U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理.pdf

第23卷第2期煤炭学报Vol. 23 No. 2 1998年 4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr. 1998 U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理 3 林 柏 泉 张 仁 贵 中国矿业大学 摘要 以平顶山煤业集团公司十矿20130综采工作面为例,研究了U型通风工作面 风流流动与采空区瓦斯涌出之间的关系及采空区瓦斯涌出治理原则.提出了前进式预埋管法抽 放采空区瓦斯的技术措施,结果表明,该技术措施对于解决U型通风工作面采空区上隅角瓦 斯积聚问题具有重要作用. 关键词 采空区 瓦斯涌出 瓦斯治理 中图分类号 TD 71216 U型通风工作面采空区瓦斯涌出是造成工作面风流瓦斯浓度超限,影响工作面安全生产的主要因 素之一,尤其是在高瓦斯和煤与瓦斯突出煤层的高档普采和综采工作面,采空区往往赋存大量瓦斯,其 瓦斯涌出量占采煤工作面瓦斯涌出量的比例大一些区域高达40 ～60 .因此,如何采取有效措施 减少采空区瓦斯涌出,对工作面的安全生产和提高效益具有重要作用. 1 U型通风工作面风流流动与采空区瓦斯涌出 在U型通风工作面,倘若采空区无别的漏风出口,工作面形成一源一汇流动,则风流除沿工作面 图1 20130综采工作面采空区瓦斯浓度分布[1] Fig11 Distribution of methane concentration in the mined2out area in No120130 fully mechanized face - - -瓦斯浓度 分布曲线 流动外,尚有一部分风流进入采空区,沿流线方向流动,积 存在采空区内瓦斯以对流扩散的形式与工作面风流进行质量 交换,并从工作面上部涌出,致使采空区瓦斯浓度分布沿走 向靠近采空区内部较高,形成了采空区上隅角瓦斯积聚区, 图1为平顶山煤业集团公司十矿20130综采工作面瓦斯 浓度分布实测图,可以看出,采空区上隅角处瓦斯浓度最 高,其高瓦斯浓度区距综采工作面切顶线l 30 m左右. 为了进一步考察U型通风方式工作面风流流动与瓦斯 浓度分布的关系,以20130综采工作面为例,进行了工作面 风量、瓦斯浓度及涌出量沿工作面倾斜方向变化规律的考 查,结果如图2所示.图2 a中进风量为1 240 m3min , b中进风量为1 415 m3min ;KQ为有效风量率;q为瓦 斯涌出量;c为工作面平均瓦斯浓度.可以看出沿工作面 倾斜方向,有效风量率逐渐降低,即工作面风量减少,采空区漏风量增大,在工作面中部达到最大值. 随后,工作面风量又增大,一部分原漏入采空区的风量经过清洗采空区后又进入工作面,使工作面风量增 收稿日期 1997-07-30 3 国家“九五”科技攻关资助项目编号 96-223-01-05- 04 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图2 20130综采工作面有效风量率、瓦斯涌出量与瓦斯浓度分布 Fig12 The rate of effective air quantity , gas emission versus gas concentration in No120130 fully mechanized face 图3 20130综采工作面瓦斯浓度 沿工作面走向变化 Fig13 The curve of methane concentration along the strike of No120130 face 1 , 2 , 3分别为距进风154 , 84 , 28 m处的 瓦斯浓度变化曲线 大.而瓦斯涌出量和瓦斯浓度沿工作面方向均逐渐增大,到 回风巷端部位置达到最大.此外,比较图2 a ,b可以 看出对于U型通风工作面,当进风量增大时,工作面有 效风量率降低,采空区漏风量增大;其瓦斯涌出量也增大; 所以盲目增大工作面进风量对于工作面瓦斯排放是不利的. 图3为距工作面进风28 , 84 , 154 m处工作面断面瓦斯 浓度的变化,可以看出在28 , 84 m断面处,瓦斯浓度都 是在靠近煤壁处最高,靠近采空区处最低.这种现象说明了 此时工作面的风流是向采空区内漏风;此时工作面风流中的 瓦斯主要来自于煤壁和采落煤.在距进风巷154 m处,即靠 近回风巷端,靠近采空区处瓦斯浓度最高,采空区内的漏风 流向工作面涌出,导致采空区内部瓦斯向工作面涌出,此时 工作面风流中的瓦斯不仅来自于煤壁和采落煤,还有一部分 来自采空区,并且越靠近上隅角,采空区涌出瓦斯所占的比 例越大. 图4 20130综采工作面风量与瓦斯涌出量、 瓦斯浓度变化回风巷 Fig14 Air quantity versus methane emission , methane concentration in No120130 face 采空区瓦斯涌出与工作面风量、采空区漏风量具 有重要关系,为了考查其间的相互关系,我们分别在 20130回风巷和距进风巷81 m处的工作面进行了测 定,测定结果如图4和图5所示;其中,图4为在回 风巷处进行考查所得出的曲线,从中可以看出,随着 进风量的调低,瓦斯涌出量基本上呈线性下降,而回 风流中瓦斯浓度则有少量提高,但提高的幅度不大, 说明通过调节风量来减少绝对瓦斯涌出量是可行的. 图5为在距进风巷81 m处所测的风量变化与绝对瓦 斯涌出量、瓦斯浓度、采空区漏风量的关系,从图中 可以看出,随着进风量的降低,采空区漏风量Q1和 绝对瓦斯涌出量呈迅速下降,但工作面风流中的瓦斯 浓度则有所上升.