。由于這種采空區(qū)是和通風(fēng)網(wǎng)路連通的，來(lái) 源于各個(gè)方面的瓦斯涌入采空區(qū)后，又涌向工作面并經(jīng)回風(fēng)流排出，當(dāng)采空區(qū)積 存和涌出瓦斯較大時(shí)，將使工作面上隅角或回風(fēng)流瓦斯經(jīng)常處于超限狀態(tài)，有時(shí) 還可能由于項(xiàng)板的冒落而引起采空區(qū)瓦斯的突然大量涌出，對(duì)生產(chǎn)構(gòu)成很大的威 脅。若能通過(guò)各種采空區(qū)瓦斯的抽放方法，將采空區(qū)瓦斯抽出，則就可直接減少 工作面的瓦斯涌出量，使回采工作得以安全和順利進(jìn)行。半封閉采空區(qū)抽放瓦斯 在國(guó)內(nèi)外所采用的主要方式有： 1 ) 向冒落拱上方打鉆抽放 鉆孔孔底應(yīng)處在初始冒落拱的上方，以收集處于冒落破壞帶中的上部卸壓層 和未開(kāi)采的煤分層或下部卸壓層涌向采空區(qū)的瓦斯。這種抽放方式，效果明顯， 鉆孔單孔瓦斯流量可達(dá)2 , - , 4 m 3 m i n 左右，采區(qū)瓦斯涌出量比未抽放前可降低2 0 3 5 。 2 ) 插( 埋) 管抽放 插管法抽放，是把帶孔眼的管子在頂板冒落前直接插( 砌) 入采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行抽 放。插管應(yīng)盡量靠近煤層頂部，處于瓦斯?jié)舛容^高的地點(diǎn)。這種方法抽放效果取 決于抽出混合氣體中的瓦斯?jié)舛群椭Ч苤性斐傻呢?fù)壓這兩個(gè)主要因素。與“向冒 1 0 一 l 緒論 落拱上方打鉆抽放 相比，抽放效率低、抽出的瓦斯?jié)舛炔缓芨撸ǔＶ皇? 0 2 5 ，但這種方法成本較低。 3 ) 在老頂巖石中打水平鉆孔抽放 當(dāng)涌向采空區(qū)的瓦斯主要來(lái)自開(kāi)采煤層的頂板之上，而頂板為易于破壞的巖 石，從開(kāi)采層往上打鉆抽放有困難時(shí)，可采用從回風(fēng)巷向煤層上部掘斜巷，一直 進(jìn)入穩(wěn)定的巖石為止，并在斜巷末端作鉆場(chǎng)，迎著工作面推進(jìn)方向打與煤層平行 的2 3 個(gè)鉆孔的方式抽瓦斯。這種抽放方式可以取得較好的抽放效果。缺點(diǎn)是效 果不穩(wěn)定。 4 ) 直接向采空區(qū)打鉆抽放 當(dāng)開(kāi)采的是急傾斜厚煤層時(shí)，可以使用直接向采空區(qū)打鉆抽放瓦斯的方法。 常常從運(yùn)輸水平或回風(fēng)水平的底板巖巷或下部煤層的巷道向采空區(qū)打鉆。抽放鉆 孔進(jìn)入采空區(qū)的位置以靠近回風(fēng)側(cè)、在階段垂高的0 3 左右處為宜。這種方法也適 用于傾斜和緩傾斜煤層條件。 5 ) 頂板尾巷抽放 在工作面開(kāi)采之前，于開(kāi)切眼外煤柱內(nèi)，距工作面回風(fēng)巷1 3 工作面長(zhǎng)度處， 掘一斜巷至開(kāi)采層頂部一定高度，再作平巷伸入工作面里一段距離，在巷口密閉 插管，待工作面推進(jìn)一定距離后開(kāi)始抽放。 6 ) 工作面尾巷抽放 即在回采工作面具有與回風(fēng)巷平行的排瓦斯尾巷、采取風(fēng)排措旌還不能解決 瓦斯超限問(wèn)題的條件下，采取的逐段密閉瓦斯尾巷接管抽放采空區(qū)瓦斯的一種方 式。 7 ) 地面鉆孔抽放 這種采空區(qū)瓦斯抽放方式在國(guó)外應(yīng)用得多些。國(guó)內(nèi)也有部分煤礦使用這種瓦 斯抽放方式。 2 全封閉采空區(qū)瓦斯抽放 全封閉采空區(qū)是指工作面( 或采區(qū)、礦井) 己采完封閉的采空區(qū)，也稱(chēng)老采空 區(qū)。老采空區(qū)雖與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)隔絕，但采空區(qū)中往往積存大量的高濃度瓦斯， 它仍有可能通過(guò)巷道密閉或隔離煤柱的裂隙往外泄出，從而增加礦井通風(fēng)的負(fù)擔(dān) 和不安全因素。