下通风对工作面瓦斯运移的影响

下通风对工作面瓦斯运移的影响

随着采矿业的发展，矿山高温、防尘、砖瓦等灾害日益严重。解决这些问题的有效措施之一是在开采的区域使用减少通风。因此，国内外使用减少通风的使用越来越普遍。20世纪60年代以来，中国在23个部门的46家矿山和171家开采场地上使用了通风。现在，中国煤矿车间的通风通常用于缓解斜井，这会产生危及煤屑爆炸的危险气、自然燃烧和低洼气田。在国外，20世纪60年代，减少通风后，减少了年度。在前苏联联邦区、美国加利福尼亚州中部的一些矿山、日本的常盘煤矿和三池煤矿以及英国和其他国家的采矿广泛使用冷却通风，占越来越大的比例。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15-21270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采场漏风量公式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间无风流流动,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.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ρ不等而产生自然风压ΔPm,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ΔPn,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ΔP=ΔPm+ΔPn.(1)ΔΡ=ΔΡm+ΔΡn.(1)由此可得出上行风总压差Δpu、下行风总压差ΔPd分别为ΔPu=−(ρA−ρB)Xsinβ−RQ2X/L,(2)ΔPd=−(ρA−ρB)Xsinβ+RQ2X/L,(3)ΔΡu=-(ρA-ρB)Xsinβ-RQ2X/L,(2)ΔΡd=-(ρA-ρB)Xsinβ+RQ2X/L,(3)式中:ρA,ρB为回采工作面、采空区平均气体密度;X为A,B点距离;β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.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RQ2<(ρA-ρB)Xsinβ,其压差随β增加而增高,若RQ2>(ρA-ρB)Xsinβ,压差随β增加而降低,上行风时压差随β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Darcy定律.在X轴方向上,Darcy定律表达为Vx=−Kx∂h∂x,(4)Vx=-Κx∂h∂x,(4)式中:Kx为X轴方向的渗透系数;∂h∂x∂h∂x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ε=RQ2/L(ρA-ρB)sinβ>0,则有∣∣QuQd∣∣=∣∣1+ε1−ε∣∣>1,(5)Qu=(1/ε+1)(RQ2/L)∫sKxds,(6)Qd=(1/ε−1)(RQ2/L)∫sKxds.(7)|QuQd|=|1+ε1-ε|>1,(5)Qu=(1/ε+1)(RQ2/L)∫sΚxds,(6)Qd=(1/ε-1)(RQ2/L)∫sΚxds.(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Qu随β增加而增加;下行风时漏风量当ε<1时随β增加而增加,当ε>1时随β增加而减小.1.1上下流回工作面由式(6)可知,上行风时Qu>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ε>1,Qd<0,漏风从回采工作面上部进入采空区,在下部流回回采工作面,若ε<1,Qd>0,漏风从采空区上部涌出,将此现象称为下行风采空区倒流.通过式(7)可知,倒流现象本质为回采工作面两端通风压力及采场气体密度变化.从风流网络理论分析及采场阻力实际测定来看,工作面下行风采空区气体倒流现象几乎不存在.1.2采空区瓦斯量的变化上行风时采空区内气体总是从回采工作面上部涌出,采空区瓦斯也总是从回采工作面上部涌出,上隅角涌出的是采空区深部和上部的高浓度瓦斯;下行风时采空区内瓦斯一般从采面下部涌出.通过瓦斯分源分析,回采工作面回风流中的绝对瓦斯涌出量qr并不等同于采场的瓦斯总量q,采场瓦斯总量q取决于瓦斯压力、瓦斯含量、煤层渗透系数、围岩等,所以回采工作面上、下行风对q并无影响,但是由于采场流场的形式不同,从采空区涌出采场的瓦斯量和qr是有区别的.当采空区内没有漏风汇存在时,无论上行、下行风,在稳定状态时q=qr,此时,上、下行风无差别.但在实际生产过程中,采空区漏风存在是难免的,所以涌出采空区的瓦斯会从漏风汇排走一部分.无论漏风汇在采空区上部还是下部,上行风时排出的是流经采空区下部的气体.下行风时是流经采空区上部的气体.事实表明,采空区上部的瓦斯浓度远比下部的高,所以下行风时从采空区内部漏风汇排出的瓦斯量要比上行风高的多.由于采场q不变,所以下行风时从采空区漏向回采工作面的瓦斯量要比上行风时小,采煤工作面φ(CH4)和qr都要比上行风时低.采场风流中的瓦斯与空气其它组分一般情况下不发生化学变化,瓦斯在采场的运移遵守流体动力弥散定律,即Fick定律J=−(D1+D2)⋅gradc,(8)J=-(D1+D2)⋅gradc,(8)式中:J为质量弥散通量;D1为分子扩散系数;D2为机械弥散系数;gradc为浓度梯度.当采场风速V=0时,Fick定律形式为J=−D1⋅gradc.(9)J=-D1⋅gradc.(9)式(9)表明瓦斯只能由高浓度点向低浓度点传递而不存在逆过程,由此可得出结论:和空气混合均匀的瓦斯不能再浮起来,即下行风时即使V=0,也不会由于瓦斯分层而发生瓦斯积聚在采场上部的现象.