立體瓦斯抽采對采空區(qū)三帶分布的研究

1、 立體瓦斯抽采對采空區(qū)“三帶”分布的研究 摘要：針對立體瓦斯抽采對采空區(qū)三帶劃分的影響，以研究采空區(qū)風流速度的變化為切入點，以義馬集團耿村礦12200工作面u+型綜放面為背景，研究在立體瓦斯抽采系統(tǒng)下，由于漏風而造成的采空區(qū)三帶分布的變化。經研究發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采及采空區(qū)浮煤自熱產生的內生火風壓加劇了采空區(qū)的漏風，進而加劇了采空區(qū)浮煤的氧化。此研究對高瓦斯易自燃煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治提供了新思路，具有一定的理論及現(xiàn)實意義。 關鍵詞：瓦斯抽采；采空區(qū)；漏風；火風壓；三帶； stereo gas drainage to study of the distribution of the goaf thre

2、e zones yu ming-gao1, zhao zhi-jun1 ,chu ting-xiang1,2 (1.school of safety science and engineering, henan polytechnicuniversity, jiaozuo,henan 454003, china；2. the state key laboratory of coal resources and mine safety, cumt ，xuzhou,jiangsu,221008, china;) abstract:aimed at the effection of stereo g

3、as drainage to three zones division, though the study ot change in the airflow velocity, choosed the u+type fully machined workface of yangquan mine, research in stereo gas extraction system, due to air leakage resulting from the three zones distribution of changing. find gas drainage and endogenous

4、 fire heating air pressure derived from coal goaf float self-heating warming make goaf leakage deteriorating，further aggravated goaf float coal oxidation. the study provides a new thinking of controlling coal spontaneous combustion. to the high gas and easy spontaneous combustion. coal-seam of fully

5、 machined workface, which had certain theory and practical significance. keywords: gas drainage;goaf;air leakage;fire heating air pressure; three zones; 礦井瓦斯和煤層自燃是嚴重威脅煤礦井下安全生產的兩大主要災害，當?shù)V井瓦斯和煤層自燃同時存在時，對于礦井的安全生產和人員的安全則構成了雙重威脅。特別對于高瓦斯易自燃礦井，往往在解決瓦斯的同時，由于瓦斯抽采，造成采空區(qū)漏風加劇，引發(fā)采空區(qū)破裂遺煤自燃；同時由于采空區(qū)浮煤的自燃，在采空區(qū)局部形成了內生

6、火風壓，進而加劇了采空區(qū)浮煤自燃的供氧動力1；另一方面，由于煤自燃又成為瓦斯燃燒和爆炸的引火源，嚴重地影響瓦斯的安全抽采；因此，就如何能夠在防治采空區(qū)浮煤自燃的措施中，兼顧卸壓瓦斯的抽采；如何能夠在瓦斯抽采過程中，兼顧著對采空區(qū)浮煤供氧動力的有效控制達到防治浮煤自燃，成為高瓦斯易自燃 礦井，如何實現(xiàn)安全生產的關鍵課題之一。因此，弄清它們的內在基本規(guī)律，找出二者的互動影響過程，對協(xié)調二者災害關系將是十分有意義的。據(jù)有關部門19531984年32年的不完全統(tǒng)計，我國統(tǒng)配煤礦和重點煤礦火災事故中，內因火災占事故總數(shù)的94%，外因火災僅占6%。根據(jù)統(tǒng)計資料，按采空區(qū)、巷道及其它地點分類，采空區(qū)自然發(fā)火

7、次數(shù)占火災總數(shù)的60%，巷道煤柱自然發(fā)火占29%，其他地點自燃發(fā)火占11%2?？梢?，防止自然火災，特別是采空區(qū)內自然火災的發(fā)生，是避免煤礦火災、保證安全生產的重點工作之一。 本文以義馬集團耿村礦12200工作面u+型通風系統(tǒng)為例，來研究在其影響下采空區(qū)自燃三帶的分布情況及防治浮煤自燃的措施。 1 工作面概況 12200綜放工作面的標高為145188m，地表標高為620651m，埋藏深度為432506m。工作面切眼長186m，工作面平均走向長885m，主采2-3煤層，煤厚12.218.3m，平均厚度14.87m，煤層傾角812，工作面巷道布置如圖1。 工作面的通風瓦斯管理采用u型外加高抽巷的通風