全封閉采空區(qū)瓦斯抽放有以下幾種不同的方式： 1 ) 報(bào)廢礦井抽放瓦斯 報(bào)廢礦井一般都開(kāi)采了很大的范圍，在采空區(qū)內(nèi)不僅積存大量的瓦斯，并且 在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)涌出瓦斯，可進(jìn)行瓦斯抽放和利用。報(bào)廢礦井抽放瓦斯除 安徽理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 必須具備瓦斯儲(chǔ)量豐富的條件外，還應(yīng)具有井下無(wú)水和與鄰近礦井相隔離及地表 密封的條件。具體實(shí)施時(shí)，對(duì)各個(gè)井口都要進(jìn)行密閉，以防漏氣。用其中的一個(gè) 井筒安裝管子插入密閉進(jìn)行抽放，抽放管路在各個(gè)水平都要設(shè)開(kāi)口，以便在深部 水平充滿(mǎn)水和二氧化碳時(shí)還能繼續(xù)進(jìn)行抽放。 2 ) 開(kāi)采己久的老采空區(qū)瓦斯抽放 開(kāi)采己久的采空區(qū)內(nèi)一般仍有大量的瓦斯儲(chǔ)存，將這部分瓦斯抽出并加以利 用是很有意義的。我國(guó)很多礦井都進(jìn)行了開(kāi)采己久的老采空區(qū)的瓦斯抽放。此外， 還有采完不久的采空區(qū)瓦斯抽放和地面鉆孔抽放等方法。 考察結(jié)果表明1 ：采空區(qū)瓦斯最佳抽放位置一般是在距工作面3 0 6 0 m 的范 圍內(nèi)，且采空區(qū)瓦斯抽放應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合理的抽放量，具體是多少可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)確 定。例如，平煤試驗(yàn)結(jié)果是，采空區(qū)瓦斯抽放量( 混合量) 在2 0 , - ，3 0 m 3 m i n 之間較 為合適。因?yàn)檫@樣可以很好地?cái)r截采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，而且抽出的瓦斯?jié)?度較高，效果明顯。 采空區(qū)瓦斯抽放對(duì)于降低工作面瓦斯涌出量，消除上隅角瓦斯超限和積聚， 改善安全狀況，起到了一定的作用。實(shí)踐表明，對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出量較大的綜采 工作面采用采空區(qū)瓦斯抽放( 或引排) 和處理局部( 上隅角) 瓦斯積聚等方法，雖在一 定程度上緩解和減少了工作面回風(fēng)瓦斯超限和局部瓦斯積聚問(wèn)題，但仍存在著一 些問(wèn)題，如采空區(qū)瓦斯抽放效果普遍較差，抽放率低等，瓦斯問(wèn)題仍然沒(méi)有得到 很好的解決。隨著技術(shù)及材料的進(jìn)步，y 型通風(fēng)方式已經(jīng)在淮南礦區(qū)部分礦井得 到了很好的應(yīng)用，對(duì)于綜采工作面的瓦斯治理起到了良好效果。 1 4 問(wèn)題的提出 通過(guò)以上論述可知，治理好采空區(qū)的瓦斯對(duì)徹底解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題起 到了關(guān)鍵作用。在眾多的上隅角瓦斯治理措施中，很難找到一種完美的、適用于 各種礦井條件的方法。相比較而言，對(duì)于工作面瓦斯絕對(duì)涌出量不大且沒(méi)有煤層 自燃發(fā)火傾向的回采工作面，采用y 型通風(fēng)方式治理上隅角瓦斯是一種很好的選 擇。 