倾斜高瓦斯煤层抽采条件下采空区漏风规律数值模拟

为研究高瓦斯易自燃煤层采空区漏风规律,运用理论分析及数值模拟相结合的方法,开展不同伪斜长度、有无高位钻孔布置以及不同抽采负压条件下采空区氧浓度分布及漏风速率研究。结果表明:无伪斜工作面的氧浓度减小速率大于有伪斜工作面,有伪斜工作面进风侧漏风速率明显大于回风侧,但中部漏风速率均大于工作面两侧;采空区布置高位钻孔抽采瓦斯时,其回风侧漏风程度明显增大,同时增加了8%～18%氧浓度的分布范围,但对进风巷道内氧浓度的变化规律几乎无影响。增大抽采负压时,采空区漏风流场整体向回风侧加大,采空区漏风流场与抽采负压变化成正比,但整体漏风流场宽度基本保持一致。同时,增大抽采负压对回风侧氧浓度分布范围起到极大的促进作用,其氧化升温带增大12～28 m。研究结果为掌握实际矿井中有无伪斜、不同钻场瓦斯抽采及其不同抽放负压情况下的采空区漏风流场变化规律,及判定自燃危险区域提供了一定的理论依据。     

采空区瓦斯与煤自燃协同防控关键参数研究

采空区瓦斯抽采与煤自燃防控相互影响,工作面配风量、抽采负压和高抽巷位置等参数影响了采空区自燃危险区域范围。通过在天池矿301工作面采空区内布置监测点并分析气体变化,确定了采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防控的关键区域。结合瓦斯抽采和采空区煤自燃的耦合作用机制,采用数值模拟和现场实测方法确定了工作面配风量、高抽巷位置以及推进度等主要关键参数。研究结果表明:当工作面配风量为3 000~3 500 m3/min,推进度为1.39~6.84 m/d,高抽巷与顶板垂距为30 m,与回风巷平距为25 m,抽采负压为14.5~17.5 k Pa时,既能确保抽采效果,也可有效地防止采空区煤自燃。     

高抽巷抽采能力对采空区自燃危险性的影响研究

针对高抽巷不同抽采能力抽采瓦斯时的瓦斯治理效果和可能诱发的采空区自燃问题,以某矿主采煤层工作面构建采空区气体渗流模型,利用FLUENT数值模拟软件分析了不同抽采能力下的瓦斯治理效果和采空区自燃危险性.结果表明:当高抽巷抽采能力越大时,采空区内瓦斯浓度越低,氧化升温带的宽度越大,自燃危险性越高.依据研究结论,分析得出当高抽巷的抽采能力系数(η)为0.25 ～0.3时,可防止上隅角瓦斯超限、提高瓦斯抽采率和预防采空区自燃,对高瓦斯易自燃煤层高抽巷抽采能力的选择具有一定的指导意义.     

走向高抽巷合理层位的FLUENT数值模拟

为获取走向高抽巷抽采瓦斯的最佳位置,构建走向高抽巷条件下的采空区瓦斯运移模型.通过FLUENT数值模拟软件分析了高抽巷与回风巷不同平距,与煤层顶板不同垂距条件下,抽采瓦斯的效果.数值模拟和现场应用结果表明:高抽巷布置在回风巷附近,与倾向断裂线边界0.46倍带宽(回风巷侧裂隙带);且位于冒落带之上,与其边界垂高2.8倍采高时,效果最好,能有效解决工作面瓦斯超限问题,保证工作面安全回采.     

