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煤礦綜采工作面高抽巷通風(fēng)技術(shù)研究

2020-01-17 06:47
煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
關(guān)鍵詞:巖層裂隙采空區(qū)

張 毅

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

0 引 言

隨著煤層地質(zhì)賦存條件的差異,相應(yīng)瓦斯氣體含量差別較大,在未開采情況下,盡管煤層內(nèi)的瓦斯氣體壓力可達(dá)十幾兆帕,但由于地層結(jié)構(gòu)和壓力穩(wěn)定,因此瓦斯?fàn)顟B(tài)比較穩(wěn)定,主要以吸附或游離狀態(tài)廣泛存在。采煤過程中,巷道掘進(jìn)、工作面回采、頂板垮落等都會引起較大的巖層結(jié)構(gòu)變化,原有的壓力平衡狀態(tài)失穩(wěn),瓦斯氣體在巖層和巷道內(nèi)發(fā)生由高密度區(qū)向低密度區(qū)、由高壓區(qū)向低壓區(qū)的自發(fā)性擴(kuò)散。回采過程不斷形成的工作面周邊的巖層結(jié)構(gòu)變化最大,因此工作面容易發(fā)生瓦斯聚集,對煤礦安全生產(chǎn)造成較大影響[1-3]。

實(shí)踐表明,合理的巷道通風(fēng)布置可有效降低局部區(qū)域的瓦斯聚集,且為生產(chǎn)活動不斷提供新鮮風(fēng)流,因此井下通風(fēng)設(shè)計(jì)對于煤礦安全生產(chǎn)尤為重要。本文所研究綜采工作面采用傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式,基本可滿足生產(chǎn)需求,但仍存在回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕叩葐栴},為進(jìn)一步提高生產(chǎn)過程的安全性和穩(wěn)定性,本文將對“U型通風(fēng)+高抽巷”通風(fēng)方式的效果和巷道參數(shù)等進(jìn)行研究。

1 工作面概括

晉興能源有限公司位于山西省呂梁市,礦區(qū)可采煤炭儲量1413Mt,主采8#和13#煤層。23107綜采工作面位于+640m水平21采區(qū),主采13#煤層,煤層厚度12.10~16.08m,上部為半亮型煤,下部暗煤增多,煤層一般含1~3層夾矸,多為炭質(zhì)泥巖,層厚0.10~0.65m,煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構(gòu)造,可采走向長度3400m,傾斜長度242.4m,傾角7.9°~9.6°。23107工作面位于21采區(qū)回風(fēng)上山北側(cè),西側(cè)、北側(cè)為實(shí)煤區(qū),東北側(cè)為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區(qū),上部為8號煤層18103、18105、18117采空區(qū),上部東側(cè)為18101、18115采空區(qū)和原斜溝煤礦8號煤采空區(qū)。23107工作面采高為3.6m,有效控頂距為6.5m,長度260m;采用U型通風(fēng)方式,兩側(cè)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷斷面尺寸為3.5m×5m;后側(cè)采空區(qū)走向長度300m,傾向長度260m。

2 U型通風(fēng)方式的缺點(diǎn)

一般情況下,U型通風(fēng)方式(見圖1)以材料巷為進(jìn)風(fēng)通道,皮帶巷為回風(fēng)通道,風(fēng)流較為穩(wěn)定,可源源不斷為工作面提供新鮮空氣,并將瓦斯氣體帶出。對于沒有瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的礦井,U型通風(fēng)方式以其較低的施工和維護(hù)成本優(yōu)勢,被各大礦井廣泛采用,有效控制了井下工作面的瓦斯?jié)舛?。但這種通風(fēng)方式也有以下兩方面缺點(diǎn):①新鮮空氣從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面后,部分風(fēng)流漏入未壓實(shí)的采空區(qū),并將其中富集的瓦斯氣體運(yùn)移至工作面另一端,從回風(fēng)巷端部排出,導(dǎo)致該位置的瓦斯?jié)舛壬?;②?shí)踐表明,該種通風(fēng)方式將在回風(fēng)巷上隅角造成局部渦流,加劇了該位置的瓦斯聚集[4-6]。因此,U型通風(fēng)方式在實(shí)踐生產(chǎn)中需對回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效的監(jiān)測和控制。

圖1 U型通風(fēng)方式

3 高抽巷位置參數(shù)計(jì)算

3.1 高抽巷瓦斯抽采原理

煤層回采后,采空區(qū)上覆巖層失去支撐,發(fā)生周期性的大規(guī)??迓?,由于各部分巖層應(yīng)力不同,所以垮落過程從下向上存在滯后性。如圖2所示,靠近采空區(qū)斷面的巖體,在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力綜合作用下,發(fā)生不規(guī)則的斷裂和垮落,為主要垮落區(qū);在其上部的巖體,為裂隙區(qū),剪切力減弱,但仍發(fā)生斷裂破壞,并將已垮落的底部巖層壓實(shí);再往上的巖體,為離層區(qū),主要受拉應(yīng)力作用,發(fā)生離層斷裂,碎裂程度低,對裂隙區(qū)巖層的壓力作用較弱。因此,底部垮落區(qū)內(nèi)被壓實(shí)巖層內(nèi)的瓦斯氣體被擠壓進(jìn)入上部裂隙區(qū)和離層區(qū),導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)局部瓦斯聚集現(xiàn)象[7-10]。

