（采矿工程专业论文）高瓦斯矿井综采工作面瓦斯运移规律研究.pdf

j ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：壹再粳! 堑堡墨三堡堕匹堙至鳘摆堡婴壅 指导教师： 协助指导教师： 作者：事旺 三奎垄塾望单位：堕茎重型垫奎兰 单位： 论文提交日期：2 0 10 年0 5 月2 5 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 j ， 高瓦斯矿井综采工作面瓦斯运移规律研究 r e s e a r c ho ng a s m i g r a t i o nl a w i nm e c h a n i z e d m i n i n g f a c ew i t hh i g hg a s 研究生姓名：岑旺 指导教师姓名：王文才 内蒙古科技大学矿业工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：c e nw a n g s u p e r v i s o r ：w a n gw e n c a i s c h o o lo f m i n i n ge n g i n e e r i n g i n n e r m o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h 呵a 一 - i 4 ， 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期：矽幻 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：沙胗，6 k 广 触 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素，瓦斯事故也是我国煤矿最严重的事故 之一。随着煤矿机械化程度的不断提高，开采深度的不断增加，开采强度的不断 增强，瓦斯涌出量还会进一步增大，瓦斯灾害的治理将成为煤矿灾害防治的重 点。研究高瓦斯矿井综采工作面的瓦斯运移规律，有利于指导煤矿的瓦斯管理与 安全生产，有一定的理论意义与现实意义。 本文首先较系统的论述了影响工作面及采空区瓦斯涌出的煤层赋存条件及开 采技术因素，并分析研究了瓦斯涌出与瓦斯运移机理。然后结合矿山实际，在阿 刀亥煤矿综采工作面进行了瓦斯浓度测定。根据实测数据，分析总结了综采工作面 及其采空区的瓦斯来源、瓦斯运移规律及瓦斯浓度的分布规律。主要结论如下：采 空区瓦斯主要来源于上下邻近层、丢煤、未采分层以及围岩的瓦斯涌出；在工作 面垂直采长方向，瓦斯浓度呈上升趋势。从煤壁至采空区，瓦斯浓度呈现“较 高、高、低、高、较高的分布趋势；沿工作面倾斜方向，采面瓦斯浓度从进风 侧至回风侧逐渐增大。从采空区深部涌出的高浓度瓦斯，与携带大量瓦斯的漏风 流在上隅角处汇合，上隅角处由于综采支架的存在，形成不良通风空间，导致局 部瓦斯层状积聚，这是造成上隅角瓦斯浓度较高和超限的直接原因。综上所述， 上隅角瓦斯治理是综采工作面瓦斯治理的重点。 本文确定了综采面采空区瓦斯抽放的最佳位置是距工作面6 0 - - - 8 0 m 左右，如 考虑抽放瓦斯利用，采空区瓦斯抽放的最佳位置是距工作面l o o m ，此位置的瓦 斯抽放浓度接近3 0 。根据上述研究结果，本文提出了一些综采工作面瓦斯治理 的具体措施，并将其应用在阿刀亥煤矿1 2 0 9 综采工作面的瓦斯治理工作中，取 得了良好的效果。 关键词：高瓦斯矿井；综采工作面；瓦斯；瓦斯运移；瓦斯治理 ， 鼬 ，i ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n eg a si sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rd a m a g i n gs a f e t yp r o d u c t i o n g a sd i s a s t e ri so n eo f t h ew o r s tc o a ln l i n ed i s a s t e r s a st h em e c h a n i z a t i o nl e v e lo f c o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，t h e m i n i n gd e p t hi n c r e a s e s ，e x p l o i t a t i o no fg r o w i n gs t r e n g t h ，t h eg a se m i s s i o nw i l lf u r t h e r i n c r e a s ea n dg a sd i s a s t e rm a n a g e m e n ti si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gf o c u so fc o a