采空区自燃带和瓦斯分布规律的数值模拟

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对潞安集团某矿6206综采工作面采空区进行数值模拟,研究工作面采用Y型通风系统时采空区自燃带和瓦斯的分布规律。结果表明:将6206综采工作面改造为Y型通风系统后,工作面和采空区的最低负压区在回风巷出口处,涌出的瓦斯涌入回风巷后排出,工作面向采空区的漏风量较大,散热带基本处于采空区整个区域内,自燃带范围较小;Y型通风方式可以有效防止采空区煤炭自燃,解决上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限问题。工作面的理论计算风速值与数值模拟风速值吻合,验证了数值模拟方法的可靠性。     

高抽巷瓦斯抽采对工作面安全开采的影响分析

为了探究高抽巷瓦斯抽采对工作面安全开采的影响,依据401101工作面的巷道布置情况,建立了工作面与采空区的数学物理模型。应用Fluent软件对工作面在有无高抽巷及高抽巷不同抽采能力下采空区的氧浓度以及瓦斯浓度分布规律进行了数值模拟,获得了上隅角瓦斯浓度与采空区氧浓度分布情况。模拟结果与现场实测数据表明:高抽巷能有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题;随高抽巷抽采瓦斯能力的增大,上隅角瓦斯浓度不断降低,但采空区氧化升温带的宽度和深度会增加,使得煤自燃危险性和防灭火压力增大;综合考虑防止瓦斯超限及采空区煤自燃,并保证工作面安全开采,高抽巷瓦斯抽采能力以0.25~0.3为宜。     

采空区瓦斯抽采与煤自燃共生灾害特征实验研究

针对高瓦斯易自燃矿井采空区瓦斯与煤自燃共生灾害问题,研究了瓦斯抽采与煤自燃共生灾害特征及致灾机理,采用程序升温实验的方法,分析了漏风量供氧对煤自燃氧化的影响规律,在某矿S1工作面进行了现场监测实验,得出了瓦斯抽采条件下采空区CH_4体积分数、O_2体积分数及温度的影响规律。研究结果表明:随着温度和漏风量的增加,CH_4浓度逐渐增加,O_2浓度逐渐降低,CO的出现温度为110～130℃,在温度大于300℃时解吸量呈现出指数增长趋势;随着采空区深度的增加,CH_4浓度呈现出浅部增加较大深部趋于稳定的趋势,O_2从20.8%逐渐减小到7.7%,温度从22.3℃逐渐升高到24.3℃;划分了瓦斯抽采采空区"三带"分布,工作面散热带宽度为85 m,氧化带为85～210 m,窒息带为210 m以后,其中氧化带宽度增加是非瓦斯抽采采空区的2倍以上。研究成果对瓦斯与煤自燃共生灾害的防治提供理论支撑。     

综放工作面采空区瓦斯抽采对氧化升温带影响

为解决综放工作面回采期间瓦斯涌出量大、瓦斯抽采导致采空区漏风增加且易发生自然发火的问题,以红庙矿5-2S工作面自然发火和瓦斯抽采综合治理为例,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,运用流体计算软件COMSOL对不同抽采量、不同抽采口位置时对氧化升温带影响规律进行研究.研究结果表明:采空区自燃"三带"数值模拟变化规律与现场监测数据相吻合;采空区瓦斯抽采量和抽采口所在位置与采空区自然发火危险性成正相关;5-2S工作面推进速度从3 m/d增加到3.2 m/d,瓦斯极限抽采量由31.71 m~3/h增加到120 m~3/h;距工作面切顶线10~20 m是采空区工作面最佳抽采位置.     

基于COMSOL的采空区瓦斯埋管抽采抽采口位置研究

针对朱家店矿101综放工作面采空区瓦斯埋管抽采能效控制工作面瓦斯涌出量,但同时也会引起采空区遗煤自燃加速的问题.采用理论分析与数值模拟相结合的方法,以煤层瓦斯流动理论为基础,通过COMSOL数值模拟软件分析在不同抽采口位置时,采空区自燃"三带"的变化情况及瓦斯浓度分布情况,最终确定合理的抽采口位置.研究结果表明:随着抽采口远离工作面,氧化带宽度逐渐增大,采空区最大瓦斯浓度则先降低后增加;结合现场实际,当抽采流量为25 m3/min时,最佳的埋管抽采抽采口位置为距工作面40~50 m处.     

