近距离保护层开采采场下行通风瓦斯涌出及分布规律.pdf

第3 7 卷第1 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．1 2 0 0 8 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y J a n ．2 0 0 8 近距离保护层开采采场下行通风 瓦斯涌出及分布规律 林柏泉1张建国2 ，翟成1 ，欧阳广斌2 1 ．中国矿业大学安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．平顶山煤业 集团 4 2 司四矿，河南平顶山4 6 7 0 0 0 摘要平煤集团四矿在开采过程中工作面妒 C H ． 频繁超限，影响了工作面正常安全生产．通过 理论分析，阐述了采空区内风流流动状况和采用不同通风方式时采空区的瓦斯涌出规律．结合现 场实验，探讨了工作面采用下行风时采空区的瓦斯涌出和分布规律．在此基础上，提出了用下行 风解决_ T - 作面瓦斯超限问题．结果表明，在采用下行通风后，采空区绝对瓦斯涌出量为上行风时 的8 0 ％，工作面1 9 0 C H 。 下降了7 5 ％，瓦斯不再超限． 关键词采场；下行通风；采空区；瓦斯涌出；分布规律 中图分类号T D7文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 0 0 2 4 0 6 G a SE m i s s i o na n dD i s t r i b u t i o nL a wi nt h eS t o p eM i n i n gS h o r t R a n g eP r o t e c t i o nL a y e rU s i n gD o w n w a r dV e n t i l a t i o n L I NB a i q u a n l 。Z H A N GJ i a n - g u 0 2 ，Z H A IC h e n 9 1 ，O U Y A N GG u a n g b i n 2 1 ．S c h o o lo fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．N o ．4C o a lM i n e ，P i n g d i n g s h a nC o a lC o ．L t d ，P i n g d i n g s h a n ，H e n a n4 6 7 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t S a f eo p e r a t i o na tt h ew o r k i n gf a c eo ft h eN o ．4c o a lm i n eo ft h eP i n g d i n g s h a nC o a l C o ．L t d ．w a ss e r i o u s l ya f f e c t e db yg a sc o n c e n t r a t i o n st h a te x c e e d e da c c e p t a b l ew o r k i n gl i m i t s ． T h ea i r f l o wc o n d i t i o n sa n dg a se m i s s i o nl a w sw i t hd i f f e r e n tt y p e so fv e n t i l a t i o ni ng o a lw e r e p r o p o s e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ．F i e l de x p e r i m e n t su s i n gd o w n w a r d v e n t i l a t i o nw e r es t u d i e d a n dt h eg a se m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nl a w sa tt h eg o a fw o r k i n gf a c ew e r ed i s c u s s e d ．O nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s ，d o w n w a r dv e n t i l a t i o nw a ss e l e c t e dt os o l v et h eg a sc o n c e n t r a t i o np r o b l e m a tt h ew o r k i n gf a c e ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rs t a r t i n gd o w n w a r dv e n t i l a t i o nt h ea b s o l u t ee m i s s i o nv o l u m eo fg a si nt h eg o a li s8 0p e r c e n to ft h a to b s e r v e dw h e nu p w a r dv e n t i l a t i o ni s u s e d ．T h eg a sc o n c e n t r a t i o n sa tt h ew o r k i n gf a c ea r ed e c r e a s e db y7 5p e r c e n tt h e r e b yr e d u c i n g t h eg a sc o n c e n t r a t i o n sb e l o wt h eu n s a f el i m i t ． K e yw o r d s s t o p e ；d o w n w a r dv e n t i l a t i o n ；m i n e da r e a ；g a se m i s s i o n ；d i s t r i b u t i o nl a w 随着采矿工业的发展，矿井高温、粉尘和瓦斯 等灾害也日趋严重，解决这些问题的有效措施之 一，就是在回采工作面使用下行通风．因此，国内外 下行通风的使用愈来愈广泛．2 0 世纪6 0 年代以 收稿日期2 0 0 7 0 3 2 1 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 5 7 4 0 9 3 ，5 0 5 3 4 0 9 0 ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 6 ；国家“十五”科技攻 关重点项目 2 0 0 5 B A 8 1 3 8 0 7 作者简介林柏泉 1 9 6 0 一 ，男，福建省龙岩市人，教授，博士生导师，工学博- 士，从事安全技术及工程方面的研究． E - m a i l l b q 2 1 4 0 5 1 2 6 ．c o r f l T e l 0 5 1 6 一9 3 8 9 4 4 0 1 万方数据 第1 期林柏泉等近距离保护层开采采场下行通风瓦斯涌出及分布规律 2 5 来，我国先后在平顶山、中梁山、蒲白等2 3 个局4 6 个矿1 7 1 个回采工作面使用下行通风．目前中国煤 矿工作面下行通风多用在缓斜、有煤尘爆炸危险、 有自然发火、低瓦斯矿井[ 1 ] ．在国外，1 9 6 0 年西德 首先使用下行通风，以后逐年增加，原苏联顿巴斯 矿区、美国的宾夕法尼亚州中部的一些矿井、日本 的常盘煤矿和三池煤矿以及英国等一些国家的矿 井都广泛使用了下行通风，而且比重越来越大比j ． 虽然国内外对于下行通风进行了很多研究，但 是针对近距离保护层开采过程中利用下行通风方 式防治瓦斯还未见文献介绍．笔者结合平煤集团四 矿在己，。一2 1 2 7 0 回采工作面采用近距离保护层开 采的实际情况，探讨了利用下行通风解决近距离保 护层开采过程中瓦斯超限问题，以期对瓦斯矿井安 全生产有所帮助． 1 采场瓦斯涌出规律 由于工作面两端压差的作用，进风流的一部分 气体从能量高的一端流进采空区，在能量低的一端 再流回工作面．根据连续性，假设在某一平面回采 工作面与采空区问无风流流动，称此面为中势面， 在中势面上各点的能量相等．在正常生产条件下采 场空气流速不大，各点温差很小，空气流动可视为 不可压缩理想流的平面稳定流动，采空区介质的空 隙率沿回采工作面长度方向视为相同．