下通風(fēng)對(duì)工作面瓦斯運(yùn)移的影響

下通風(fēng)對(duì)工作面瓦斯運(yùn)移的影響

隨著采礦業(yè)的發(fā)展，礦山高溫、防塵、磚瓦等災(zāi)害日益嚴(yán)重。解決這些問(wèn)題的有效措施之一是在開(kāi)采的區(qū)域使用減少通風(fēng)。因此，國(guó)內(nèi)外使用減少通風(fēng)的使用越來(lái)越普遍。20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)在23個(gè)部門(mén)的46家礦山和171家開(kāi)采場(chǎng)地上使用了通風(fēng)?，F(xiàn)在，中國(guó)煤礦車(chē)間的通風(fēng)通常用于緩解斜井，這會(huì)產(chǎn)生危及煤屑爆炸的危險(xiǎn)氣、自然燃燒和低洼氣田。在國(guó)外，20世紀(jì)60年代，減少通風(fēng)后，減少了年度。在前蘇聯(lián)聯(lián)邦區(qū)、美國(guó)加利福尼亞州中部的一些礦山、日本的常盤(pán)煤礦和三池煤礦以及英國(guó)和其他國(guó)家的采礦廣泛使用冷卻通風(fēng)，占越來(lái)越大的比例。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于下行通風(fēng)進(jìn)行了很多研究,但是針對(duì)近距離保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中利用下行通風(fēng)方式防治瓦斯還未見(jiàn)文獻(xiàn)介紹.筆者結(jié)合平煤集團(tuán)四礦在己15-21270回采工作面采用近距離保護(hù)層開(kāi)采的實(shí)際情況,探討了利用下行通風(fēng)解決近距離保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中瓦斯超限問(wèn)題,以期對(duì)瓦斯礦井安全生產(chǎn)有所幫助.1采場(chǎng)漏風(fēng)量公式由于工作面兩端壓差的作用,進(jìn)風(fēng)流的一部分氣體從能量高的一端流進(jìn)采空區(qū),在能量低的一端再流回工作面.根據(jù)連續(xù)性,假設(shè)在某一平面回采工作面與采空區(qū)間無(wú)風(fēng)流流動(dòng),稱(chēng)此面為中勢(shì)面,在中勢(shì)面上各點(diǎn)的能量相等.在正常生產(chǎn)條件下采場(chǎng)空氣流速不大,各點(diǎn)溫差很小,空氣流動(dòng)可視為不可壓縮理想流的平面穩(wěn)定流動(dòng),采空區(qū)介質(zhì)的空隙率沿回采工作面長(zhǎng)度方向視為相同.作上述假定后,可認(rèn)為中勢(shì)面位于回采工作面中央,如圖1所示.采場(chǎng)壓差分布是指沿回采工作面長(zhǎng)度方向各點(diǎn)與中勢(shì)面壓頭之差的分布情況.其意義是:當(dāng)壓差大于零時(shí),風(fēng)流由回采工作面流進(jìn)采空區(qū);當(dāng)壓差小于零時(shí),風(fēng)流由采空區(qū)流入回采工作面,壓差愈大,采場(chǎng)漏風(fēng)量愈大.由于回采工作面和采空區(qū)氣體平均密度ρ不等而產(chǎn)生自然風(fēng)壓ΔPm,當(dāng)回采工作面有風(fēng)流通過(guò)時(shí),其兩端的通風(fēng)壓力形成采場(chǎng)壓差ΔPn,采場(chǎng)總壓差等于機(jī)械風(fēng)壓力和自然風(fēng)壓所造成的壓差之和,即ΔP=ΔPm+ΔPn.(1)ΔΡ=ΔΡm+ΔΡn.(1)由此可得出上行風(fēng)總壓差Δpu、下行風(fēng)總壓差ΔPd分別為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為回采工作面、采空區(qū)平均氣體密度;X為A,B點(diǎn)距離;β為A,B點(diǎn)傾角;R,Q,L分別為工作面風(fēng)阻、風(fēng)量、長(zhǎng)度.采場(chǎng)壓差分布如圖2所示.由圖2可見(jiàn),采面采用上行風(fēng)時(shí)的壓差比下行風(fēng)的高;下行風(fēng)時(shí),若RQ2<(ρA-ρB)Xsinβ,其壓差隨β增加而增高,若RQ2>(ρA-ρB)Xsinβ,壓差隨β增加而降低,上行風(fēng)時(shí)壓差隨β增大而增高.由于采場(chǎng)空氣流動(dòng)可視為不可壓縮理想流體的平面穩(wěn)定流動(dòng),所以服從質(zhì)量守恒定律和Darcy定律.