“两进一回”复杂采场采空区注氮防灭火模拟

为研究偏"W"型"两进一回"通风方式下瓦斯和氧气浓度分布规律及采空区注氮防灭火技术,建立了偏"W"型通风方式下存有遗留巷道采场的三维物理模型.在将采空区孔隙度设置为非均匀连续分布的条件下,运用Fluent软件对采空区压力场、速度场及瓦斯抽采情况进行了数值模拟,并且模拟分析了不同注氮量不同注氮口位置采空区惰化效果.研究结果表明:工作面两端压差和漏风规律及采空区瓦斯和氧气浓度分布规律与现场实测结果相接近;随着瓦斯抽采强度增大,采空区最高瓦斯浓度减小,氧化带宽度在皮带巷侧有缩小趋势,在轨道巷侧有增大趋势;段王煤矿150405工作面最合适的注氮量约为1 140 m3/h,其最佳注氮位置距工作面40 m左右.     

综放面间歇式开采注氮对采空区氧化自燃区域的影响研究

为解决杨村矿间歇式开采且工作面推进速度慢而导致采空区遗煤自然发火危险性大的问题,探讨了杨村矿采用注氮方式预防煤自燃的可行性,并采用数值模拟确定了杨村矿采空区注氮参数以及注氮后采空区自燃危险区域。结果表明:未注氮时杨村矿316工作面采空区氧化升温带在进风侧40~110 m范围内,回风侧在10~40 m范围内。采取注氮措施后采空区氧化升温带起始位置向工作面移动,氧化升温带终止位置向采空区浅部方向大幅移动,氧化升温带宽度显著减小,进风侧最大减少80%,回风侧最大减少27%.正常开采期间采空区的最佳注氮量为400 m~3/h,最佳注氮位置为进风侧采空区深度40 m处,注氮后采空区氧化升温带范围为25~73 m,宽度为48 m.在停采期间,采取在上下隅角建密闭墙的方式,在采空区内深度30 m处连续注入400m~3/h的氮气,可将氧化升温带宽度缩小到32 m,有效的抑制了采空区煤自燃。     

高瓦斯综放工作面低位高抽巷瓦斯治理数值模拟研究

为了有效解决大采高综放工作面部分区域瓦斯超限问题,本研究采用数值模拟方法对不同层位高抽巷进行对比分析,研究沿采场垂直高度、采场走向深度及倾向长度的瓦斯流动规律及瓦斯浓度分布规律。以上隅角瓦斯浓度和抽采浓度作为判断依据,模拟分析无高抽巷、高位高抽巷、低位高抽巷三种情形下的不同区域瓦斯浓度和抽采量。结果显示,随着瓦斯扩散距离增加,瓦斯浓度逐渐升高,瓦斯的升浮-扩散效应就越明显。应用高位高抽巷和低位高抽巷后,瓦斯体积分数在回风巷侧下降率分别为22.9%～37.7%和31.8%～46.2%;其中,上隅角处瓦斯体积分数分别降低了33.4%和38.3%.此外,低位高抽巷和高位高抽巷瓦斯抽采体积分数分别为0.95%和0.41%;其中,低位高抽巷瓦斯有70.5%来源于工作面,抽采量是高位高抽巷的2.32倍。研究结果表明,低位高抽巷在大采高综放工作面上隅角及回风巷瓦斯治理中有很好的发展前景,可以有效降低上隅角瓦斯超限的风险。     

大直径抽采钻孔在采空区瓦斯抽采中的应用

为解决"U"型通风存在的上隅角瓦斯积聚及采空区瓦斯涌出等问题,研究利用大直径钻孔(φ550 mm)抽采采空区瓦斯技术,该技术通过低负压、高流量对采空区瓦斯进行抽采,从本质上改变采空区漏风流流场,从而降低上隅角瓦斯浓度及减少采空区瓦斯涌出.分析了大直径钻孔抽采上隅角瓦斯原理,从钻孔及护管参数、护管施工技术及参数、封孔工艺三方面研究了大直径钻孔抽采技术,并在中能矿2201工作面应用以抽采采空区瓦斯,测试确定了瓦斯钻孔抽采浓度随着工作面与钻孔的距离的变化关系,确定了最佳钻孔间距为20 m,开孔高度1.2 m可将上隅角瓦斯体积分数控制在0.28%～0.79%,钻孔交替时上隅角瓦斯体积分数控制在0.8%之内.     