lm i l l ed i s a s t e r p r e v e n t i o n b yr e s e a r c h i n gt h el a wo fg a sm i g r a t i o no nm e c h a n i z e dm i n i n gf a c eo fh i g h - g a s c o a lm i l l e ，t h et h e s i si sh e l p f u lt og u i d et h ec o a lm i n eg a s - m a n a g e m e n ta n dc o a lm i n es a f e t y i th a sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h ec o a ls e a mc o n d i t i o n sa n dm i n i n gc o n d i t i o n s w h i c hi m p a c tt h eg a se m i s s i o no ft h ef a c ea n dm i n i n gg o 正a n ds t u d yt h em e c h a n i s mo f g a se m i s s i o na n dg a sm i g r a t i o n w eh a v em a d eaf i e l dm e a s u r e m e n ta n dd e t e r m i n a t e dt h e g a sc o n c e n t r a t i o no nt h em e c h a n i z e dm i n i n gf a c ei na t oh a im i n e a c c o r d i n gt oa n a l y s i s a n ds u m m a r yt h em e a s u r e dd a t a ，t h eg a ss o u “x 爆，g a sm i g r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fg a s c o n c e n t r a t i o no fm e c h a n i z e dm i n i n gf a c ea n dm i n i n gg o a fa r eg e o l o g yc o n d i t i o n t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h eg a se m i s s i o no f r u i n gg o a l g a sc o m e sm a i n l yf r o mt h eu p p e r a n dl o w e rc l o s e - l a y e r s ，l o s i n gc o a l ，u n - m i n i n gc o a ls e a m , a n ds u r r o u n d i n gr o c k a l o n gt h e v e r t i c a ld i r e c t i o no ff a c em i n i n g , t h eg a sc o n c e n t r a t i o nt e n d e dt oi n c r e a s e t h eg a s c o n c e n t r a t i o np r e s e n t sad i s t r i b u t i o nt r e n da s ”h i g h e r , h i g h , l o w ，h i g h ，h i g h e r f r o mc o a lw a l l t om i n i n g9 0 a a l o n gt h em i n i n gf a c e ，g a sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s 胁nt h ei n l e t - a i rs i d et o t h er e t u m - a i rs i d e t h eh i 曲c o n c e n t r a t i o n sg a sg u s h i n gf r o mt h e 曲巳pg o a f , m e e tt h ea i r l e a k a g es e e p a g ec a r r y i n gl a r g ea m o u n t so fg a sa tt h eu p p e rc o m e r , t h ee x i s t e n c eo f c o m p r e h e n s i v em i n i n gs u p p o r tr e s u l t e dt h eu p p e rc o m e ro f b a dv e n t i l a t