作上述假定 后，可认为中势面位于回采工作面中央，如图1 所 示‘3 | ． 中势面l 心p i 玮l 图1 采场中势面不意 F i g ．1S t o p ep o t e n t i a lf a c eh i n t 采场压差分布是指沿回采工作面长度方向各 点与中势面压头之差的分布情况．其意义是当压 差大于零时，风流由回采工作面流进采空区；当压 差小于零时，风流由采空区流入回采工作面，压差 愈大，采场漏风量愈大． 由于回采工作面和采空区气体平均密度1 0 不 等而产生自然风压△P 。，当回采工作面有风流通 过时，其两端的通风压力形成采场压差△P 。，采场 总压差等于机械风压力和自然风压所造成的压差 之和，即 △P 一△P 。 A P 。． 1 由此可得出上行风总压差△声。、下行风总压差 △P d 分别为 △P ．．一一 卧一陆 X s i n 卢一R Q2 X ／L ， 2 △P d 一一 P A陆 X s i n 卢 R Q 2 X ／L ， 3 式中P A ，P B 为回采工作面、采空区平均气体密度； X 为A ，B 点距离；p 为A ，B 点倾角；R ，Q ，L 分别为 工作面风阻、风量、长度． 采场压差分布如图2 所示． 弋 0＼斯 土 7 Z △r 1 a 采场上行风 b 米场F 行风 图2 采场压差分布示意 F i g ．2S t o p ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nd i a g r a m 由图2 可见，采面采用上行风时的压差比下行 风的高；下行风时，若R Q 2 队- p e X s i n 』9 ，压差 随卢增加而降低，上行风时压差随卢增大而增高． 由于采场空气流动可视为不可压缩理想流体 的平面稳定流动，所以服从质量守恒定律和D a r c y 定律．在x 轴方向上，D a r c y 定律表达为 U 一一K ，_ d h ， 4 式中K 。为X 轴方向的渗透系数；_ d h 为X 轴方向 的压力梯度． 在中势面上对上式积分得出采场中势面风量 也即采场漏风量． 令￡一R Q 2 ／L p A 一阢 s i np 0 ，则有 引一l 嵩l ，， ㈤ Q 。一 1 ／￡ 1 R Q 2 ／L IK x d s ， 6 Q d 一 1 ／s 一1 R Q 2 ／L IK x d s ． 7 式 5 表明上行风时采场漏风量比下行风大， 上行风漏风量Q 。随卢增加而增加；下行风时漏风 量当e 1 时随卢增加 而减小． 1 ．1 采空区内风流流动状况 由式 6 可知，上行风时Q 。 0 ，表明在中势 面上风流总是自下而上流动，与X 轴向相同，漏风 总是从回采工作面下部流入采空区，在上部流回工 作面；由式 7 可知，若e 1 ，Q 。 D ，g r a dC ，故J 一 一D 2 g r a dC ． 如果风流是层流状态，由于横向脉动速度等于 零，对流扩散能力仍很低，容易造成积聚现象；而紊 流状态时，由于横向脉动速度的作用，使得不同浓 度的瓦斯相互变换位置，使采场浓度趋于均匀，混 合能力加强，此时分子扩散作用可以忽略，混合过 程主要靠浮力和紊流切应力做功完成． 由于上行风时从采空区涌向采面的瓦斯量大， 且大部分从上隅角涌出，涌出瓦斯受到浮力作用不 易和风流混合；下行风时，从下隅角涌出的瓦斯易 于和风流混合，所以下行风时隅角瓦斯积聚的可能 性比上行风小． 由此可见，回采工作面应用下行风时，采场压 差及漏风量都比上行风时小，从采空区涌向采煤工 作面的瓦斯量及采煤工作面绝对瓦斯涌出量也比 上行风时低，采煤工作面及隅角瓦斯积聚的可能性 比上行风时小． 2 工作面下行通风时瓦斯涌出和分布规律 下行风时，无论瓦斯涌出地点如何、倾角多大、 风速多高，由于风流方向和瓦斯浮力方向相反，完 成一定的混合过程所需能量减少，使得风流和瓦斯 的混合能力比相同条件下上行通风时的混合能力 强，倾角越大，二者的差别愈大．所以，当工作面风 速一定时，完成同样的混合过程下行通风所需时问 短；当瓦斯涌出量一定时，下行风吹散瓦斯层所需 风速比上行风低；当发生瓦斯积聚时，下行风瓦斯 层积聚的长度比上行风短，断面上最高瓦斯浓度也 比上行风低． 