这进一步说明了调节工作面进风 651煤 炭 学 报 1998年第23卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图5 20130综采工作面风量与瓦斯涌出量、瓦斯浓度、 采空区漏风量的变化距进风巷81 m处 Fig15 Air quantity versus methane emission , methane concentration , air leakage in the mined2out area in No120130 face 81 m away from the intake gateway 量,有利于控制采空区漏风和瓦斯涌出量;而工作面 风流中的瓦斯浓度有所提高则是由于降低工作面进风 量,对于减少采空区漏风及其所携带出来的瓦斯量有 作用,而对于煤壁瓦斯涌出和采落煤的瓦斯涌出没有 作用造成的.由于采空区瓦斯涌出所占比例较大一 些区域在40 ～60 ,故调节风量法处理采空区瓦 斯涌出是有效果的.但为了降低回流中的瓦斯浓度, 还应进一步采取相应措施. 2 U型通风工作面采空区瓦斯治理原则 采空区一般由受开采影响的本煤层、上下邻近层 有瓦斯解吸和流动的固体煤岩以及空隙所组成的空间 区域.该区域内的最大特点是存在两种特性相差很大 的空隙,即采动空隙和原有空隙. 由于采空区内采动空隙与原有空隙并存,因而瓦斯在采空区内的运动表现为煤块内的解吸、扩散和 煤岩采动空隙系统的层流渗透、紊流.大量的采动空隙与原有空隙构成了采空区内极为复杂的气体流动 网络,其流动规律一般是,从煤层微小孔隙解析出来的瓦斯首先在煤块内流动,然后在煤块内外压差作 用下进入采动空隙系统;但从整体上来看,采动空隙是瓦斯流动的主要通道.在上、下邻近层区域内, 图6 U型通风工作面风流流动 Fig16 Flow of air in a U2type ventilation system 空隙内的气体流动多数为单一气体的瓦斯流动,而在冒落带内的 流动则为空气-瓦斯混合气体流动,采空区瓦斯涌入工作面的流 动则属于空气-瓦斯混合气体的流动. 在一般U型通风工作面,风流从进风巷进入回采工作面,清 洗工作面后经回风巷流出,如图6所示.从流体力学的角度而言, 进入工作面的风流端称为源,而流出工作面的风流端称为汇,所 以U型通风工作面又称为一源一汇工作面.实际上,在风流由进 风巷进入采场时,其中有一部分风流将会漏入采空区中,把采空 区中的瓦斯从上隅角带出,引起回风巷风流中的瓦斯浓度增大. 而采空区内瓦斯涌入工作面,除了由漏风流引起外,另一个重要原因在于工作面通风期间,采空区与 工作面之间存在气压差,造成了采空区瓦斯向工作面涌入.从稳定流角度考虑,一般可认为采空区内瓦 斯是服从松散介质内达西Darcy渗流规律,即 q -K p2 1- p22ΔL ,1 式中,q为单位时间内单位面积采空区向工作面涌入的瓦斯量, m3 m 2 min ;K为采空区内透气性系 数;p1,p2为工作面、采空区内空气压力, MPa ;ΔL为p1,p2两点间距离, m. 可以看出,p21-p22越大,则采空区瓦斯向工作面涌入的量就越大. 目前,随着工作面通风与瓦斯抽放形式的不同,采空区内瓦斯向工作面涌入的形式有2种① 瓦斯 抽放强度大或因通风方式所致,采空区内瓦斯很少向工作面涌入;② 不抽放瓦斯或瓦斯抽放强度小,采 空区瓦斯自上隅角处涌入工作面. 实际上,应当引起注意的是第2种情况,即采空区上隅角处不仅瓦斯浓度高,而且大量涌入工作 面,引起回风巷风流中瓦斯浓度超限,影响工作面的安全生产. 为了解决回风巷风流中瓦斯浓度超限的问题,现场采取的措施多数是增加工作面供风量,而这种措 751第2期 林柏泉等 U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 施往往容易引起工作面漏风量增大,有效风量率降低如图2所示 , 采空区与工作面之间气压差增大, 从而导致采空区瓦斯涌出量增大.因此,盲目地增大工作面供风量,对降低回风巷风流中的瓦斯浓度是 不利的. 排除采空区上隅角瓦斯的一种有效措施是增加漏风汇,即采用一源多汇的通风方式.在这种采场 中,采空区上隅角瓦斯可从漏风汇中排出.如果漏风汇的强度较小,而采空区上隅角瓦斯量较大,这时 采空区上隅角瓦斯就会超限并仍可能涌入工作面.此外,漏风汇的位置对采空区上隅角瓦斯的排放也具 有重要影响,当漏风汇的位置距工作面切顶线较近时在采空区瓦斯浓度分布测定表明以30 m左右为 宜 , 即使漏风汇风量较小,由于通过采空区的绝大部分流线将汇集于漏风汇排出,这时采空区上隅角 瓦斯往往也能够得到排放,而不致于大量涌入工作面.因此,合理地调整漏风汇的位置和强度对于解决 采空区上隅角瓦斯超限和避免大量涌入工作面具有重要作用. 3 U型通风工作面采空区瓦斯治理措施 根据上述分析结果,笔者提出利用前进式预埋管法增加漏风汇的技术措施,以避免采空区瓦斯大量 涌入工作面,引起风流中瓦斯浓度超限,其布置形式如图7所示.在抽放点布置了抽放竖管,最前面一 图7 采空区瓦斯抽放布置[1] Fig17 The layout of methane drainage system in the mined2out area 1 三通接头; 2 抽放管; 3 抽放竖管; 4 密闭 个竖管距工作面切顶线的距离保持小于或等于30 m , 抽放竖管为 10116 mm铁管,竖直安装,底座用三 通与抽放管相联,如图8所示.竖管长110～115 m , 图8 抽放竖管布置 Fig18 The layout of the vertical pipe for methane drainage 1 三通接头; 2 抽放竖管 顶端用盖盘封闭,在顶部014 m范围内均匀钻10～14个 8～10 mm的小孔,并用纱窗布包好,放入 采空区进行抽放.根据瓦斯比空气轻,具有上浮的特点,竖管应尽量长一些为好,以提高抽放效果,抽 放结果如表1所示. 