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(fēng)流速度的變化為切入點(diǎn)，以義馬集團(tuán)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(fēng)而造成的采空區(qū)三帶分布的變化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采及采空區(qū)浮煤自熱產(chǎn)生的內(nèi)生火風(fēng)壓加劇了采空區(qū)的漏風(fēng)，進(jìn)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(shí)意義。 關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；采空區(qū)；漏風(fēng)；火風(fēng)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(yán)重威脅煤礦井下安全生產(chǎn)的兩大主要災(zāi)害，當(dāng)?shù)V井瓦斯和煤層自燃同時(shí)存在時(shí)，對于礦井的安全生產(chǎn)和人員的安全則構(gòu)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(shí)，由于瓦斯抽采，造成采空區(qū)漏風(fēng)加劇，引發(fā)采空區(qū)破裂遺煤自燃；同時(shí)由于采空區(qū)浮煤的自燃，在采空區(qū)局部形成了內(nèi)生

6、火風(fēng)壓，進(jìn)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(yán)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(dá)到防治浮煤自燃，成為高瓦斯易自燃 礦井，如何實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵課題之一。因此，弄清它們的內(nèi)在基本規(guī)律，找出二者的互動影響過程，對協(xié)調(diào)二者災(zāi)害關(guān)系將是十分有意義的。據(jù)有關(guān)部門19531984年32年的不完全統(tǒng)計(jì)，我國統(tǒng)配煤礦和重點(diǎn)煤礦火災(zāi)事故中，內(nèi)因火災(zāi)占事故總數(shù)的94%，外因火災(zāi)僅占6%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，按采空區(qū)、巷道及其它地點(diǎn)分類，采空區(qū)自然發(fā)火

7、次數(shù)占火災(zāi)總數(shù)的60%，巷道煤柱自然發(fā)火占29%，其他地點(diǎn)自燃發(fā)火占11%2?？梢?，防止自然火災(zāi)，特別是采空區(qū)內(nèi)自然火災(zāi)的發(fā)生，是避免煤礦火災(zāi)、保證安全生產(chǎn)的重點(diǎn)工作之一。 本文以義馬集團(tuán)耿村礦12200工作面u+型通風(fēng)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(biāo)高為145188m，地表標(biāo)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(fēng)瓦斯管理采用u型外加高抽巷的通風(fēng)

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(shù)。在其原來傳統(tǒng)的u型通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，另距回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)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(jìn)，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(shí)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黾樱麄€(gè)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(fēng)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(gè)上覆巖層直至地表巖層的整體運(yùn)動規(guī)律3提出了橫三區(qū)、豎三帶總體認(rèn)識，即沿工作面推進(jìn)方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支承影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)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(nèi)巖層應(yīng)以拉應(yīng)力為主，當(dāng)超過其巖體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會出現(xiàn)縱向裂隙，因此在頂板覆巖周期斷裂時(shí)，在煤壁前方頂板巖層內(nèi)會產(chǎn)生開口向上的縱向裂隙，在煤壁后方頂板巖層內(nèi)會產(chǎn)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(nèi)。與采空區(qū)間形成一條漏風(fēng)通道。上一頁 1 2下一頁 2.2漏風(fēng)動力的建立 由于瓦斯抽采負(fù)壓及上覆巖層的裂隙發(fā)育，形成漏風(fēng)動力及漏風(fēng)通道。風(fēng)流在抽采負(fù)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(fēng)流運(yùn)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(qiáng)度增加。隨著工作面的正常

10、推進(jìn)和氧化作用時(shí)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(fēng)兩端的溫度差及高壓差形成了內(nèi)生火風(fēng)壓， 加劇采空區(qū)浮煤自燃的供氧動力及氧化動力。在內(nèi)生火風(fēng)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(dǎo)致浮煤自燃的發(fā)生。 3 u+型通風(fēng)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(tuán)耿村礦12200工作面u+型通風(fēng)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的研究采空區(qū)的立體漏風(fēng)。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(fēng)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(fēng)風(fēng)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(fēng)流變化。在其影響下，采空區(qū)風(fēng)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(qiáng)的漏風(fēng)，這樣就造成了采空區(qū)風(fēng)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(fēng)風(fēng)流速度較大，實(shí)際上這些較大的風(fēng)流速度不能使浮煤自燃，因?yàn)樯⑹У臒崃看笥谏傻臒崃?，因此就在這漏風(fēng)流較大的區(qū)域之間，形成了適合浮煤自燃的風(fēng)流速度區(qū)域，而在自燃帶的中部也形

12、成一個(gè)不適合浮煤自燃近似橢圓型的漏風(fēng)區(qū)域，由此可見，氧化自燃帶是一個(gè)不規(guī)則的環(huán)形區(qū)域。 3.2 實(shí)測12200工作面高抽巷氣體分析 在工作面的推進(jìn)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(jìn)行了實(shí)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(dá)到15%左右，從而說明在高抽巷的影響下，采空區(qū)漏風(fēng)存在，并且加劇了采空區(qū)的漏風(fēng)。 3.3自燃三帶的復(fù)雜化 如果根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)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(fēng)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(jié)果圖3（采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)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(jié)合圖3圖6可知，工作面前方一段距離由于風(fēng)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(jìn)行了區(qū)域性卸壓，造成周圍巖體松動，誘導(dǎo)裂隙發(fā)育，并且隨著工作面的正常推進(jìn)，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(fù)壓的條件下，形成了采空區(qū)-煤巖裂隙-抽放巷這樣的漏風(fēng)通道，增加了采空區(qū)的漏風(fēng)，致使采空區(qū)三帶中自燃帶范圍增大。 2）結(jié)合圖3可知，在自燃帶范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)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(jìn)，采空區(qū)上部覆巖逐漸垮落，采空區(qū)中部逐漸壓實(shí)，漏風(fēng)風(fēng)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(fēng)通道，風(fēng)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(fēng)加劇，由于漏風(fēng)風(fēng)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(fēng)孔隙通道的壓實(shí)，再加上切眼處防漏的處理，漏風(fēng)風(fēng)流逐漸減少，就形成了窒息帶2。 5 結(jié)論 1）由于瓦斯抽采及上覆巖層的裂隙發(fā)育，形成了漏風(fēng)動力及漏風(fēng)通道，造成了采空區(qū)漏風(fēng)的加劇，進(jìn)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(nèi)生火風(fēng)壓，進(jìn)一步加劇了采空區(qū)的漏風(fēng)。 3）在u+型通風(fēng)

16、方式影響下，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)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(xiàn)： 1 褚廷湘,余明高,楊勝強(qiáng)等. 煤巖裂隙發(fā)育誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)及自燃防治研究j.采礦與安全工程學(xué)報(bào),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(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析j.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(xué)報(bào),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

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