綜采工作面采用y 型通風(fēng)系統(tǒng)，在同樣風(fēng)量條件下，可以較好地解決工作面 上隅角瓦斯積聚和超限問(wèn)題，改善綜采工作面的安全環(huán)境，為提高綜采面的綜合 經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造條件；綜采工作面采用y 型通風(fēng)系統(tǒng)，可以提高治理瓦斯的能力， 提高綜采面單產(chǎn)量，減少綜采設(shè)備、人員及相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)投入，降低采煤成本；綜 采面采用y 型通風(fēng)系統(tǒng)不僅少掘一條工作面巷道，而且少留相鄰工作面間的煤柱， 1 2 1 緒論 提高采區(qū)的回收率，為國(guó)家節(jié)約資源；綜采面采用y 型通風(fēng)系統(tǒng)，還可以使礦井 總風(fēng)阻降低，節(jié)約主扇運(yùn)行費(fèi)用。 由于材料、技術(shù)等方面的原因，長(zhǎng)期以來(lái)，y 型通風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)礦井中的應(yīng) 用受到了很大的限制。但是，隨著淮南礦業(yè)集團(tuán)“低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦 斯共采關(guān)鍵技術(shù) 課題組在相關(guān)技術(shù)上所取得的巨大突破，使得在相應(yīng)的煤礦中 推廣y 型通風(fēng)系統(tǒng)成為可能。研究成果集成創(chuàng)新了沿空留巷y 型通風(fēng)煤與瓦斯共 采關(guān)鍵技術(shù)所涉及的理論、技術(shù)、材料、裝備及工藝系統(tǒng)，在淮南顧橋、新莊孜， 皖北臥龍湖等礦成功實(shí)施該技術(shù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，達(dá)到了 國(guó)際領(lǐng)先水平。 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的研究主要是以u(píng) 型通風(fēng)采空區(qū)為對(duì)象，而 對(duì)于y 型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的研究卻很少，本論文就是在這種背景下，以淮南 顧橋礦1 115 ( 1 ) i 作面為對(duì)象，對(duì)其所采用的二進(jìn)一回y 型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)瓦斯 流場(chǎng)迸行研究。主要研究?jī)?nèi)容： ( 1 ) 采場(chǎng)滲透特性分析，通過(guò)分析頂板離層規(guī)律及采空區(qū)巖石碎脹特性，分析 采場(chǎng)多孔介質(zhì)空間的滲透特性； ( 2 ) 瓦斯在采空區(qū)的流動(dòng)理論分析； ( 3 ) “二進(jìn)一回 y 型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的分布規(guī)律； ( 4 ) “二迸一回 y 型通風(fēng)方式下主、副進(jìn)風(fēng)巷采取不同配風(fēng)比例時(shí)工作面 的通風(fēng)效果。 1 5 研究方法和技術(shù)路線 1 5 1 研究方法 本課題的研究分三個(gè)階段：第一階段為理論準(zhǔn)備期，主要是通過(guò)閱讀文獻(xiàn)， 學(xué)習(xí)和掌握采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)研究的相關(guān)理論。第二階段的主要工作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及 數(shù)據(jù)收集。第三階段的工作為模擬及綜合分析。 