U型工作面上隅角埋管瓦斯抽采数值模拟研究

传统的U型通风工作面上隅角瓦斯积聚现象经常出现，严重制约着矿井正常生产能力的有效发挥，对矿井安全生产造成重大威胁。基于前人对采空区非均质多孔介质气体运移理论的研究，采用Fluent软件数值模拟研究了U型和上隅角埋管条件下U型通风系统的静压力场和瓦斯浓度场。研究结果表明：在相同的模型参数条件下，U型通风容易造成上隅角瓦斯积聚，上隅角瓦斯超限问题十分严重；采空区5m处埋管，治理上隅角瓦斯积聚的效果欠佳，达不到安全开采的条件；15m处埋管可以较好的解决上隅角瓦斯超限问题，工作面没有出现瓦斯积聚现象，工作面和回风巷的瓦斯浓度始终处于1％以下；25m处埋管的效果与15m基本相同，没有表现出更好的瓦斯治理效果。综合数值模拟的结果，确定了上隅角埋管抽放采空区瓦斯的理想抽放位置为距离地板垂高1．2m、沿走向深入采空区15m处。     

U型和Y型通风采空区瓦斯分布数值模拟

运用Y型通风方式可解决传统U型通风难以解决的上隅角和回风巷瓦斯浓度超限问题.为了对比分析U型和Y型通风采空区瓦斯运移及分布规律,建立了U型通风和Y型通风采空区物理模型,运用Fluent软件对U型通风和Y型通风方式采空区漏风流场、漏风量(沿采空区边界风速分布)和瓦斯体积分数分布进行数值模拟.结果表明,Y型通风回采工作面采空区漏风流场与U型通风分布有较大差别.Y型通风时工作面端头0～30 m时漏风约占工作面漏风量的50％,且总漏风量较U型通风时多,可避免采空区高浓度瓦斯积聚.采用两进一回Y型通风可从根本上解决上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限问题.     

“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度确定

合理长度的挡风帘可以有效减少工作面漏风量,避免瓦斯超限、爆炸等事故发生,保证工作面安全生产。模拟了有无挡风帘时和不同挡风帘长度时“U+L”型通风综采面采空区流场、瓦斯分布及上隅角等地瓦斯情况,验证了数学模型和参数的适用性,分析了挡风帘对采空区压力分布及瓦斯分布的影响,确定了“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度。研究表明:挡风帘对采空区压力及瓦斯分布都有重要影响,挡风帘可以使采空区内特别是挡风帘遮挡区域采空区压力下降、瓦斯浓度升高; 随着挡风帘长度的增加,上隅角瓦斯浓度变化不大,采煤机机尾瓦斯浓度逐渐降低,滞后横川瓦斯浓度呈增大趋势;综合分析确定该采面合理挡风帘长度为120 m。     

保护层开采工作面采空区瓦斯分层治理

为实现保护层开采工作面生产过程中瓦斯不超限,在分析工作面瓦斯来源的基础上,提出了保护层开采工作面竖向分层治理瓦斯的思路。根据相似模拟结果,分析了采空区瓦斯流动范围和流动范围内孔隙率、风阻分布特征。采用数值模拟分析了Y型通风、Y型通风+采空区埋管及Y型通风+采空区埋管+高抽巷+高位钻场3种瓦斯治理方式下采空区瓦斯体积分数场,结果表明:采空区瓦斯体积分数在竖直方向和水平方向均具有典型的递变特征,距工作面越远,距煤层越高,瓦斯体积分数越大;合适位置的煤层顶板高抽巷对抽采来自上邻近层的瓦斯具有较好的效果,试验条件下高抽巷抽采瓦斯量达到了总量的36.4%~63.6%;沿充填墙的采空区埋管不能完全拦截下层采空区进入沿空巷的采空区瓦斯,随沿空巷长度增加,瓦斯体积分数增大,建议沿空巷长度控制在250 m范围内。     

偏Y形通风工作面上隅角瓦斯抽采模拟

为解决保德煤矿81505工作面上隅角瓦斯超限问题,选择联巷埋管抽采瓦斯方式进行治理.使用COMSOL模拟软件建立采场物理模型,研究瓦斯埋管抽采前后采空区和工作面O2、CH4体积分数分布、工作面在推进过程中采空区最高温度与工作面风速的关系,分析采空区瓦斯分布和采空区"三带"的变化.结果表明:随瓦斯抽采流量增加,工作面上隅角瓦斯体积分数降低;抽采位置距工作面距离增加,工作面上隅角的瓦斯体积分数降低.根据保德煤矿81505工作面采空区的最短自然发火期,选择抽采流量为40 m3/min,在距工作面40 m处进行瓦斯抽采,工作面上隅角瓦斯体积分数从0.53％降低到0.17％,氧化带宽度从100 m增加到149 m.最后通过现场实践,工作面上隅角瓦斯体积分数降低到0.16％,采空区氧化带的宽度范围为135～150 m,在降低工作面上隅角瓦斯体积分数的同时降低了采空区发生自燃的危险性.     