i o n , a n da l s or e s u l t e d a c c u m u l a t i o no fl o c a lg a sl a m e l l a r , t h i si st h ed i r e c tc a u s eo fg a sc o n c e n t r a t i o ni nt h eu p p e r c o m e ri sh i 曲a n do v e r r u n s o ，t h eu p p e rc o m e rg a sc o n t r o li st h ek e yo ff u l l ym e c h a n i z e d m i n i n gf a c eg a sc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e ri d e n t i f i e st h eb e s tp l a c et od r a w i n go u tm e t h a n ei nf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n g g o a f i sa b o u t6 0 - - 8 0 ma w a yf r o mt h ef a c e ，i f c o n s i d e r i n gt h eu s eo f t h eg a sd r a i n a g e ，t h eb e s t p l a c et od r a w i n go u tm e t h a n ei s 10 0 ma w a yf o r mt h ef a c e , a tt h i sl o c a t i o nt h ed r a i n a g e c o n c e n t r a t i o no fg a si sc l o s et o3 0 b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san u m b e ro f s p e c i f i cg a sc o n t r o lm e a s u r e sf o rf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c ea n da p p l i e st h e s et oa t oh a i 1 2 0 9c o a lm i n e ，w h i c ha c h i e v e sg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：h i g h g a sc o a lm i n e ；m e c h a n i z e dm i n i n gf a c e ；g a s ；g a sm i g r a t i o n ； g a sp r e v e n t i o n a 1-d t f 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 1 1 综采发展现状及存在的瓦斯问题1 1 1 3 研究背景。2 1 1 3 研究意义2 1 2 研究现状3 1 2 1 瓦斯运移研究现状。3 1 2 1 国内外综采工作面瓦斯治理现状5 1 3 主要研究内容及方法6 1 3 1 主要研究内容6 1 3 2 主要研究方法6 2 影响高瓦斯矿井综采工作面及采空区瓦斯涌出的因素7 2 1 阿刀亥煤矿矿井概况7 2 1 1 阿刀亥煤矿交通位置7 2 1 2 煤层赋存概况7 2 1 3 采煤方法8 2 1 4 开拓运输方式8 2 1 5 矿井瓦斯状况9 2 1 61 2 0 9 综采工作面概况9 2 2 影晌工作面及采空区瓦斯涌出的煤层赋存条件9 2 3 影晌综采工作面及采空区瓦斯涌出的开采技术因素1 4 2 4 瓦斯涌出与运移机理1 6 2 4 1 瓦斯涌出与瓦斯运移：1 6 2 4 2 瓦斯涌出运移与矿井通风参数的关系1 7 2 5 本章小结2 0 产 一 、j ， 一 产 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 高瓦斯矿井综采工作面瓦斯运移规律研究2 1 3 1 瓦斯运移的基本形式分析2 1 3 1 1 正常通风条件下瓦斯在井巷空气中扩散形式2 1 3 1 2 正常通风条件下主风流瓦斯运移过程分析2 2 3 2 高瓦斯矿井综采工作面瓦斯分布测定2 3 3 2 1 分段测定法原理2 3 3 2 2 分段测定法测定步骤。2 4 3 3 高瓦斯矿井综采工作面瓦斯分布规律分析2 5 3 3 1 测定点的布置2 5 3 3 2 瓦斯浓度分布规律2 5 3 3 3 采面瓦斯涌出的不均衡性。2 8 3 4 本章小结。2 8 4 高瓦斯矿井综采工作面采空区瓦斯运移规律研究3 0 4 1 采空区瓦斯涌出3 0 4 1 1 采空区瓦斯来源分析。