表1 20130综采工作面采空区瓦斯抽放参数 Table 1 Parameters of methane drainage in the mined2out area of No120130 face 时 间 管路负压 kPa 瓦斯浓度 孔板压差 kPa 混合流量 m3min - 1 纯流量 m3min - 1 备注 1996-01-04 1996-01-10 1996-01-17 4412 4618 4116 25 27 30 0120 0120 0120 2177 2169 2180 0164 0173 0184 管路 堵塞 1996-01-24261740015551442118 1996-02-03241742015051312123 1996-02-06241142015051312123 1996-02-082712402160111714168 1996-02-13201845110071763149 1996-02-16241145112081233175 1996-02-24231445014551102129 1996-03-09231445014551102129 851煤 炭 学 报 1998年第23卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 在未抽放前,设在回风巷里的瓦斯探头图7中的 F 测得瓦斯浓度最高为115 ～117 生产 班 ; 抽放一段时间后,瓦斯浓度降至112 ～113 生产班 . 说明采空区上隅角向工作面涌出的瓦 斯量有了明显的降低.为了进一步降低20130综采面采空区上隅角的瓦斯涌出量,又在上隅角处直接布 置了一条抽放管路,以增大该处的瓦斯抽放量.实施后,回风巷里探头测定的瓦斯浓度降至1 以下, 基本达到要求. 试验结果表明前进式预埋管法对抽放采空区上隅角瓦斯具有独特的作用.通过抽放可以使采空区 上隅角瓦斯改变流向,减少或停止向工作面涌出,从而明显降低采空区瓦斯涌出量,提高矿井生产的安 全性和效益,同时还可提高采空区瓦斯的抽放浓度. 4 结 论 1在U型通风工作面,采空区上隅角为瓦斯积聚区,其最高瓦斯浓度区距工作面切顶线30 m左 右.因此,为了有效地排除采空区上隅角瓦斯,减少其向工作面的涌入,抽放点或漏风汇的布置应保持 在30 m左右. 2当工作面进风量增大时会引起采空区漏风量增大,工作面有效风量率降低,进而引起采空区瓦 斯涌出量增大.因此,盲目增大工作面风量对于工作面瓦斯排放是不利的. 3工作面瓦斯不仅来自于煤壁和采落煤,同时又有相当一部分来自采空区,而且越靠近回风巷, 采空区瓦斯涌出所占比例越大. 4工作面进风量的调节有利于控制采空区瓦斯的涌出.当工作面进风量降低时,工作面绝对瓦斯 涌出量基本上是呈线性下降,但回风流中的瓦斯浓度会有所提高.因此,调节风量法处理采空区瓦斯涌 出是有限的;为了降低回风流中的瓦斯浓度,还应进一步采取相应措施,如埋管抽放、开尾巷或高抽巷 等. 5解决采空区上隅角瓦斯的主要措施是在采空区上隅角处增加漏风汇.通过增加漏风汇来排除采 空区上隅角瓦斯,其排放效果取决于漏风汇的风流强度和位置. 本文在现场试验研究过程中得到了平顶山煤业集团公司瓦斯所和十矿领导及工程技术人员的大 力帮助,借此机会表示衷心感谢. 参考文献 1 林柏泉,张仁贵.前进式预埋管法抽放采空区瓦斯的试验研究.中国矿业大学学报, 1997 , 26 2 29～32 2 程远平.采场通风方式与瓦斯运移规律研究 [学位论文].徐州中国矿业大学, 1990 作者简介 林柏泉,男,副教授. 1992年毕业于中国矿业大学,获博士学位.主要从事矿井瓦斯及其相邻学科的教学和研究工 作.发表“U型通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术”等论文30多篇,出版学术专著1部.江苏省徐州市中国矿业 大学采矿系,邮政编码 221008. 951第2期 林柏泉等 U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. METHANE EMISSION FROM THE MINED2OUT AREA AND ITS CONTROL IN A FACE WITH U TYPE AIR VENTILATION Lin Baiquan Zhang Rengui China University of Mining and Technology Abstract The principle of control of gas emitted from the mined2out area and the relationship between airflow and methane emission in a face with U type of ventilation system are studied in No120130 fully mecha2 nized coal face in No110 Mine of Pingdingshan Coal Mining Group Incorporation. A technical measure of methane drainage from the mined2out area by a pre2buried advancing pipe is proposed. It is found that this is very important in diluting the gas accumulated in the upper corner of the mined out area in a face with a U type