課題的研究方法： ( 1 ) 通過(guò)對(duì)采空區(qū)上覆巖層裂隙分布范圍的分析，確定瓦斯在采空區(qū)流動(dòng)的空 間； ( 2 ) 通過(guò)對(duì)采空區(qū)上覆巖層裂隙分布的分析，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，估算采空區(qū) 孔隙率、風(fēng)阻等參數(shù)； ( 3 ) 根據(jù)滲流方程和風(fēng)量邊界條件建立采空區(qū)氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型： 1 3 安徽理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 利用f l u e n t 軟件模擬二進(jìn)一回y 型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的分布， 并據(jù)此研究瓦斯流場(chǎng)的分布規(guī)律； ( 5 ) 利用f l u e n t 軟件模擬二進(jìn)一回y 型通風(fēng)系統(tǒng)上、下順槽不同比例風(fēng)量分 配的效果。 1 5 2 技術(shù)路線 圖2 主要技術(shù)路線流程圖 f i g 2t e c h n i c a lr o u t em a p 1 4 2 采煤j 作面y 型通風(fēng)冉式分析 2 采煤工作面y 型通風(fēng)方式分析 2 1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)綜述 采煤工作面采用何種通風(fēng)系統(tǒng)，主要取決于以下幾個(gè)因素：采煤工作面的瓦 斯涌出量及分布、工作面的溫度、煤層自然發(fā)火等。根據(jù)采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)巷 道的布簧方式和數(shù)量，常見(jiàn)的工作面通風(fēng)系統(tǒng)可分為以下幾種類(lèi)型“1 ： 1u 型通風(fēng)系統(tǒng) u 型通風(fēng)系統(tǒng)又分為u 型后退式通風(fēng)系統(tǒng)和u 型前進(jìn)式通風(fēng)系統(tǒng)兩種，u 型 通風(fēng)系統(tǒng)如圖3 所示。工作面通風(fēng)系統(tǒng)只有一條進(jìn)風(fēng)巷道和一條回風(fēng)巷道。一般 情況下，進(jìn)入：_ = 作面的風(fēng)流端稱(chēng)為源，流出工作面的風(fēng)流端稱(chēng)為匯。因此，u 型 通風(fēng)工作面又稱(chēng)為一源一匯工作面。實(shí)際上，在風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入采場(chǎng)時(shí)，其中 會(huì)有一部分風(fēng)流漏入采空區(qū)中，而作為工作面的漏風(fēng)匯上隅角則成為采空區(qū)瓦斯 涌入工作面的必經(jīng)之路。所以漏風(fēng)流把采空區(qū)中的瓦斯從上艄角帶出義由于上 隅角處的風(fēng)速很低，所以引起上隅角瓦斯的積聚。在兩種u 型通風(fēng)系統(tǒng)中，u 型 后退式通風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)使用最為普遍。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單巷道旌工維修量小， 工作面漏風(fēng)小，風(fēng)流穩(wěn)定，易于管理等；缺點(diǎn)是上隅角瓦斯易超限，工作面進(jìn)、 回風(fēng)巷要提前掘進(jìn)，維護(hù)工作量大。 曲后退式u 型通風(fēng)系統(tǒng)b ) 前進(jìn)式u 型通風(fēng)系統(tǒng) 圖3u 型通風(fēng)系統(tǒng) f i 晷3u - g , p e v e n t i l a t i o ns y s t e m 2 z 型通風(fēng)系統(tǒng) z 型通風(fēng)系統(tǒng)也分為z 型后退式通風(fēng)系統(tǒng)和z 型前進(jìn)式通風(fēng)系統(tǒng)兩種，如圖 4 所示。采用z 型后退式通風(fēng)系統(tǒng)的一 作面的采空區(qū)瓦斯會(huì)隨風(fēng)流直接涌向回m 巷。