3 0 4 1 2 采空区漏风3 1 4 1 3 采空区瓦斯涌出量计算3 2 4 1 4 采空区瓦斯涌出有效长度的测定3 4 4 2 采空区瓦斯浓度分布规律3 5 4 2 1 采空区瓦斯浓度分布测定方法3 5 4 2 2 采空区瓦斯浓度测定结果与分析3 6 4 3 高瓦斯矿井综采工作面上隅角瓦斯运移规律3 9 4 3 1 上隅角瓦斯浓度测定3 9 4 3 2 上隅角瓦斯运移过程及积聚分析4 0 4 3 3 上隅角瓦斯的来源、超限原因及防范措施4 2 4 4 本章小结。4 3 5 高瓦斯矿井综采工作面瓦斯运移规律的应用4 4 5 1 阿刀亥煤矿1 2 0 9 工作面4 4 5 2 瓦斯治理情况4 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 3 瓦斯治理效果4 9 5 4 结语4 9 6 结论与展望5 1 6 1 结论5l 6 2 展望5 3 参考文献5 4 在学研究成果5 8 至j 【谢。5 9 3 一 ， ， ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 综采发展现状及存在的瓦斯问题 煤炭工业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业，经过几十年的发展，已 经有了雄厚的基础。我国现有国有重点井工煤矿7 5 0 多处【9 ，l ，根据2 0 0 2 年矿井 瓦斯鉴定，全国共有1 1 3 0 多个高瓦斯和突出矿井，占全国总矿井数的4 4 。就目 前而言，煤炭占我国常规能源探明储量的9 0 以上。从资源上讲是可靠的能源， 从经济上讲是廉价的能源，从环境上讲是可以洁净利用的能源。据专家预测，在我 国未来一次能源消费中，煤炭仍将占到主导地位，即使到2 0 5 0 年，煤炭在我国一 次能源消费结构中的比例也不会低于3 5 ，届时，煤炭消费量仍将达到2 0 多亿 吨。因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，煤炭工业仍将是2 1 世 纪我国能源工业的主力军。在这个大的背景下，近年来煤炭产量的不断提高已经成 为不可逆转的大趋势，综合机械化采煤设备得到了大力推广，高产高效矿井【l9 】逐 年增多，煤炭行业的整体形势有了很大的改观。 为保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高 采掘机械化水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤工艺，是指回采工 作面中采煤的全部生产工艺，如破煤、装煤、运煤、支护和顶板管理等采煤过程都 实现了机械化。此外，顺槽运输也相应的实现了机械化，以便充分发挥综采设备的 效能。随着综采设备性能和装机功率的不断提高，传统的综合机械化采煤工艺，除 了使用范围( 如对采高、走向、煤层倾角及地质构造的适应性) 有所扩大外，其工作 面长度也有两种变化趋势。一是在现有的长壁综采模式下，根据工作面设备的能 力，不断加大工作面长度和推进长度。二是采用“短工作面”开采的短壁综合机械化 采煤工艺。综合机械化采煤【9 l l 】在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益 显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部 分矿井经过技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。 但由于综合机械化采煤开采强度比较大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦 斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综采工作面由于走向长度 较长，采高较大，推进速度较快，因而往往会形成较大面积的采空区，在顶板周期 来压时，常造成工作面及回风流中瓦斯超限，对安全生产构成了极大的威胁。 内蒙古科技大学硕士学位论文 综采工作面多为长壁式回采工作面f l9 1 ，而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出 量占工作面总瓦斯涌出量的3 0 - 4 0 以上，多者达6 5 7 5 ，由于采空区瓦斯的 大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产，甚者会发生重大事故灾害，造 成严重的人员伤亡和经济损失。 近年来，随着煤炭开采深度和范围不断扩大，矿井瓦斯问题越来越严重。同时， 回来工作面机械化程度的提高加大了瓦斯涌出强度，增大了瓦斯爆炸事故发生的可能 性。为保证较高的产量，采煤机必须保证一定的割煤速度。因此，工作面煤壁、落 煤瓦斯涌出就难以有效控制，同时，由于采空区涌出空间比较大，采空区瓦斯涌出 受多种因素影响，所以通过对综采工作面瓦斯及采空区瓦斯运移规律的研究，对综 采工作面和采空区采取有效的瓦斯治理措施，从而解决瓦斯超限等问题，以充分发 挥综合机械化采煤的优势，实现真正意义上的高产高效【2 l 】。 