低含量超强开采工作面瓦斯异常涌出防治技术

为解决低瓦斯含量煤层在超高强度开采工艺下,U型通风回采面割煤期间瓦斯涌出量突增、采空区持续高瓦斯涌出以及上隅角瓦斯频繁超限等问题,在确认瓦斯异常涌出原因基础上,以塔山煤矿为例,研究煤层注水抑制落煤瓦斯涌出和专用巷分期排抽采空区瓦斯联合防治技术。结果表明,煤层注水消除了割煤期间瓦斯突增现象——回风流中最大瓦斯体积分数仅0.58%;在开采初期瓦斯专用巷自然引排使回采面形成U+I型通风方式,分担风排瓦斯量约30 m~3/min,在开采中、后期的密闭负压抽采,瓦斯排放量提升至40 m~3/min。采用该技术,已将回采期间的工作面瓦斯体积分数有效控制在0.6%以下,实现安全高效开采。     

高瓦斯综放工作面瓦斯综合治理技术研究与应用

为了解决高瓦斯特厚煤层综放工作面瓦斯超限问题,分析了工作面瓦斯源的构成,以彬长矿区某矿综放工作面为研究对象,提出了本煤层采用顺层平行孔与扇形钻孔相结合的方法抽采瓦斯,沿煤层顶板与回风顺槽水平内错掘进瓦斯专用抽放巷,上隅角采用埋管抽采及均压通风技术,与瓦斯专用抽放巷协同治理上隅角和采空区瓦斯,风障导流稀释法等一系列技术措施。现场应用表明,工作面上隅角瓦斯体积分数由0.68%降低至0.2%以下,回风巷口瓦斯体积分数由0.7%降低至0.4%,风排瓦斯量由20 m~3/min降低至5 m~3/min以下,瓦斯抽采率保持在85%以上,最大值达到95%左右。表明此套瓦斯综合治理技术应用到高瓦斯特厚煤层综采放顶煤工作面瓦斯治理中是切实可行的。     

高瓦斯煤层综放开采瓦斯与煤自燃综合治理研究

针对淮南潘三煤矿低透气性高瓦斯易自燃煤层综放开采的实际情况 ,笔者在综合分析影响综放面安全开采的瓦斯和煤自燃因素基础上 ,提出并实施了顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放、本煤层顺层孔卸压瓦斯抽放、尾巷抽放和排放等综合瓦斯治理措施 ,通过适时合理的工作面通风系统能位调整 ,合理配备工作面风量和控制采空区漏风量 ,解决了综放面回采时的瓦斯问题 ,有效控制了采空区煤炭自燃的发展 ,实现工作面的安全快速推进。实践证明 ,顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放是解决低透气煤层瓦斯抽放率低的有效方法 ,回采面的瓦斯抽放率在 30 %以上 ;尾抽和尾排是低透气性高瓦斯煤层安全生产的有效辅助措施 ,但其对工作面采空区煤炭自燃的“三带”有显著影响 ,影响的关键因素是通过采空区尾排及尾抽的混合流量。笔者提出的方法对类似条件的高瓦斯易自燃煤层综放安全开采有重要的指导意义。     

极近距离煤层大采高工作面上隅角瓦斯治理

为了解决三交河煤矿2-512大采高工作面上隅角瓦斯经常超限的难题,运用理论和现场实践进行了分析,分析得出工作面上隅角瓦斯超限的主要原因有:①上隅角是风流汇合处;②顶板跨落;③2#下煤层瓦斯涌入采空区;④地质构造.针对上隅角瓦斯超限问题,提出了高位钻孔抽放裂隙带瓦斯和低位钻孔抽放采空区和冒落带瓦斯的防治措施.现场实践表明,在实施上述措施之后,2-512工作面回风流中瓦斯浓度控制在0.02％ ～0.06％,上隅瓦斯浓度由原来的0.8％～3.0％下降到0.8％以下,有效地解决了上隅角瓦斯超限问题,保证了矿井的安全高效生产.     

顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究及应用

为了解决由于采空区及邻近煤层瓦斯的涌人而造成的工作面上隅角瓦斯超限问题,提出了运用顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术,对采空区及邻近煤层瓦斯进行抽采,进而解决上隅角瓦斯超限问题的方法。利用分源预测法对工作面瓦斯涌出源进行了分析,并理论计算了采空区冒落带和裂隙带的高度范围,结合矿井具体情况,确定了合理的高位钻孔参数,并对作用效果进行了现场考察。研究表明：高位钻孔瓦斯抽采技术,能有效地解决工作面上隅角瓦斯超限问题,降低回风流中瓦斯体积分数,并提高了工作面的推进速度,有效地保证了工作面的安全回采。     

沙曲矿4#煤层井下瓦斯抽采技术

沙曲矿为近距离煤层群开采矿,4#煤层为高瓦斯有突出危险煤层,为防止工作面回采时出现瓦斯超限或发生突出危险,并将瓦斯资源加以有效利用,通过在采前、采中及采后分别实施本煤层、邻近层及采空区瓦斯抽采措施,实现平均瓦斯抽采量分别达12.89m3/min、22 m3/min与10 m3/min。采用沿空留巷Y型通风方式,平均配风量3 300 m3/min,实现风排瓦斯量15~20 m3/min,占涌出量的44%。24207工作面回采时,回风瓦斯体积分数稳定在0.4%~0.6%,未发生上隅角瓦斯超限或煤与瓦斯突出现象,日产量由初期的800 t/d提高至3 600 t/d。     

Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究

为了更好的研究Y型通风系统下的采空区的瓦斯流动和涌出规律,针对综放面Y型通风系统特点,建立了Y型通风采空区流场模拟的计算流体力学模型。通过数值模拟,系统研究了Y型通风采空区流场和瓦斯运移规律,对比分析了Y型通风和U型通风条件下的采空区流场及瓦斯运移特征,并将其应用于15120高瓦斯综采工作面的Y型通风系统中,根据现场的实际情况建立对应的CFD模型,得出Y型通风系统下采空区瓦斯流动及分布规律,数值模拟结果与现场大量观测数据相吻合,为瓦斯治理和通风系统优化提供理论依据。研究表明,采用Y型通风系统可消除采空区向上隅角的集中漏风,从而有效解决了U型通风上隅角瓦斯积聚和回风巷中的瓦斯。     

综放工作面顶板随采式专用排瓦斯巷布置研究

确定合理的专用排瓦斯巷参数是确保能否高效治理综放工作面瓦斯积聚及上隅角瓦斯超限现象的关键。结合五阳煤矿7605工作面的实际情况,采用瓦斯运移规律、矿压理论、矿井通风等理论及FLAC3D数值模拟软件,对专用排瓦斯巷的合理层位、距离回风巷的水平距离、巷道断面面积等参数进行了研究。结果表明,专用排瓦斯巷适合布置在岩层垮落带的中下部,距离回风巷的水平距离受巷道等效半径影响,巷道断面面积由通风能力和掘进工程量决定,7605工作面专用排瓦斯巷的3个参数分别为距煤层顶板2.65~6.75 m、距离回风巷水平距离约15 m、巷道断面面积7 m~2。现场应用表明,工作面回采期间瓦斯体积分数维持在0.3%左右,上隅角瓦斯体积分数未发生超限,瓦排巷与工作面连通顺畅,瓦斯治理效果显著。     

“U+I”型采煤工作面瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究

为了研究“U+I”型工作面进风量和顶板巷抽采负压对工作面瓦斯浓度与采空区氧化带宽度的影响,协调瓦斯抽采和浮煤自燃之间的关系。以2306综放面为工程背景,基于“U”型冒落岩层孔隙率分布公式和流体通用控制方程建立采空区数值模拟解算模型。采用CFD软件对不同进风量、不同抽采负压下的工作面瓦斯浓度和采空区氧化带宽度进行模拟,结果表明:随着工作面风量的增加,工作面和顶板巷瓦斯浓度减小,但工作面处浓度减幅逐渐变小而顶板巷浓度减幅几乎不变;提高顶板巷抽采负压,对减少工作面瓦斯浓度效果明显,顶板巷自身瓦斯浓度先增加再减小,采空区进风侧氧化带宽度变窄,回风侧和采空区中部氧化带宽度增加,总体上增加了采空区浮煤自燃的危险性但影响程度有限。     