8、布置方式，是近年來廣泛采用的放頂煤工作面瓦斯治理技術。在其原來傳統(tǒng)的u型通風系統(tǒng)基礎上，另距回風巷內側沿頂板裂隙帶布置一條高抽巷。在工作面割煤初期，高抽巷所起的作用不會太大，但隨著工作面的推進，老頂初次來壓顯現(xiàn)以后，上覆巖層采動裂隙開始逐漸發(fā)育，這時高抽巷將會逐漸發(fā)揮作用，卸壓瓦斯會大量涌入高抽巷，瓦斯?jié)舛葘黾?，整個抽采效果也會因此得到較大提高。 2覆巖層裂隙的形成及漏風動力的建立 2.1采空區(qū)上覆巖層裂隙的形成 以錢鳴高院士為首的科研群體對整個上覆巖層直至地表巖層的整體運動規(guī)律3提出了橫三區(qū)、豎三帶總體認識，即沿工作面推進方向上覆巖層將分別經歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)，由下而上

9、巖層移動劃分為垮落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶。在卸壓區(qū)內巖層應以拉應力為主，當超過其巖體的極限抗拉強度時，便會出現(xiàn)縱向裂隙，因此在頂板覆巖周期斷裂時，在煤壁前方頂板巖層內會產生開口向上的縱向裂隙，在煤壁后方頂板巖層內會產生開口向下的縱向裂隙，上覆巖層裂隙分布如圖2。高抽巷布置在裂隙帶內。與采空區(qū)間形成一條漏風通道。上一頁 1 2下一頁 2.2漏風動力的建立 由于瓦斯抽采負壓及上覆巖層的裂隙發(fā)育，形成漏風動力及漏風通道。風流在抽采負壓的作用下，沿采空區(qū)及上覆巖層的裂隙通道彌散，造成采空區(qū)立體風流運移，致使采空區(qū)浮煤處于適宜的供氧環(huán)境中，促使采空區(qū)浮煤與氧氣接觸區(qū)域增大、強度增加。隨著工作面的正常

10、推進和氧化作用時間的增加，采空區(qū)浮煤氧化生熱增加，發(fā)熱煤體溫度升高，加上漏風兩端的溫度差及高壓差形成了內生火風壓， 加劇采空區(qū)浮煤自燃的供氧動力及氧化動力。在內生火風壓的作用下，可能在高溫區(qū)與非高溫區(qū)之間形成慢速渦流，使熱量形成對流交換，促使里外煤體共同升溫，致使采空區(qū)浮煤氧化加劇，最終導致浮煤自燃的發(fā)生。 3 u+型通風系統(tǒng)對三帶劃分的影響 3.1數(shù)值模擬及分析 以義馬集團耿村礦12200工作面u+型通風系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的研究采空區(qū)的立體漏風。根據(jù)12200工作面的開采條件及上覆巖層裂隙發(fā)育的特征，通過fluent對采空區(qū)及上覆巖層卸壓區(qū)域漏風流場的模擬4-9，從圖中看以看出，采空區(qū)流場呈現(xiàn)三

11、維變化，受高抽巷影響較大，如圖3。 圖3 12200采空區(qū)漏風風速分布圖（00.005m/s） fig.3 the air leakage speed in15101 goaf（00.005m/s） 從圖3可知，在高抽巷影響下造成了采空區(qū)的立體風流變化。在其影響下，采空區(qū)風流速度分布打破了原先普通采空區(qū)自燃三帶的劃分范圍，而在采空區(qū)深部也形成了較強的漏風，這樣就造成了采空區(qū)風流速度分布的不規(guī)律。從圖中還可看到，在后高抽巷部漏風風流速度較大，實際上這些較大的風流速度不能使浮煤自燃，因為散失的熱量大于生成的熱量，因此就在這漏風流較大的區(qū)域之間，形成了適合浮煤自燃的風流速度區(qū)域，而在自燃帶的中部也形

12、成一個不適合浮煤自燃近似橢圓型的漏風區(qū)域，由此可見，氧化自燃帶是一個不規(guī)則的環(huán)形區(qū)域。 3.2 實測12200工作面高抽巷氣體分析 在工作面的推進一段距離后，隨著老頂初次來壓，工作面上覆巖層破斷裂隙形成后，對高抽巷氣體進行了實測，如圖4。 fig.4 ch4 and o2 concentration over time variations 在工作面正?；夭善陂g，通過對高抽巷氣體成分的分析，瓦斯平均濃度為9%左右，而o2濃度占有量竟達到15%左右，從而說明在高抽巷的影響下，采空區(qū)漏風存在，并且加劇了采空區(qū)的漏風。 3.3自燃三帶的復雜化 如果根據(jù)采空區(qū)漏風流速來劃分采空區(qū)三帶，一般可分為：不自