平煤四矿上、下行通风对比实验和有关调查资 料表明，下行通风时采空区瓦斯涌出有如下规 律时] 1 工作面瓦斯涌出总量与风流方向无关，但 下行通风时从工作面回风道测出的瓦斯涌出量比 下行通风时低1 5 ％～2 6 ％．有些情况下，如保护层 的下行风工作面，因被保护层的瓦斯大量漏入采空 区，致使上、下行通风时从工作面回风道涌出的瓦 斯量变化不大． 2 下行通风时工作面上、下隅角积聚的可能 性比上行通风时小，特别是防止上隅角瓦斯积聚的 效果突出． 3 采用下行通风时，由于瓦斯密度比空气小， 有上浮力，当满足一定的条件时，采空区气体有可 能从工作面上部涌出，发生所谓的采空区气体倒流 问题． 通过以上分析可以看出，只要不出现采空区内 气体倒流，下行通风时上隅角瓦斯积聚的可能性比 万方数据 第1 期林柏泉等近距离保护层开采采场下行通风瓦斯涌出及分布规律2 7 上行通风小，工作面回风道瓦斯涌出量也比上行风 低．其原因一是下行通风时采空区的漏风比上行 通风时小，因而使得从采空区带出的瓦斯量也少， 涌出量比上行风时低；二是上行通风从漏风汇排出 的是下部浓度较低的气体，而下行通风则相反，从 漏风汇排出的是上部浓度远较下部为高的气体，因 而使得工作面回风道瓦斯涌出量减少，上隅角瓦斯 积聚的可能性比上行通风小．瓦斯从下隅角涌出 后，由于风流方向与浮力方向相反，也使得下隅角 积聚的可能性比上行风上隅角积聚的可能性小． 3 下行通风时工作面的最低风速确定 设采空区内的漏风速度为V ，采空区内瓦斯上 浮速度为V w ，下行通风时，采空区的瓦斯沿倾斜 方向的流动状态有下列3 种形式[ 8 。1 ⋯ 1 当V V w 时，采空区瓦斯静止，滞留在采 空区内； 2 当V V w 时，采空区瓦斯向下流动，被漏 风风流带走； 3 当V V w 时，采空区瓦斯向上流动，发生 瓦斯倒流． 当采空区瓦斯含量一定时，V w 可近似看作一 定值，则瓦斯的流动状态主要与V 有关，当V 变化 时，3 种不同的流态可相互转变． 采空区漏风速度V 与回采工作面下行通风的 风速及风压有关，所以回采工作面下行通风时采空 区瓦斯不倒流的风速，可根据采空区的自然风压及 回采工作面风压近似求解． 采空区自然风压实质上是由采空区内外的空 气密度差及工作面两端的高度差产生的．因此，采 空区由于瓦斯上浮及残煤氧化自燃等产生的自然 风压为 P 。一L s i nO ／A p g ， 1 0 式中P 。为采空区自然风压，P a ；L 为回采工作面 长度，m ；a 为回采工作面煤层倾角， 。 ；△1 0 为回采 工作面与采空区的平均密度差值，△l D 一 p m 1 0 ， ‰为回采工作面空气平均密度，l D 为采空区空气平 均密度，k g ／m 3 ；g 为重力加速度，m ／s 2 ． 机械通风时回采工作面的风压为 P K 墼孥， 1 1 3 。 式中P 为回采工作面风压，P a ；K 为摩擦阻力系 数 为区别于煤层倾角，本式的阻力系数用K 表 示 ，N S 2 ／m 4 ；【，为回采工作面空间周边长度，m ； Q 为通过回采工作面的风量，m 3 ／s ；S 为回采工作 面空问横断面积，m 2 ． 设回采工作面的采高为M ，回采工作空间的 宽度为B ，通过回采工作面的风流速度为V ，当通 过回采工作面的风流速度为V 时，则风量为 Q V S V M B ． 1 2 将式 1 2 代入式 1 1 得 P K 厮U L V 2 ． 1 3 回采工作面下行通风时，采空区因瓦斯及残煤 氧自燃等产生的自然风压小于或等于回采工作面 风压时，就不会发生采空区瓦斯倒流，即 L s i nd △阳≤K 面U LV 2 ， 1 4 解式 1 4 得 V 。。。一 ／s i na A p g M B √K U ’ 1 5 式中V ⋯即为回采工作面下行通风时采空区不 倒流的工作面最低风速． 4 下行通风在平四矿的应用 4 ．1 工作面瓦斯涌出情况 平四矿在己，。一2 1 2 7 0 回采工作面位于己一采 区东翼，该面为高瓦斯工作面，下行通风，目前风量 为11 6 8m 3 ／m i n ，回风流9 C H 。 一0 ．6 ％，绝对涌 出量为7 ．0m 3 ／m i n ；抽放泵混合流量5 8m 3 ／m i n ， 抽出p C H 。 一3 ．5 ％，绝对涌出量为2 ．0 4 m 3 ／m i n ．合计该工作面绝对涌出量为9 ．