1 1 3 研究背景 通过对1 9 9 8 - 2 0 0 8 年全国煤矿重大事故的次数、伤亡情况、事故性质、发生 原因等进行的统计分析结果表明，由瓦斯因素造成的重大事故无论在次数或人员的 伤亡方面都是第一位的。近年来，全国煤矿重大瓦斯事故占全部重大事故的比例， 发生次数约占5 5 6 5 ，死亡人数占6 0 - 7 5 。地方煤矿的瓦斯事故更为严重。 因此说，瓦斯事故是我国煤矿最严重的事故之一。纵观我国煤矿历年事故统计资 料，瓦斯爆炸事故伤亡人数在全部事故伤亡人数中所占比例呈上升趋势。在重特大 事故中，瓦斯事故( 含瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息) 的死亡人数己经多年占 据首位。瓦斯事故严重威胁我国煤炭资源开采的安全生产，是煤矿的重大安全隐 患。由此充分说明了重视煤矿瓦斯防治的紧迫性和重要性。 分析综采工作面瓦斯事故的发生原因，大多是由于煤体的大面积采动，造成井 下短时间内形成大面积采空区，顶板承载巨大的采动应力，导致煤岩层内裂隙大量 扩张，使煤体渗透率发生了变化，这就为煤体内瓦斯气体的涌出创造了条件，致使 大量瓦斯气体瞬间涌出，最终造成一定范围内的瓦斯浓度超限，而形成事故隐患。 煤体内瓦斯的运移可以分为两个阶段：在煤岩层裂隙内的微观运移和在巷道气流中 的宏观运移。其中，瓦斯在巷道气流中的运移是服从流体力学运动规律的；瓦斯的 微观运移过程中，煤岩体裂隙起到了至关重要的作用。因此，研究高瓦斯矿井综采 工作面瓦斯运移规律对于分析瓦斯事故发生的原因是十分有必要的。 1 1 3 研究意义 本课题就是在这种大的环境和背景下提出的，课题的研究可为高瓦斯矿井综采 工作面、采空区瓦斯治理提供有效数据和理论基础，有利于指导煤矿的安全管理与 一 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 安全生产，有着极其重要的理论意义与现实意义。 本课题是在内蒙古人才开发基金项目高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯涌出规律研究 的基础上，主要以神华集团包头矿务局阿刀亥煤矿矿井为试验研究基地进行研究， 通过对综采工作面布置测点现场实测，分析得出综采面、采空区及上隅角瓦斯浓度 和分布规律，为瓦斯治理提供参考和依据。 1 2 研究现状 1 2 1 瓦斯运移研究现状 瓦斯运移规律的研究是建立在煤层瓦斯渗流理论基础之上的，煤层瓦斯渗流理 论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论，但至今尚未形成一 门独立而完善的学科体系。煤层瓦斯渗流力学自创立至今深受采矿界和力学界的关 注，尤其是8 0 年代以来发展更为迅速，其应用范围越来越广，理论上不断深化， 研究手段也日趋现代化。前人研究成果可以归纳以下几个方面： ( 1 ) 线性瓦斯流动理论 线性瓦斯渗流理论【8 】认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律一达西定律 【l6 】( d a r c y sl a w ) 。渗流力学最先在水利工程，水的净化和地下水资源开发等部门 应用，大约从2 0 世纪2 0 年代起，渗流力学开始成为石油和天然气开发工业的一项 理论基础。2 0 世纪年代末，为了适应采煤行业的大力发展，控制瓦斯技术成为当 时研究主题之一。 前苏联学者p m 克里切夫斯基就是应用达西定律一线性渗透定律，将渗透理 论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤 岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础，成为开创瓦斯渗流力学的先驱之一。 1 9 6 5 年，周世宁【7 l 院士从渗流力学角度出发，认为瓦斯的流动基本上符合达 西定律，把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在我国首 次提出了瓦斯流动理论一线性瓦斯渗透理论。这一理论的提出对我国瓦斯流动理论 的研究具有极为深刻的影响。 直到2 0 世纪8 0 年代，瓦斯流动理论的研究又趋于活跃。1 9 8 4 年，郭勇义【4 8 】 结合相似理论，就一维情况研究了瓦斯渗流方程的完全解，并将瓦斯的等温吸附量 用朗格缪尔( l a n g m u i r ) 方程来描述，提出修正的瓦斯流动方程。1 9 8 6 年，谭学术【4 9 l 利用瓦斯真实气体状态方程，提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程。1 9 8 9 年 鲜学福院士、余楚新在假设煤体瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的条件下，建立了煤 层瓦斯流动理论以及渗流控制方程。 