工作i 自】采寧區(qū)回風(fēng)側(cè)能用鉆孔抽放缸斯，進(jìn)風(fēng)側(cè)不能抽放瓦斯。但z 型前進(jìn) 安徽理i 大學(xué)碩十學(xué)位論文 式通風(fēng)系統(tǒng)工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)可以抽放瓦斯，且采空區(qū)的瓦斯極易涌向工 作面i 二隅角，其回風(fēng)側(cè)不能抽放瓦斯。z 型通風(fēng)系統(tǒng)的采空區(qū)漏風(fēng)，介于采用u 型后退式和u 型前進(jìn)式通風(fēng)系統(tǒng)之日j ；此種通風(fēng)系統(tǒng)需要沿空支護(hù)巷道和控制經(jīng) 過(guò)采空區(qū)的漏風(fēng)，實(shí)際使用起來(lái)難度較大。 町厲遐式z 型通風(fēng)系統(tǒng)吣前進(jìn)式z 聱! 通風(fēng)系統(tǒng) 圖4z 型通風(fēng)系統(tǒng) f i g a z - t y p ev e n t i l a t i o ns y s t e m 3h 型通風(fēng)系統(tǒng) 在h 型通風(fēng)系統(tǒng)中，兩進(jìn)兩回的通風(fēng)系統(tǒng)如圖5a ) ，二三進(jìn)一l 旦| 系統(tǒng)如嘲5b ) 。 其特點(diǎn)是：工作面風(fēng)量人，采空區(qū)瓦斯小涌向工作血。t 象條件好，增加了工作 面的安全出口，工作面機(jī)電設(shè)備都在新鮮風(fēng)流巷道中，通風(fēng)阻力小，在采空區(qū)的 回風(fēng)巷道中可抽放瓦斯，易于控制上隅角的瓦斯；但沿空護(hù)巷困難。山于有附加 巷道，可能影響通風(fēng)的穩(wěn)定性，管理復(fù)雜。在_ 作面和采空區(qū)的瓦斯涌出量都較 大，在入風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)都需增加風(fēng)量以稀釋整個(gè)工作面的瓦斯時(shí)，可考慮采用h 型通風(fēng)系統(tǒng)。 由兩進(jìn)兩同h 型通風(fēng)系統(tǒng)b ) 三進(jìn)一網(wǎng)h 型通風(fēng)系統(tǒng) 囤5h 型通風(fēng)系統(tǒng) f k 5 h - t y p e v e n t i l a t i o a d “ 1 6 一 嗣一露一翮藕蕈 圈 氡。|圜葷 2 采煤l ：作面y 型通風(fēng)方式分析 4 w 型通風(fēng)系統(tǒng) 也叫雙工作面通風(fēng)系統(tǒng)，有多種布置形式，如圖6 所示。這種通m 系統(tǒng)能夠 增加工作面的風(fēng)量( 在相同地質(zhì)條件下，w 形工作面風(fēng)量要比u 、y 形增加一倍) ， 適用于長(zhǎng)工作面，且安全出u 多、運(yùn)輸能力大，能適應(yīng)工作面產(chǎn)量增加的要求， 還有利于煤層的瓦斯抽放，但系統(tǒng)較為復(fù)雜掘進(jìn)工作最大。 圖6w 型通風(fēng)系統(tǒng) f i 9 6 w - t y p e v e n t i l a t i o ns y s t e m 5y 型通風(fēng)系統(tǒng) 這種采煤工作而通風(fēng)系統(tǒng)是兩進(jìn)一心或進(jìn)兩心形式的采煤工作面通風(fēng)系 統(tǒng)。因?yàn)楸疚乃芯康氖莾蛇M(jìn)一回y 型通風(fēng)系統(tǒng)治理上隅角的瓦斯，因此以下僅 雨點(diǎn)介紹兩進(jìn)一回y 碰通風(fēng)系統(tǒng)。兩進(jìn)一回y 型通風(fēng)系統(tǒng)如圖7 所示，其中a ) 為兩進(jìn)回后退式通風(fēng)系統(tǒng)，b 1 為兩進(jìn)一回前進(jìn)式通風(fēng)系統(tǒng)。 安徽理i ：人學(xué)碩k 學(xué)