ventilation system. Keywords the mine2out area , methane emission , control and prevention of methane 矿业会议信息 Australian coal conference and trade exhibition Gold Coast , Qld. , Australia , 17～21 May 1998 Conference Organiser , Australian Coal Conference , GPO Box 908 , Brisbane , Qld. 4001 , Australia Tel 61 72322122240 Fax 61 72322927797 15th national meeting of the American Society of Surface Mining and Reclamation St. Louis , MO , USA , 17～22 May 1998 Dianne Throgmorton , Coal Research Center , Southern Illinois University , Carbondale , IL 6290124623 , USA Tel 1 618253625521 Fax 1 618245327346 E2mail diannet siu. edu Conference on unburned carbon in utility fly ash and conference on selective catalytic and non2catalytic reduction for NOxcontrol Pittsburgh , PA , USA , 19～22 May 1998 Kim Yavorsky , Conference Coordinator , US Federal Energy Technology Center , PO Box 10940 , MS 9202L , Pittsburgh , PA 1523620904 , USA Tel 1 412289226244 E2mial yavorsky fetc. doe. gov; http / / www. fe. doe. gov 5th international symposium on continuous surface mining Wroclaw , Poland , 26～29 May 1998 Continuous Surface Mining , Instytut Gornictwa , Politechniki Wroclawskiej , pl. Teatralny 2 , 502051 Wroclaw , Poland Tel 48 71234386284 Fax 48 71244281223 E2mail paszkows lns. ig. pwr. wroc. pl University coal research UCR contractor review meeting Pittsburgh , PA , USA , 2～3 Jun 1998 Paula Flenory , US Federal Energy Technology Center , PO Box 10904 , MS 9202L , Pittsburgh , PA 1523620904 , USA Tel 1 412289224781 E2mail flenory fetc. doe. gov; http / / www. fe. doe. gov 3rd international symposium on roofbolting in minig Aachen , Germany , 3～4 Jun 1998 Institute for Mining Engineering I , Symposium Secretariat , Wuellnerstr. 2 , 52056 Aachen , Germany Tel 49 2412807976 Fax 49 241288882272 E2mail bbkl rwth2aachen. de 2nd Asia Pacific conference on sustainable energy and environmental technology Gold Coast , Qld. , Australia , 14～17 Jun 1998 APCSEETπ98 Secretariat , c/2Intermedia Convention http / / www.uq.edu. au/ apc/ International symposium on clean coal initiatives New Delhi , India , 22～24 Jan 1999 Dr T N Singh , Chairman CCI 99 Director , Central Mining Research Institute , Barwa Road , Dhanbad - 826 001 , Bihar , India Tel 91 3262202326 Fax 91 3262202429 E2mail director cscmri. ren. nic. in 摘自Coal Highlights 061煤 炭 学 报 1998年第23卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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