高位钻孔抽采采空区瓦斯数值模拟研究.pdf
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1、2023 年 10 月Oct.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.016高位钻孔抽采采空区瓦斯数值模拟研究(1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046000;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)摘要 为了解决某矿3307工作面采空区瓦斯抽采效率低、工作面上隅角瓦斯易超限问题,提出了高位钻孔抽采采空区瓦斯方法,结合数值模拟分析得出高位钻孔能改变采空区流场,有效抑制工作面和上隅角瓦斯积聚。研究结果表明,采用高位钻孔抽采采空区时,抽采负压和钻孔布置层位不宜
2、无限放大,当抽采负压取值为20 kPa、钻孔布置位置在工作面上方30 m时,抽采的性价比最高。关键词 数值模拟;高位钻孔;上隅角瓦斯治理;抽采负压;钻孔布置层位中图分类号 TD712文献标识码 B文章编号1672蛳9943(2023)05蛳0051蛳020引言某矿井主采 3 号煤层,其 3307 工作面采用双巷布置,采用“一进一回”通风方式,煤层较松软。工作面可采长度 800 m、走向长度 250 m,煤层厚度平均4.7 m,煤层倾角平均 6毅。采空区瓦斯治理主要采用埋管(插管)抽采,但瓦斯抽采浓度和效率较低,上隅角瓦斯浓度长期为 1%2%,不能有效防止工作面上隅角瓦斯超限。目前在淮南、晋城、
3、铁法、峰峰等矿区已经成熟应用高位钻孔抽采采空区咱1-8暂。因此本次针对该矿 3307 工作面,利用数值分析软件分析其高位钻孔的可行性和效果,并对具体参数进行分析,得出了最优的高位钻孔抽采负压和钻孔布置层位,为煤矿安全生产保驾护航。1采空区高位钻孔瓦斯抽采理论分析采用高位钻孔抽采采空区裂隙带瓦斯原理如图 1 所示。由图 1 可以看出,因为上邻煤层处于采空区塌陷带边缘,高位钻孔布置在采空区回风侧,高位钻孔布置在上邻煤层上方的采空区裂隙带范围内能保证高位钻孔抽采期间钻孔稳定不塌孔。距离工作面较近的采空区裂隙带形成时间较短,该区域上邻近煤层瓦斯未进行大规模放散,煤层瓦斯含量和瓦斯压力较大;高位钻孔和采
4、空区垮落带均属于低压区域,煤层瓦斯在压力梯度驱动下分别向高位钻孔和采空区垮落带渗流,该范围内高位钻孔瓦斯抽采浓度较高。而距离工作面较远的采空区裂隙带形成时间较长,该区域上邻近煤层瓦斯已充分放散和泄压,上邻近煤层瓦斯含量和瓦斯压力明显降低,此时采空区垮落带内的低浓度瓦斯会通过采空区裂隙带渗流至顶板高位钻孔内,该范围内高位钻孔瓦斯抽采浓度会降低。图 1采空区高位钻孔抽采措施瓦斯抽采原理高位钻孔布置于采空区回风侧,主要目的是在一定程度上抑制采空区回风侧上邻近煤层瓦斯向采空区上隅角方向渗流。因此针对上述情况,本次采用数值模拟对不同高位钻孔布置层位与抽采负压条件下瓦斯抽采措施的抽采效果进行定量研究,从而
5、选择最优的钻孔布置参数,提高采空区瓦斯治理效果。2优化采空区高位钻孔瓦斯抽采工艺研究图 2、3 分别为高位钻孔措施抽采负压为20 kPa、钻孔层位为 30 m 条件下采空区风速分布模拟结果与气压分布模拟结果。由图 2、3 可知:采空区垮落带在高位钻孔作用下的风速较未采取抽采措施的风速明显减小;与未采取抽采措施 U 型通风方式相比,高位钻孔作用下整个采空区垮落带气压降低,低于工作面气压,且上隅角区域采空区气压明显高于其深部采空区气压。由此可以得出,当采用高位钻孔时,能够有效改变采空区后方流场,对裂隙圈钻孔进风巷回风巷钻场能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Man
6、agement2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5512023 年 10 月Oct.,2023于工作面和上隅角瓦斯治理起到正相关作用。(a)未采取抽采措施(b)采取高位钻孔措施图 2高位钻孔措施抽采负压为 20 kPa、钻孔层位为 30 m条件下采空区风速分布模拟结果(a)未采取抽采措施(b)采取高位钻孔措施图 3高位钻孔措施抽采负压为 20 kPa、钻孔层位为 30 m条件下采空区气压分布模拟结果图 4 为不同高位钻孔布置层位条件下钻孔抽采混量、钻孔抽采瓦斯浓度、回风巷瓦斯浓度的变化;图 5 为不同高位钻孔抽采负压条件下钻孔抽采混量、钻孔抽采瓦斯浓度、回风巷瓦斯浓度的变化
7、。由图 4、5 可得:由于高位钻孔布置层位增大,钻孔抽混量下降,加大了钻孔抽气浓度,增加了回风巷瓦斯浓度。由于高位钻孔加大了抽气负压,加大了钻孔抽混量,降低了钻孔抽气浓度,降低了回风巷抽气浓度。高位钻孔措施下,钻孔抽采混量范围大致为 1629 m3/min,钻孔瓦斯抽采浓度大致为19%85%,回风巷瓦斯浓度范围大致为 0.84%1.44%。当抽采负压一定时,抽采混量与钻孔布置层位成反比关系,抽采浓度与钻孔布置层位成正比关系,回风巷瓦斯浓度与钻孔布置层位成正比关系;图 4 反映出当钻孔布置层位不变时,抽采负压由15 kPa 变为 20 kPa 时,各参数的变化量较抽采负压由 20 kPa 变为
8、25 kPa 时大,由此可以推断出当层位一定时,不是负压越大越好,结果显示在 20 kPa 时最为合理。当钻孔布置层位一定时,抽采混量与抽采负压成正比关系,抽采浓度与抽采负压成反比关系,回风巷瓦斯浓度与抽采负压成反比关系;图 5反映出当抽采负压不变、钻孔布置层位由 25 m 变为30 m 时,各参数的变化量较钻孔布置层位由 30 m变为 35 m 时大,由此可推断出当抽采负压一定时,不是钻孔层位越高越好,结果显示在 30 m 时最为合理。郭书明,等高位钻孔抽采采空区瓦斯数值模拟研究图 5不同高位钻孔抽采负压条件下钻孔抽采效果变化情况图 4不同高位钻孔布置层位条件下钻孔抽采效果变化情况(a)高位
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