圖2 采空區(qū)內(nèi)瓦斯聚集原理

在頂板上部設(shè)置高抽巷正是利用了上述的采空區(qū)瓦斯聚集特性,回采過程中,采空區(qū)周邊巖層裂隙快速發(fā)育,其中的瓦斯氣體沿裂隙運(yùn)移至采空區(qū),尤其是上層的裂隙區(qū)。因此,高抽巷應(yīng)設(shè)置在裂隙區(qū)內(nèi),將采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯抽出。

3.2 高抽巷位置參數(shù)計(jì)算

高抽巷的位置參數(shù)包括垂直高度和與回風(fēng)巷的垂直水平距離:在垂直高度計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮瓦斯的聚集位置和周邊巖層的穩(wěn)定性,距離過大和過小都將影響抽采效果;在水平距離計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,避免距離過小造成的抽采巷圍巖裂隙增多,密封性變差,抽采能力降低。具體計(jì)算過程如下:

3.2.1 垂直高度

根據(jù)3.1分析可知,高抽巷的垂直位置應(yīng)在頂板裂隙帶的中部,該位置的瓦斯聚集較為明顯,且圍巖完整性較好,不會再回采過程中發(fā)生垮落和堵塞,因此,高抽巷的垂直高度應(yīng)滿足以下公式:

式中:Hm為冒落帶高度;Hl為離層區(qū)高度。

Hm和 Hl的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式(2)、(3),該公式適用于采高小于3m的工況,且計(jì)算值與實(shí)際測量值較為接近,而當(dāng)采高大于3m時(shí),需要對兩公式的計(jì)算值進(jìn)行修正,修正系數(shù)約為1.3-1.5。

本文所研究工作面的采高M(jìn)為3.6m,據(jù)此可得:

由此可知,裂隙帶高度約在26.4~66.1m之間,則高抽巷的垂直高度HZ最終選擇為46至50m。

3.2.2 與回風(fēng)巷的水平距離

采空區(qū)圍巖壓力較大,為避免過大壓力對高抽巷的破壞,其水平位置應(yīng)盡量位于已充分卸壓的裂隙帶內(nèi)。同時(shí),還應(yīng)充分考慮工作面通風(fēng)負(fù)壓對采場瓦斯運(yùn)移的影響,防止瓦斯氣體向回風(fēng)巷的聚集。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離S應(yīng)滿足以下關(guān)系:

式中:β為頂板巖石的卸壓角,取β=65°。

由式(4)計(jì)算可知,高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離S為21.5m至23.3m;

4 高抽巷對瓦斯分布的影響分析

4.1 系統(tǒng)建模

以本文所研究綜采工作面一進(jìn)一回的U型通風(fēng)方式為例,經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化后,在FLUENT軟件中建立其通風(fēng)巷道模型,巷道參數(shù)按第1節(jié)概況所述。另外,需假設(shè)采空區(qū)垮落巖石為非均勻多孔介質(zhì),冒落帶孔隙率為0.25,裂隙帶的孔隙率為0.1。另外,忽略通道內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備對氣流的影響。

4.2 U型通風(fēng)方式模擬結(jié)果

圖3 U型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植紙D

圖3 為U型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植紙D,可以看出,在沒有高抽巷的情況下,采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體隨風(fēng)流在回風(fēng)巷口聚集并排出,但由于回風(fēng)隅角渦流的存在,該位置的瓦斯?jié)舛炔灰卓刂疲菀壮霈F(xiàn)瓦斯聚集和偏高的情況,模擬發(fā)現(xiàn),在靠近巷口位置的最高瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)0.6%左右,低于停工臨界濃度0.8%。但當(dāng)開采至瓦斯富集濃度較高的煤層時(shí),仍可能出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸蓿⒂|發(fā)報(bào)警。

4.3 增加高抽巷后模擬結(jié)果

圖4為增加高抽巷后的瓦斯?jié)舛确植紙D,相比單純的U型通風(fēng),采空區(qū)的瓦斯分布變化較小,但在靠近回風(fēng)巷口一側(cè),由于增加了高抽巷,使部分采空區(qū)瓦斯由高抽巷排除,因此避免了大量采空區(qū)瓦斯在回風(fēng)巷上隅角的聚集,該區(qū)域的瓦斯?jié)舛冉档椭?.2%左右。

圖4 增加高抽巷后瓦斯?jié)舛确植紙D

5 結(jié) 論

通過以上研究可知,對于中低瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的礦井工作面,在U型通風(fēng)方式基礎(chǔ)上增加高抽巷,并對其層位進(jìn)行合理計(jì)算和設(shè)置,可有效避免回風(fēng)隅角瓦斯聚集,保障生產(chǎn)安全性和工作面瓦斯?jié)舛瓤刂频姆€(wěn)定性。

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