在X軸方向上,Darcy定律表達(dá)為Vx=?Kx?h?x,(4)Vx=-Κx?h?x,(4)式中:Kx為X軸方向的滲透系數(shù);?h?x?h?x為X軸方向的壓力梯度.在中勢(shì)面上對(duì)上式積分得出采場(chǎng)中勢(shì)面風(fēng)量也即采場(chǎng)漏風(fēng)量.令ε=RQ2/L(ρA-ρB)sinβ>0,則有∣∣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)表明上行風(fēng)時(shí)采場(chǎng)漏風(fēng)量比下行風(fēng)大,上行風(fēng)漏風(fēng)量Qu隨β增加而增加;下行風(fēng)時(shí)漏風(fēng)量當(dāng)ε<1時(shí)隨β增加而增加,當(dāng)ε>1時(shí)隨β增加而減小.1.1上下流回工作面由式(6)可知,上行風(fēng)時(shí)Qu>0,表明在中勢(shì)面上風(fēng)流總是自下而上流動(dòng),與X軸向相同,漏風(fēng)總是從回采工作面下部流入采空區(qū),在上部流回工作面;由式(7)可知,若ε>1,Qd<0,漏風(fēng)從回采工作面上部進(jìn)入采空區(qū),在下部流回回采工作面,若ε<1,Qd>0,漏風(fēng)從采空區(qū)上部涌出,將此現(xiàn)象稱(chēng)為下行風(fēng)采空區(qū)倒流.通過(guò)式(7)可知,倒流現(xiàn)象本質(zhì)為回采工作面兩端通風(fēng)壓力及采場(chǎng)氣體密度變化.從風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)理論分析及采場(chǎng)阻力實(shí)際測(cè)定來(lái)看,工作面下行風(fēng)采空區(qū)氣體倒流現(xiàn)象幾乎不存在.1.2采空區(qū)瓦斯量的變化上行風(fēng)時(shí)采空區(qū)內(nèi)氣體總是從回采工作面上部涌出,采空區(qū)瓦斯也總是從回采工作面上部涌出,上隅角涌出的是采空區(qū)深部和上部的高濃度瓦斯;下行風(fēng)時(shí)采空區(qū)內(nèi)瓦斯一般從采面下部涌出.通過(guò)瓦斯分源分析,回采工作面回風(fēng)流中的絕對(duì)瓦斯涌出量qr并不等同于采場(chǎng)的瓦斯總量q,采場(chǎng)瓦斯總量q取決于瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層滲透系數(shù)、圍巖等,所以回采工作面上、下行風(fēng)對(duì)q并無(wú)影響,但是由于采場(chǎng)流場(chǎng)的形式不同,從采空區(qū)涌出采場(chǎng)的瓦斯量和qr是有區(qū)別的.當(dāng)采空區(qū)內(nèi)沒(méi)有漏風(fēng)匯存在時(shí),無(wú)論上行、下行風(fēng),在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)q=qr,此時(shí),上、下行風(fēng)無(wú)差別.但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,采空區(qū)漏風(fēng)存在是難免的,所以涌出采空區(qū)的瓦斯會(huì)從漏風(fēng)匯排走一部分.無(wú)論漏風(fēng)匯在采空區(qū)上部還是下部,上行風(fēng)時(shí)排出的是流經(jīng)采空區(qū)下部的氣體.下行風(fēng)時(shí)是流經(jīng)采空區(qū)上部的氣體.事實(shí)表明,采空區(qū)上部的瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)比下部的高,所以下行風(fēng)時(shí)從采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)匯排出的瓦斯量要比上行風(fēng)高的多.由于采場(chǎng)q不變,所以下行風(fēng)時(shí)從采空區(qū)漏向回采工作面的瓦斯量要比上行風(fēng)時(shí)小,采煤工作面φ(CH4)和qr都要比上行風(fēng)時(shí)低.采場(chǎng)風(fēng)流中的瓦斯與空氣其它組分一般情況下不發(fā)生化學(xué)變化,瓦斯在采場(chǎng)的運(yùn)移遵守流體動(dòng)力彌散定律,即Fick定律J=?