13、燃帶，流速0.24m/min；自燃帶，0.24m/min流速0.1m/min；窒息帶，流速0.1m/min。在不受高抽巷影響下的u型通風系統(tǒng)，根據(jù)采空區(qū)漏風流速來劃分采空區(qū)三帶的情況如圖5所示10： fig.5 according to air leakage of the goaf to divided the three zones scope 在有高抽巷的影響下，根據(jù)采空區(qū)漏風流速來劃分采空區(qū)三帶的范圍，并不是很有順序的三帶劃分，而是形成了多塊型、不規(guī)則狀劃分，根據(jù)模擬結果圖3（采空區(qū)漏風風速分布圖）來劃分采空區(qū)三帶示意圖，如圖6。 fig.6 in the u + under the

14、influence of the three zones division schemes 1）結合圖3圖6可知，工作面前方一段距離由于風流速度大于0.24 m/min，散熱大于生熱，仍是不自燃帶；圖中自燃帶范圍明顯比沒有高抽巷影響下自燃帶范圍大得多，這是由于在高抽巷的開拓下，對上覆巖層進行了區(qū)域性卸壓，造成周圍巖體松動，誘導裂隙發(fā)育，并且隨著工作面的正常推進，上覆煤巖層的裂隙形成橫向及縱向的發(fā)育，致使在抽放負壓的條件下，形成了采空區(qū)-煤巖裂隙-抽放巷這樣的漏風通道，增加了采空區(qū)的漏風，致使采空區(qū)三帶中自燃帶范圍增大。 2）結合圖3可知，在自燃帶范圍內出現(xiàn)了兩個特殊區(qū)，窒息帶1和不自燃帶2。隨

15、著回采工作面的的推進，采空區(qū)上部覆巖逐漸垮落，采空區(qū)中部逐漸壓實，漏風風流難以通過，從而就形成了窒息帶1；而兩巷附近由于煤柱的支撐，形成了漏風通道，風流貫通到窒息帶1后部，再加上后高抽巷的影響，采空區(qū)后部漏風加劇，由于漏風風速較大從而形成了不自燃帶2。另外，在采空區(qū)后部，由于漏風孔隙通道的壓實，再加上切眼處防漏的處理，漏風風流逐漸減少，就形成了窒息帶2。 5 結論 1）由于瓦斯抽采及上覆巖層的裂隙發(fā)育，形成了漏風動力及漏風通道，造成了采空區(qū)漏風的加劇，進而為采空區(qū)浮煤自燃提供了充足的供氧條件； 2）由于采空區(qū)浮煤自熱升溫，在采空區(qū)局部形成內生火風壓，進一步加劇了采空區(qū)的漏風。 3）在u+型通風

16、方式影響下，根據(jù)采空區(qū)漏風流速來劃分采空區(qū)三帶 的范圍，則三帶形成了多塊型、不規(guī)則狀劃分，改變了原先規(guī)則、有序的劃分。 參考文獻： 1 褚廷湘,余明高,楊勝強等. 煤巖裂隙發(fā)育誘導采空區(qū)漏風及自燃防治研究j.采礦與安全工程學報,2010,27(1):87-93. 2 宋永津.礦井均壓防火m.北京:煤炭工業(yè)出版社,2001. 3錢鳴高,繆協(xié)興.采場上覆巖層結構的形態(tài)與受力分析j.巖石力學與工程學報,1995,14(1995),97-106. 4 文虎.綜放工作面采空區(qū)煤自燃過程的動態(tài)數(shù)值模擬j.煤炭學報,2002,27(1):54-58. 5 張辛亥,劉燦,周金生等.綜放面采空區(qū)流場模擬及自燃危

17、險區(qū)域劃分j.西安科技大學學報,2006,26(1):6-9. 6 balusu, r., deguchi, g., holland, r., moreby, r., xue, s.,wendt, m. & mallett, c. goaf gas flow mechanics and development of gas and sponcom control strategies at a highly gassy mine j. coal and safety. 2002,20: 35-45. 7 liming yuan, alex c.smith. numerical study on effects of coal properties