0 4 m 3 ／m i n ．瓦斯来源为本煤层和下面的己。。，，煤层， 主要是因为己。。一。，煤层涌出，占瓦斯总量的8 0 ％ 以上． 工作面开始回撤时，回风巷中的9 C H 。 一 0 ．7 8 ％，回风石门中的9 C H 。 一0 ．8 0O ，当回撤 到5 2m 时，回风巷中的7 C H 。 一I v 0 8 ％，回风石 门中的9 C H 。 一1 ．1 4 ％，采取了下隅角及老空区 利用己三抽放泵抽放瓦斯及采面上、下封堵的措 施． 己。。一2 1 2 7 0 采面回采过程中，瓦斯变化有下面 3 个特点 1 工作面回采，但顶板未垮落时，9 C H 。 及 瓦斯涌出量与生产时相比没有变化． 2 工作面回撤后顶板垮落但并不严实，通过 工作面的风量减少，妒 C H 。 增加，但瓦斯涌出量呈 上升趋势． 3 随着工作面回收范围的增加，垮落面积加 大，垮落更加严实，回风流瓦斯涌出量明显增加，来 万方数据 中国矿业大学学报 第3 7 卷 自己。。、己。，分层采空区的绝对瓦斯涌出量比开始 回撤时增加7 个百分点，该工作面采空区绝对瓦斯 涌出量增加了6 个百分点，瓦斯涌出总量增加． 4 ．2 实施效果 通过分析，采用下行通风方案是可行的，按照 1 9 9 2 年版煤矿安全规程第1 2 0 条的要求，编制 了己，。一2 1 2 7 0 回采工作面采用下行通风回撤支架 的安全技术及管理措施并报有关部门和总工程师 审批后，对通风系统进行调整，即实行下行通风，效 果十分明显，回采工作面9 C H 。 由0 ．6 ％降到了 0 ．2 ％，其调整后的通风系统示意图如图3 ．经过一 个小班的观察，各种参数稳定，运输巷只安设了一 台J B T 一6 2 型局部通风机，就保证了p C H 。 降到 0 ．3 ％以下，解决了瓦斯超限，保证了该工作面的安 全回撤和封闭． a 己| r 2 1 2 7 0 上行 b 己i5 2 1 2 7 0 下行 图3 己旷2 1 2 7 0 通风示意 F i g ．3 F l ；一212 7 0v e n t i l a t i o nh i n t 对于具有相同开采条件的己，。一2 1 2 7 0 回采工 作面和己。。一2 3 0 5 0 回采工作面，己。。一2 1 2 7 0 回采工 作面在采用下行风，己，。一2 3 0 5 0 采煤工作面采用上 行通风，比较了2 个工作面从2 0 0 5 年7 月1 日到7 月1 5 日的工作面9 C H 。 变化情况，如图4 所示． 石昌誉g8竺 譬g舍g 零窨 罨吾S 兮鲁窖苫警苫苔誉吕 时闻 图4己15 - 2 1 2 7 0 和己旷2 3 0 5 0 工作面9 C H { 对比 F i g ．4C o r n p a r i s i o n sb e t w e e n ．9 0 C H 4 o f F 15 2 1 2 7 0a n dF l j 一2 3 0 5 0 由图4 可见，在都采用上行风的情况下，两者 工作面9 C H 。 差别不大．己，。一2 1 2 7 0 回采工作面 P C H 。 最大值为0 ．7 ％，最小值为0 ．5 ％；己，。一 2 3 0 5 0 回采工作面9 C H 。 最大值为0 ．9 ％，最小 值为0 ．7 ％．采用下行风后，己。。一2 1 2 7 0 采煤工作面 瓦斯浓度明显下降．最大值为0 ．2 ％，最小值为 0 ．1 ％，P C H a 不再超限．上行风9 C H 。 最大值 为0 ．7 ％，最小值为0 ．5 ％．工作面9 C H 。 平均下 降了7 5 ％． 己。。一2 3 0 7 0 采面在回采期问2 0 0 5 年8 月4 日 至8 月2 7 日采用下行通风，其余时间采用上行风． 工作面上行通风期间采用移动泵抽放采空区瓦斯， 下行通风时不用移动泵抽放采空区瓦斯．下面通过 绝对瓦斯涌出量比较2 种通风方式对于瓦斯防治 的效果． 从图5 可以看出，下行通风时，绝对瓦斯涌出 量比上行通风要小，平均为上行风的8 0 ％．这是因 为邻近层采空区的瓦斯往往被抑制在采空区内，涌 入巷道的瓦斯量小，相应地减少了瓦斯涌出总量． 采用下行通风方式，不仅可以降低采空区瓦斯涌出 量，而且不需要使用移动泵抽放，节省了电力． 二蓍 星I 墨 萋 卜一 善葶 弩兽 时间 n卜 q q 宁穹 o o 兽2 弓霉 昌苫 图5己，。