高抽巷层位变化对采空区瓦斯分布规律的影响研究

为研究高抽巷在采空区瓦斯抽采和上隅角瓦斯治理方面的应用，以及探究高抽巷抽采层位对采空区瓦斯分布规律的影响，以李阳煤矿15302综放工作面为研究对象，运用Fluent数值模拟软件对采空区未抽采和不同层位高抽巷抽采时的瓦斯分布进行模拟，通过对比瓦斯抽采浓度和上隅角瓦斯浓度的数据，分析高抽巷在不同层位的瓦斯抽采效果，将模拟结果与现场实际相结合，设计适合的高抽巷抽采层位方案，并用现场实测数据进行验证。结果表明：高抽巷瓦斯抽采浓度随抽采位置距顶板垂直高度的增加而升高，随着距回风巷水平距离的增加先升高后降低，上隅角瓦斯浓度随垂距和平距的增加均先降低后升高；理论最佳抽采层位为垂距30 m,平距32 m,工作面上隅角瓦斯浓度在0.19%以内，设计抽采层位为垂距40 m,平距35 m,工作面上隅角瓦斯浓度维持在0.63%～0.65%.选取合理的高抽巷抽采层位不仅有利于提高瓦斯抽采效果，而且能有效解决上隅角瓦斯超限的问题。     

低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采关键技术

为研究低瓦斯高强度开采综放工作面采动覆岩裂隙演化过程中瓦斯的运移规律,提高矿井瓦斯治理能力,以王家岭矿12302工作面为例,研究了煤层开采后上覆岩层的垮落和位移特征,通过分形维数定量描述了裂隙的发育情况,得到了覆岩的三带高度、跨落角、裂隙区等参数,以此参数建立数值模型研究采动裂隙与瓦斯运移的耦合特性,将研究结果应用于现场的卸压瓦斯的抽采设计并进行了效果检验。结果表明:走向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为118.6 m,切眼处和停采线处的垮落角分别为59.5°和51.5°,倾向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为113.6 m,进刀端和停采线处的垮落角分别为62.5°和55.5°;随着工作面开采距离的增加,分形维数先增大后减小最后趋于平稳;采场卸压瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性,采空区深部瓦斯浓度可达20%,上隅角瓦斯浓度接近1.5%,采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;采用高位定向长钻孔抽采采动裂隙带聚集瓦斯的抽采效果较好,上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,保证了矿井的安全生产,为类似条件下的瓦斯治理提供参考。     

东欢坨矿2394工作面采空区"三带"数值模拟研究

为了研究2394工作面采空区"三带"的分布规律,通过建立采空区流场物理数学模型,运用Fluent软件根据实况风速对采空区流场状态进行模拟计算,研究结果表明:在工作面实际风速为1.8 m/s的情况下,进风侧在采空区内部20 m时进入自燃带,当进入采空区深部达到85 m左右时进入窒息带;回风侧在采空区内部13 m时采空区进入自燃带,当达到采空区深部75 m左右时,采空区进入氧化窒息带。同时模拟风速为0.25 m/s,1 m/s,2.5 m/s和3.6 m/s条件下采空区流场的变化,模拟结果表明,随着风速的增大散热带和自燃带宽度增大,窒息带远离工作面;随着风速的减小散热带和自燃带宽度减小,窒息带靠近工作面。     

亭南矿204工作面采场瓦斯运移规律及治理技术

为降低亭南矿204工作面上隅角及回风巷的瓦斯浓度,通过对204工作面采场瓦斯运移规律及积聚区域的研究分析,针对性地采用了上隅角埋管抽采、高位巷抽采和注氮隔离瓦斯的技术措施.实验结果表明,上隅角埋管及高位巷抽采措施的联合运用使上隅角瓦斯抽采量达到了40.98 m3/min,降低了上隅角瓦斯浓度,防止了上隅角瓦斯积聚,同时缓解了回风巷的瓦斯压力.注氮隔离瓦斯技术在工作面方向形成一个瓦斯隔离带,阻止了采空区瓦斯进入采煤工作面,降低了采煤工作面的瓦斯浓度,亭南矿204工作面瓦斯治理措施的实施成功地防止了瓦斯事故的发生,确保了矿井的安全生产.     