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 随着计算机应用的普及和计算技术的日益发展，应用计算机研究瓦斯流场内压 力分布及其流动变化规律已成为可能，这也是瓦斯渗流力学的研究手段不断实现现 代化的主流方向。孙培德( 1 9 9 3 、1 9 9 4 年) 基于前人的研究成果，修正和完善了 均质煤层的瓦斯流动数学模型，同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型，还应 用计算机进行了数值模拟的对比分析。 近年来，为探索煤与瓦斯突出机理，从力学的角度出发，应用达西定律运动方 程描述突出过程中的瓦斯流动，指出煤的破碎运动与瓦斯渗流的藕合是煤与瓦斯突 出的内在因素，为阐明煤与瓦斯突出机理做出了贡献。 、 ( 2 ) 线性瓦斯扩散理论 线性瓦斯扩散理论【l i 】认为煤层内瓦斯运移基本符合线性扩散定律一菲克定律 ( f i c k sl a w ) 。把瓦斯从煤层中的涌出过程看作是气体在多孔介质中的扩散，其 涌出符合菲克线性扩散定律，并以此对煤层瓦斯扩散规律进行了深入的理论探讨和 实测分析研究。 ( 3 ) 瓦斯渗透一扩散理论 瓦斯渗透一扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包含渗流和扩散的混合流动过 程。随着煤层瓦斯运移规律研究的深入发展，国内外许多学者都赞同和应用瓦斯渗 透一扩散理论。 ( 4 ) 非线性瓦斯流动理论 国内外许多学者对线性渗流定律是否完全适合于多孔介质中气体渗流问题己做 出大量的考察和研究，许多学者经过研究归纳出达西定律偏离的原因为：流量过 大；分子效应；离子效应；流体本身的非牛顿势。同时提出了更能符合煤层 瓦斯流场流动的基本定律一幂定律( p o w e rl a w ) 。以非线性煤层瓦斯流动基本定 律一幂定律为基础提出的非线性瓦斯流动的数学模型及其理论，经初步实测验证表 明，非线性瓦斯流动模型更符合实际。 ( 5 ) 地物场效应的煤层瓦斯流动理论【7 1 1 】 随着煤层瓦斯流动机理研究的深化，许多学者认识到，地应力场、地温场、及 地电场等地物场对煤层瓦斯流动场具有显著的作用和影响。进而建立和发展气固耦 合作用的瓦斯流动模型及其数值方法。用流体一岩石相互作用机制来认识煤层内瓦 斯运移的过程，充分发展和考虑地应力场、地温场以及地电场等地球物理场作用下 的煤层瓦斯运移耦合模型及数值方法，使理论模型更能反映客观事实，以及进一步 完善理论模型及测试技术和手段，成为当今推动煤层瓦斯渗流力学向前发展的主流 方向。 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 多煤层系统瓦斯越流理论 根据地下渗流力学多煤层瓦斯越流的定义，如煤层群开采中采场瓦斯涌出问 题、保护层开采的有效保护范围的确定问题、井下邻近层采空区瓦斯抽放工程的合 理布孔设计、抽放率预估问题、地下多气层之间煤层气运移规律的预估和评估问 题，都可以归结为多煤层系统瓦斯越流问题。但由于此问题的复杂性，均未从煤层 瓦斯越流的角度去抽象出其普遍规律并创建多煤层系统瓦斯越流理论，因此，应用 流体一岩石的相互作用的观点创建和发展煤层瓦斯藕合模型及数值方法，丰富和完 善煤层瓦斯渗流力学，这是当今本学科理论研究的前沿课题。它既有十分重要的理 论意义，也有重要的现实意义。 综上所述，瓦斯流动理论的研究己有多年的历史，在探求煤层内瓦斯运移机理 方面先后发展了线性渗透理论，线性扩散理论，渗透一扩散理论，非线性渗透理 论，以及考虑地应力场，地温场，及地电场等地物场对煤层瓦斯流动场具有显著的 作用和影响条件下的渗流理论，多煤层系统瓦斯越流理论等，在一定的简化假设 下，已形成了较严密的理论体系，并在煤矿安全生产中起到了一定的作用。但是， 由于煤层内瓦斯运移是一个非常复杂的过程，这不仅与煤的结构有关，而且受到众 多因素的影响，故不同的理论有其相应的适应条件。 1 2 1 国内外综采工作面瓦斯治理现状 在综采工作面的瓦斯治理研究中【1 4 】，上隅角瓦斯积聚和处理的问题，是国内 外技术人员努力攻关的焦点。法国煤矿采用压风引射器引排综采面上隅角的瓦斯， 日本、前苏联、波兰和德国用小型气动风机吹散上隅角的积聚瓦斯，前苏联用抽放 泵抽排上隅角的瓦斯。在我国，中国矿业大学俞启香【l6 】教授等采用脉冲射流来对 上隅角瓦斯积聚问题进行治理研究。这些方法均取得了一定的效果，但不能达到治 本的目的。在瓦斯治理上，国内外也很重视瓦斯抽放，并且采空区瓦斯抽放量在总 抽放量中占有较大的比重，如德国等均达到3 0 左右，除保证安全生产外，采空 区的瓦斯抽放还可满足矿井瓦斯利用的需要。我国国家“七五”科技攻关项目“采空 区瓦斯抽放技术”、“九五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放工艺与自控装备的研究” 都把采空区瓦斯治理作为重大课题来解决，可见国家对采空区瓦斯治理的重视程 度。