(D1+D2)?gradc,(8)J=-(D1+D2)?gradc,(8)式中:J為質(zhì)量彌散通量;D1為分子擴(kuò)散系數(shù);D2為機(jī)械彌散系數(shù);gradc為濃度梯度.當(dāng)采場(chǎng)風(fēng)速V=0時(shí),Fick定律形式為J=?D1?gradc.(9)J=-D1?gradc.(9)式(9)表明瓦斯只能由高濃度點(diǎn)向低濃度點(diǎn)傳遞而不存在逆過(guò)程,由此可得出結(jié)論:和空氣混合均勻的瓦斯不能再浮起來(lái),即下行風(fēng)時(shí)即使V=0,也不會(huì)由于瓦斯分層而發(fā)生瓦斯積聚在采場(chǎng)上部的現(xiàn)象.當(dāng)V≠0時(shí),此時(shí)有D2>D1·gradc,故J=-D2·gradc.如果風(fēng)流是層流狀態(tài),由于橫向脈動(dòng)速度等于零,對(duì)流擴(kuò)散能力仍很低,容易造成積聚現(xiàn)象;而紊流狀態(tài)時(shí),由于橫向脈動(dòng)速度的作用,使得不同濃度的瓦斯相互變換位置,使采場(chǎng)濃度趨于均勻,混合能力加強(qiáng),此時(shí)分子擴(kuò)散作用可以忽略,混合過(guò)程主要靠浮力和紊流切應(yīng)力做功完成.由于上行風(fēng)時(shí)從采空區(qū)涌向采面的瓦斯量大,且大部分從上隅角涌出,涌出瓦斯受到浮力作用不易和風(fēng)流混合;下行風(fēng)時(shí),從下隅角涌出的瓦斯易于和風(fēng)流混合,所以下行風(fēng)時(shí)隅角瓦斯積聚的可能性比上行風(fēng)小.由此可見(jiàn),回采工作面應(yīng)用下行風(fēng)時(shí),采場(chǎng)壓差及漏風(fēng)量都比上行風(fēng)時(shí)小,從采空區(qū)涌向采煤工作面的瓦斯量及采煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量也比上行風(fēng)時(shí)低,采煤工作面及隅角瓦斯積聚的可能性比上行風(fēng)時(shí)小.2采空區(qū)瓦斯產(chǎn)出規(guī)律下行風(fēng)時(shí),無(wú)論瓦斯涌出地點(diǎn)如何、傾角多大、風(fēng)速多高,由于風(fēng)流方向和瓦斯浮力方向相反,完成一定的混合過(guò)程所需能量減少,使得風(fēng)流和瓦斯的混合能力比相同條件下上行通風(fēng)時(shí)的混合能力強(qiáng),傾角越大,二者的差別愈大.所以,當(dāng)工作面風(fēng)速一定時(shí),完成同樣的混合過(guò)程下行通風(fēng)所需時(shí)間短;當(dāng)瓦斯涌出量一定時(shí),下行風(fēng)吹散瓦斯層所需風(fēng)速比上行風(fēng)低;當(dāng)發(fā)生瓦斯積聚時(shí),下行風(fēng)瓦斯層積聚的長(zhǎng)度比上行風(fēng)短,斷面上最高瓦斯?jié)舛纫脖壬闲酗L(fēng)低.平煤四礦上、下行通風(fēng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和有關(guān)調(diào)查資料表明,下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)瓦斯涌出有如下規(guī)律:1)工作面瓦斯涌出總量與風(fēng)流方向無(wú)關(guān),但下行通風(fēng)時(shí)從工作面回風(fēng)道測(cè)出的瓦斯涌出量比下行通風(fēng)時(shí)低15%~26%.有些情況下,如保護(hù)層的下行風(fēng)工作面,因被保護(hù)層的瓦斯大量漏入采空區(qū),致使上、下行通風(fēng)時(shí)從工作面回風(fēng)道涌出的瓦斯量變化不大.2)下行通風(fēng)時(shí)工作面上、下隅角積聚的可能性比上行通風(fēng)時(shí)小,特別是防止上隅角瓦斯積聚的效果突出.3)采用下行通風(fēng)時(shí),由于瓦斯密度比空氣小,有上浮力,當(dāng)滿(mǎn)足一定的條件時(shí),采空區(qū)氣體有可能從工作面上部涌出,發(fā)生所謂的采空區(qū)氣體倒流問(wèn)題.通過(guò)以上分析可以看出,只要不出現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)氣體倒流,下行通風(fēng)時(shí)上隅角瓦斯積聚的可能性比上行通風(fēng)小,工作面回風(fēng)道瓦斯涌出量也比上行風(fēng)低.