～2 1 2 7 0 下行风和上行风工作面 绝对瓦斯涌出量对比 F i g ．5C o m p a r i s i o nb e t w e e nu p w a r dv e n t i l a t i o na n d d o w n w a r dv e n t i l a t i o ni nF 1 5 2 1 2 7 0w o r k i n gf a c e f r o ma b s o l u t ee m i s s i o nv o l u m eo fg a s 5 结论 1 通过对采空区内风流流动状况和瓦斯涌出 规律的理论分析，可以看出当回采工作面应用下行 风时，采场压差及漏风量都比上行风时小，从采空 区涌向采煤工作面的瓦斯量及采煤工作面绝对瓦 斯涌出量也比上行风时低，采煤工作面及隅角瓦斯 积聚的可能性比上行风时小． 2 通过理论分析得出了回采工作面下行通风 时采空区不倒流的工作面最低风速，并分析了回采 工作面发生瓦斯逆流的条件． 3 在平煤集团四矿己。。一2 1 2 7 0 工作面采用下 行通风后，采空区绝对瓦斯涌出量为上行风时的 8 0 ％．另外，己旷2 1 2 7 0 回采工作面9 C H 。 明显下 降，最大值为0 ．2 ％，最小值为0 ．1 ％；而上行风时 9 C H 。 最大值为0 ．7 ％，最小值为0 ．5 ％，工作面 9 C H 。 平均下降了7 5 ％． 参考文献 [ 1 ] 石琴谱，杨运良，高建良，等．回采工作面下行通风 的研究[ J ] ．焦作矿业学院学报，1 9 9 4 ，3 6 1 1 4 万方数据 第1 期林柏泉等近距离保护层开采采场下行通风瓦斯涌出及分布规律 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 1 6 ． S H Iq i n p u ，Y A N GY u n l i a n g ，G A J i a n l i a n g ，e t a 1 ．T h er e s e a r c ho fd e s c e n s i o n a lv e n t i l a t i o ni nc o a l f a e e E J ] ．J o u r n a lo fJ i a oZ u oM i n i n gI n s t i t u t e ，1 9 9 4 ， 3 6 1 1 41 6 ． 张跃宇，石琴谱．回采工作面下行通风对矿井安全 的探讨[ J ] ．煤矿安全，1 9 9 0 ，2 1 1 1 3 5 4 1 ． Z H A N GY u ey u ，S H Iq i n - p u ．A p p r o a c ho nd o w n w a r dv e n t i l a t i o ni n f l u e n c eo nm i n es a f e t yi nw o r k i n g f a c e [ J ] ．S a f e t yi nC o a lM i n e s ，19 9 0 ，2 1 1 1 3 54 1 ． 张红芒，郭凡进．采场下行通风瓦斯涌出及分布规 律探讨[ J ] ．煤矿安全，i 9 9 8 ，2 9 6 2 93 1 ． Z H A N GH o n g m a n g ，G U OF a nj i n ．A p p r o a c ho n g a so u t b u r s t i n ga n dd i s t r i b u t i o nr u l e sd u r i n gd o w n w a r dv e n t i l a t i o ni nm i n i n gs t o p e [ J ] ．S a f e t yi nC o a l M i n e s ，19 9 8 ，2 9 6 2 9 3 1 ． 陈书平，耿庆生．下行通风采面的瓦斯涌出规律[ J ] ． 江苏煤炭，2 0 0 0 2 16 - 17 ． C H E NS h up i n g ，G E N GQ i n g s h e n g ．G a so u t b u r s t i n gr u l e sd u r i n gd o w n 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