2 0 0 2 年，国家安全监察局提出“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十 二字方针，也把瓦斯抽放工作当作重点来抓。 在对采空区的瓦斯治理方面，我国对于采空区瓦斯涌出量较大的综采工作面一 般采用采空区瓦斯抽放和处理局部( 主要是上隅角) 瓦斯积聚等方法，虽在一定程度 上缓解和减少了工作面回风瓦斯超限和局部瓦斯积聚现象，但仍存在着一些问题， 如采空区瓦斯抽放效果普遍较差，抽放率低等，瓦斯问题仍严重地制约着综采工作 一 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 面的安全生产，其原因是在采用治理方法时，未能从综采面整体观念出发，而是采 用单一的处理方法，并非综合治理。 为此，通过开展瓦斯研究工作，在摸清工作面瓦斯运移规律的基础上，从多个 方面入手，进行全方位地治理工作面瓦斯，并结合其它方面的瓦斯治理措施，从根 本上解决综采工作面安全生产问题。 1 3 主要研究内容及方法 1 3 1 主要研究内容 从国内外瓦斯运移规律的研究历史与现状来看，研究采空区瓦斯运移规律已经 有很多成果，但综合研究综采工作面、采空区及上隅角瓦斯运移的研究还很少。本 论文针对高瓦斯综采工作面矿井瓦斯运移问题，运用理论分析和实测数据、实际考 察验证相结合的方法研究瓦斯运移规律。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对综采面瓦斯来源构成及影响综采工作面瓦斯涌出的主要地质条件及 开采技术因素的分析，进行瓦斯涌出及瓦斯运移的研究； ( 2 ) 采用理论分析与现场实测相结合的研究方法，应用分段测定法现场测量综 采工作面不同布置点瓦斯浓度，运用埋管测定法对采空区瓦斯涌出及浓度分布进行 测定；运用网格法对工作面上隅角的瓦斯浓度分布进行了测定。根据实测数据分析 和总结了综采工作面及其采空瓦斯来源、瓦斯运移及瓦斯浓度分布规律以及综采工 作面上隅角瓦斯运移规律。 ( 3 ) 通过对工作面瓦斯治理效果的实际考察，验证和完善综采工作面瓦斯运移 理论，并对阿刀亥煤矿进行瓦斯综合治理。 1 3 2 主要研究方法 通过大量资料文献的阅读和学习，在总结瓦斯运移特征的基础上，主要采取理 论分析结合实测研究的技术路线；应用文献研究法、实证研究法及定量分析来进行 综采工作面瓦斯运移规律研究。 文献研究法：根据研究课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地 了解掌握有关综采工作面瓦斯涌出和运移理论。实证研究法：作为科学实践研究的 一种特殊形式，依据煤层瓦斯赋存和瓦斯流动理论等，利用瓦斯解析仪和风表等， 通过现场测量综采工作面不同布置点瓦斯浓度，进行数值处理，并进行定量分析。 科学研究高瓦斯矿井综采工作面瓦斯运移特征并总结我区高瓦斯矿井综采工作面瓦 斯运移的一般规律。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 影响高瓦斯矿井综采工作面及采空区瓦斯涌出的因素 瓦斯涌1 6 , 1 7 是指受采动影响的煤层、岩层，以及由采落的煤、矸石向井下空间 放出瓦斯的想象。影响高瓦斯矿井综采工作面及采空区瓦斯涌出的因素很多，其中 工作面的煤层赋存条件和开采技术条件影响较大。煤层赋存条件包括煤层瓦斯含 量、开采煤层厚度、邻近层个数、地质构造、顶底板岩性等，开采技术条件包括开 采方式、巷道布置、工作面推进速度、生产工序、工作面配风量、工作面风压、采 空区面积、回采率等因素。对于不同区域、煤田或块段，影响瓦斯赋存的地质条件 以及开采技术条件存在着差异，起主导作用的因素也有所区别。 本课题的研究是在神华集团包头矿务局阿刀亥煤矿矿井为试验研究基地进行研 究的。 2 1 阿刀亥煤矿矿井概况 2 1 1 阿刀亥煤矿交通位置 阿刀亥煤矿位于阴山山脉大青山煤田的中段南缘，矿区主井地理坐标：东经 1 1 1 02 7 7 2 8 ；北纬4 0 。3 8 7 0 2 ，行政区划隶属内蒙古自治区包头市土默特右 旗。矿井井口在距离萨拉齐镇西1 5 k m 公里的阿刀亥沟内。本矿由井口向南经过阿 刀亥沟7 5 k m 简易公路可与呼一包公路( 国道1 1 0 线) 相接。沿呼一包公路向东 8 k m 可达包头矿业公司阿刀亥矿专用铁路装车站，再经萨拉齐火车站与京一包铁路 相通。交通较为便利。 2 1 2 煤层赋存概况 阿刀亥煤矿矿区含煤地层为石炭系上统拴马桩组，属山间内陆盆地相沉积，主 要由煤层、砂质粘土岩、泥岩及各种粒级的碎屑岩组成，砾岩与碎屑岩占7 0 以 上，相变频繁，泥炭沼泽相与河流相相互交替，煤层厚度变化大，结构复杂，煤分 层难以对比。煤系地层含c u 2 和c u 4 两个煤层组，煤系地层全厚1 8 3 m ，煤层总厚 为2 8 m ，含煤系数为1 5 。 c u 4 煤组为拴马桩组的上煤组，在阿刀亥矿区，常为粘土泥岩和薄煤层互层， 在矿区内3 号孑l 中煤层最厚为3 1 m ，结构极复杂，分为3 4 分层。在其他钻孔中未见 或不可采，厚度变化极大，为极不稳定煤层。