走向高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟与试验分析

为获取走向高抽巷抽放瓦斯的合理参数,依据采空区瓦斯运移基本方程,采用FLUENT数值模拟的方法确定走向高抽巷的最佳抽放位置,即竖直方向高度为综采工作面底板上方20m,倾斜方向距上风巷水平距离为14 m,并在张集矿1111工作面进行现场试验;从试验效果来看:采用FLUENT数值模拟方法确定走向高抽巷位置是可靠的,布置合理的走向高抽巷具有抽放瓦斯浓度高、瓦斯抽放量大和稳定性好的优越性,能有效地解决综采工作面和上隅角瓦斯超限问题,以确保矿井安全生产;抽放参数可在类似矿区加以推广应用,安全效益、经济效益和社会效益明显.     

煤层群首采关键层卸压瓦斯综合治理技术

首采煤层群关键层是消除邻近煤层突出危险性行之有效的方法.以淮南新庄孜煤矿66210工作面为例,在综合分析采空区上覆岩层竖向3带以及瓦斯运移基本条件的基础上,将上被保护层所产生的卸压瓦斯运移路径简化为:被保护层→上覆岩层竖向裂隙→采空区→回风巷.为了保障首采保护层工作面的安全回采,提出并实施了卸压瓦斯综合治理技术,对被保护层卸压瓦斯、首采层顶板裂隙发育区富集瓦斯、采空区瓦斯进行强化拦截抽采.采用沿空留巷Y型通风方式消除上隅角瓦斯积聚,降低风排瓦斯量,工作面回风瓦斯体积分数在0.6%以下,实现了高瓦斯煤层群首采工作面的安全高效生产.     

近距离下邻近煤层群开采采空区瓦斯治理技术

为解决下邻近煤层群卸压瓦斯造成工作面上隅角超限严重以及支架间和采空区底部瓦斯不能及时被抽离等问题,基于近距离下邻近高瓦斯煤层群采动卸压瓦斯涌出规律,提出内错式迎向斜切钻孔辅助顶板高抽巷抽采采空区瓦斯技术。利用顶板垮落与钻孔形态演变规律,实现钻孔依次辅抽上隅角、支架间和采空区底部等富集区瓦斯,并在高家庄煤矿2号煤层2203回采工作面试验考察。结果表明:与高抽巷单一抽采效果相比,内错式迎向斜切钻孔辅助抽采条件下的叠加抽采平均瓦斯体积分数达15. 1%、提升1. 3倍,平均抽采纯量达18. 61 m3/min、提升1. 9倍,叠加抽采率达50%,抽采量占邻近层和采空区瓦斯涌出总量的83%,回风流和上隅角瓦斯体积分数控制在0. 6%以下,可有效保障工作面的顺利回采。     

地面L型钻孔在大采高综放工作面瓦斯治理工作中的探索

通过对目前瓦斯治理方法的对比,结合煤层瓦斯赋存与流动理论、回采工作面矿山压力规律及采场覆岩移动规律、采空区“O”型圈等理论,提出利用地面L型钻孔抽采煤层顶板裂隙带瓦斯的方法,用于缓解低位采空区抽采巷抽采负担,消除安全隐患。实践表明:地面L型钻孔使低位采空区抽采巷平均浓度由4.43%降低到3.37%,降低了24%,治理效果明显,该方法能为大采高综放工作面瓦斯治理工作提供新的思路。     

基于COMSOL的采空区埋管抽采参数优化数值研究

针对回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题,提出了回采工作面采空区埋管抽采的方法。以保德煤矿81307工作面为研究对象,运用数值模拟软件COMSOL模拟采空区无抽采和不同抽采参数条件下工作面内瓦斯分布规律,研究埋管抽采参数对上隅角瓦斯浓度的影响规律,确定最佳的采空区埋管抽采参数。同时进行现场抽采参数优化试验,对瓦斯浓度进行监测,研究结果表明:合适的布置间距、抽采负压和抽采流量能够有效解决上隅角瓦斯超限问题,试验期间内,上隅角瓦斯体积分数最大为0.74%,进风流中瓦斯体积分数最大为0.2%,工作面风流中瓦斯体积分数最大为0.45%,回风流中瓦斯体积分数最大为0.5%,均没有超过安全标准。     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征北大核心CSCD

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区"O"型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈"L"形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。