当V≠0时,此时有D2>D1·gradc,故J=-D2·gradc.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采空区瓦斯产出规律下行风时,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间短;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: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15%~26%.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回流的风速计算设采空区内的漏风速度为V,采空区内瓦斯上浮速度为VW,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:1)当V=VW时,采空区瓦斯静止,滞留在采空区内;2)当V>VW时,采空区瓦斯向下流动,被漏风风流带走;3)当V<VW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,VW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pm=Lsinα⋅Δρg,(10)pm=Lsinα⋅Δρg,(10)式中:pm为采空区自然风压,Pa;L为回采工作面长度,m;α为回采工作面煤层倾角,(°);Δρ为回采工作面与采空区的平均密度差值,Δρ=(ρm-ρ),ρm为回采工作面空气平均密度,ρ为采空区空气平均密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2.机械通风时回采工作面的风压为P=KLUQ2S3,(11)Ρ=ΚLUQ2S3,(11)式中:P为回采工作面风压,Pa;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·S2/m4;U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,m3/s;S为回采工作面空间横断面积,m2.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=VS=VMB.(12)Q=VS=VΜB.(12)将式(12)代入式(11)得P=KULMBV2.(13)Ρ=ΚULΜBV2.(13)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Lsinα⋅Δρg≤KULMBV2,(14)Lsinα⋅Δρg≤ΚULΜBV2,(14)解式(14)得Vmin=sinα⋅ΔρgMBKU−−−−−−−−−√,(15)Vmin=sinα⋅ΔρgΜBΚU,(15)式中Vmin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以下通风应用于平四矿的应用4.1工作面瓦斯实际溢出量的确定平四矿在己15-21270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1168m3/min,回风流φ(CH4)=0.6%,绝对涌出量为7.0m3/min;抽放泵混合流量58m3/min,抽出φ(CH4)=3.5%,绝对涌出量为2.04m3/min.合计该工作面绝对涌出量为9.04m3/min.瓦斯来源为本煤层和下面的己16-17煤层,主要是因为己16-17煤层涌出,占瓦斯总量的80%以上.工作面开始回撤时,回风巷中的φ(CH4)=0.78%,回风石门中的φ(CH4)=0.80%,当回撤到52m时,回风巷中的φ(CH4)=1.08%,回风石门中的φ(CH4)=1.14%,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15-21270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,φ(CH4)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,φ(CH4)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,来自己16、己17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工作面ch4通过分析,采用下行通风方案是可行的,按照1992年版《煤矿安全规程》第120条的要求,编制了己15-21270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φ(CH4)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JBT-62型局部通风机,就保证了φ(CH4)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.对于具有相同开采条件的己15-21270回采工作面和己15-23050回采工作面,己15-21270回采工作面在采用下行风,己15-23050采煤工作面采用上行通风,比较了2个工作面从2005年7月1日到7月15日的工作面φ(CH4)变化情况,如图4所示.由图4可见,在都采用上行风的情况下,两者工作面φ(CH4)差别不大.己15-21270回采工作面φ(CH4)最大值为0.7%,最小值为0.5%;己15-23050回采工作面φ(CH4)最大值为0.9%,最小值为0.7%.采用下行风后,己15-21270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%,φ