原煤灰分都在4 0 以上，为不可采煤 口 店0 内蒙古科技大学硕士学位论文 c u 2 煤组为拴马桩组的下煤组，为矿区主要含煤组。据地质勘查资料及多年来 开采所收集的资料，经统计c u 2 煤层的最大厚度为4 2 7 9 米，最小厚度为4 7 2 米， 平均厚度为2 2 5 8 米，本煤层结构复杂，夹石3 4 2 层，夹石层最大厚度3 4 米，最 小厚度o 0 2 米，夹石岩性多为炭质泥岩，高岭土岩及粉砂岩，局部为砂岩。本煤层 为结构比较复杂。 阿刀亥煤矿矿井采区布置以井筒分为东、西部两个采区，采区设计长度1 0 0 0 米。以石门分东、西双翼布置工作面。工作面沿煤层走向布置，回采两顺槽沿煤层 顶板和底板布置。工作面走向长一般布置4 5 卜5 0 0 米，工作面宽平均2 8 米。 2 1 3 采煤方法 阿刀亥煤矿采煤方法为：急倾斜特厚煤层水平分层走向长臂综采放顶煤采煤 法。开采顺序为下行式，采区前进、工作面后退式。水平分层厚度1 5 m 和2 0 m ，其 中采高2 2 m ，放顶煤1 2 8 m 和1 8 m 。回采工艺流程为：采煤机割煤一拉后部溜子一 移综采支架一推移前部溜子一放顶煤一移设端头支护一回收等正规循环作业，工作 面平均月推进7 0 m ，日均2 4 m 。放煤步距采用两采一放，放煤方式采用单轮间隔放 顶煤。放煤步距为1 2 m ，放煤口间隔间距为1 2 5 m 。 采煤工作面采用m g d 一1 5 0 n 短臂采煤机落煤，配z f b z l l 8 0 0 1 5 2 3 轻型综采低 位放顶煤液压支架支护。采煤机截深0 6 米，放煤口插板行程0 5 5 米，工作面采用 s g b 6 3 0 7 5 型刮板输送机做为采煤机的行走轨道和运煤设备，工作面支架后部采用 s g b 6 3 0 7 5 型刮板输送机作为放顶煤的运输设备。 2 1 4 开拓运输方式 阿刀亥煤矿矿井开拓方式为中央并列斜井开拓。现有井筒5 个，分别为主提升 井、提矸主井、副井、白家尧风井和西二风井。 矿井主提升井：为大倾角皮带主井，倾角2 8 度，斜长3 1 7 米，为，采用型号为 s t 一1 0 0 0 2 2 0 的2 8 。大倾角钢丝芯皮带提升，胶带宽度1 0 0 0 m m ，带速2 0 m s ，电机 功率2 2 0 k w ，运输长度3 7 0 米，担负全矿井下原煤运往地面煤仓的运输任务，兼作 进风井。 提矸主井：倾角3 2 度，斜长4 4 8 米，为矿井专用提矸井，提升机型号聪 2 5 2 0 ，采用6 吨后卸式箕斗提升，兼作进风井。 副井：倾角2 8 度，斜长2 9 0 米，为辅助提升井，配备型号为j t l 6 0 0 1 2 0 0 的提 升机，担负提放物料、人员等辅助运输任务，提放物料采用双车提放，人车为3 0 座 双车，兼作进风井。 内蒙古科技大学硕士学位论文 西二风井：西二风井全长9 5 米，倾角3 0 。，主扇型号为d b k 6 1 8 6 n o 1 8 ，电 机额定功率1 3 2 k w 2 ，额定负压1 2 5 0 - - - 3 5 0 0 p a ，额定风量3 1 、- 8 5 m 3 s ，一台使 用，一台备用；负责西部采区回风。 白家尧风井：全长9 9 米，通风机型号为d b k 6 1 8 6 - n o 1 8 ，电机额定功率 1 3 2 k wx2 ，额定负压1 2 5 0 3 5 0 0 p a ，额定风量3 1 - - 一8 5 m 3 s ，一台使用，一台备用； 负责东部采区回风。 2 1 5 矿井瓦斯状况 按照国家煤矿安全规程第一百三十三条的规定，矿井瓦斯等级，根据矿井 相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为： ( 1 ) 低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于1 0 m 3 t 且矿井绝对瓦斯涌出 量小于或等于4 0 m 3 m i n 。 ( 2 ) 高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于1 0 m 3 t 或矿井绝对瓦斯涌出量大于 4 0 m 3 m i n 。 ( 3 ) 煤( 岩) 与瓦斯( 二氧化碳) 突出矿井。 据矿山统计资料，阿刀亥煤矿在+ 1 2 6 0 m 水平以上，矿井相对瓦斯涌出量平均为 1 6 0 6m 3 t ，绝对瓦斯涌出量平均2 7 5m 3 m i n ，在+ 1 2 6 0 m 水平以下，矿井相对瓦斯涌 出量平均为1 8 3 3m 3 t ，绝对瓦斯涌出量平均3 1 6 7m 3 m i n ，故该矿为高瓦斯矿井。 2 1 61 2 0 9 综采工作面概况 1 2 0 9 综采工作面走向长度3 6 5 m ，倾斜长度4 2 m ，煤层倾角5 - - 8 2 。，开采煤层 厚3 3 - - 5 2 m ，平均4 2 m 。本工作面地面标高1 4 0 5 8 ，井下标高1 2 13 m ( 巷顶) 。本 工作面位于供应科东6 0 0 m ，南北界为煤层顶、底板界线，西界为供应科东6 0 0 m ， 东界以此往东3 6