硫磺沟矿(4-5)04工作面高位钻孔抽采瓦斯技术

为解决工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题,针对硫磺沟煤矿(4-5)04工作面实际情况,应用物理相似模拟实验的方法,研究了工作面采动覆岩"三带"分布特征及覆岩裂隙分布特征规律开展研究,结合工作面实际情况设计高位钻孔抽采上隅角瓦斯的方法,并对抽采效果开展实时观测与分析。结果表明:通过物理相似模拟实验,得到(4-5)04工作面覆岩"三带"高度,上覆岩石裂隙分布范围,工作面初次来压、周期来压步距,裂隙区在切眼、工作面及进回风巷出的宽度等参数来指导和确定现场高位钻孔的布置;通过现场实时观测,得到高位钻孔抽采浓度为19.85%~23%,有效抽采段距离平均为54.5 m,可以保证上隅角瓦斯瓦斯浓度维持在0.08%~0.45%,回风巷瓦斯浓度维持在0.15%~0.48%,(4-5)04工作面安全高效回采,表明高位钻孔抽采方法和设计参数是科学有效的。     

采煤工作面高抽巷与回风巷合理内错距离确定研究

实践中发现,采煤工作面高抽巷与回风巷内错距离对采场瓦斯治理效果有明显的影响,为提高高抽巷瓦斯抽采效果,对确定两者合理内错距离进行了研究。首先,基于Brinkman、N-S、平移-扩散方程和Fick扩散定理结合采场气体的流动特征,建立了采煤工作面瓦斯流动耦合模型。然后,以某矿11210工作面为例,采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件模拟不同内错距离情况下采场瓦斯浓度及流场分布特征,并结合生产实践进行了验证。结果表明:上隅角和采空区上部平均瓦斯浓度与内错距离呈"V"型关系,当内错距离约30 m时,平均瓦斯浓度最小,瓦斯治理效果最好。数值模拟分析结果与生产实践应用结果基本一致,说明确定的内错距离较合理。     

外错高抽巷高位钻孔卸压瓦斯抽采技术

为解决相邻两工作面上隅角瓦斯超限难题和实现高抽巷"一巷两用",提出外错高抽巷布置方式:沿上工作面回风顺槽侧,在煤层顶板内外错布置走向高抽巷;在高抽巷服务前期,在其内采用高位钻孔抽采上工作面采动卸压瓦斯;在高抽巷服务后期,直接采用高抽巷抽采下工作面采动卸压瓦斯;实现1条高抽巷服务于相邻两工作面,提高高抽巷利用效率。基于山西霍州煤田集团李雅庄煤矿2-603工作面地质条件,建立外错高抽巷围岩结构力学模型,采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟及现场实测等研究方法系统分析工作面覆岩采动裂隙发育特征,研究覆岩采动裂隙分布规律,确定外错高抽巷和高位抽采钻孔布置参数;基于高位钻孔测斜结果,提出角度补偿纠偏方法及纠偏效果评价指标。高抽巷位于2煤层顶板25.0 m处,外错2-603工作面25.0 m;高位钻孔终孔位于顶板44.0 m处,水平及倾斜方向上的纠偏角分别为-3°和-2°。研究结果表明:高抽巷受2-603工作面采动影响较小,巷道断面能满足下区段2-605工作面抽采要求;高位钻孔终孔位置合理,高位钻孔抽采瓦斯体积分数高,且持续抽采时间长;采用角度补偿纠偏方法后钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高15.3%和11.6%,2-603工作面生产班、检修班上隅角瓦斯体积分数分别为0.504%~0.951%和0.467%~0.893%,解决了工作面隅角瓦斯超限难题,保障了工作面安全高效开采。