其原因:一是下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)的漏風(fēng)比上行通風(fēng)時(shí)小,因而使得從采空區(qū)帶出的瓦斯量也少,涌出量比上行風(fēng)時(shí)低;二是上行通風(fēng)從漏風(fēng)匯排出的是下部濃度較低的氣體,而下行通風(fēng)則相反,從漏風(fēng)匯排出的是上部濃度遠(yuǎn)較下部為高的氣體,因而使得工作面回風(fēng)道瓦斯涌出量減少,上隅角瓦斯積聚的可能性比上行通風(fēng)小.瓦斯從下隅角涌出后,由于風(fēng)流方向與浮力方向相反,也使得下隅角積聚的可能性比上行風(fēng)上隅角積聚的可能性小.3回流的風(fēng)速計(jì)算設(shè)采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)速度為V,采空區(qū)內(nèi)瓦斯上浮速度為VW,下行通風(fēng)時(shí),采空區(qū)的瓦斯沿傾斜方向的流動(dòng)狀態(tài)有下列3種形式:1)當(dāng)V=VW時(shí),采空區(qū)瓦斯靜止,滯留在采空區(qū)內(nèi);2)當(dāng)V>VW時(shí),采空區(qū)瓦斯向下流動(dòng),被漏風(fēng)風(fēng)流帶走;3)當(dāng)V<VW時(shí),采空區(qū)瓦斯向上流動(dòng),發(fā)生瓦斯倒流.當(dāng)采空區(qū)瓦斯含量一定時(shí),VW可近似看作一定值,則瓦斯的流動(dòng)狀態(tài)主要與V有關(guān),當(dāng)V變化時(shí),3種不同的流態(tài)可相互轉(zhuǎn)變.采空區(qū)漏風(fēng)速度V與回采工作面下行通風(fēng)的風(fēng)速及風(fēng)壓有關(guān),所以回采工作面下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)瓦斯不倒流的風(fēng)速,可根據(jù)采空區(qū)的自然風(fēng)壓及回采工作面風(fēng)壓近似求解.采空區(qū)自然風(fēng)壓實(shí)質(zhì)上是由采空區(qū)內(nèi)外的空氣密度差及工作面兩端的高度差產(chǎn)生的.因此,采空區(qū)由于瓦斯上浮及殘煤氧化自燃等產(chǎn)生的自然風(fēng)壓為pm=Lsinα?Δρg,(10)pm=Lsinα?Δρg,(10)式中:pm為采空區(qū)自然風(fēng)壓,Pa;L為回采工作面長(zhǎng)度,m;α為回采工作面煤層傾角,(°);Δρ為回采工作面與采空區(qū)的平均密度差值,Δρ=(ρm-ρ),ρm為回采工作面空氣平均密度,ρ為采空區(qū)空氣平均密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2.機(jī)械通風(fēng)時(shí)回采工作面的風(fēng)壓為P=KLUQ2S3,(11)Ρ=ΚLUQ2S3,(11)式中:P為回采工作面風(fēng)壓,Pa;K為摩擦阻力系數(shù)(為區(qū)別于煤層傾角,本式的阻力系數(shù)用K表示),N·S2/m4;U為回采工作面空間周邊長(zhǎng)度,m;Q為通過(guò)回采工作面的風(fēng)量,m3/s;S為回采工作面空間橫斷面積,m2.設(shè)回采工作面的采高為M,回采工作空間的寬度為B,通過(guò)回采工作面的風(fēng)流速度為V,當(dāng)通過(guò)回采工作面的風(fēng)流速度為V時(shí),則風(fēng)量為Q=VS=VMB.(12)Q=VS=VΜB.(12)將式(12)代入式(11)得P=KULMBV2.(13)Ρ=ΚULΜBV2.(13)回采工作面下行通風(fēng)時(shí),采空區(qū)因瓦斯及殘煤氧自燃等產(chǎn)生的自然風(fēng)壓小于或等于回采工作面風(fēng)壓時(shí),就不會(huì)發(fā)生采空區(qū)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即為回采工作面下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)不倒流的工作面最低風(fēng)速.4以下通風(fēng)應(yīng)用于平四礦的應(yīng)用4.1工作面瓦斯實(shí)際溢出量的確定平四礦在己15-21270回采工作面位于己一采區(qū)東翼,該面為高瓦斯工作面,下行通風(fēng),目前風(fēng)量為1168m3/min,回風(fēng)流φ(CH4)=0.6%,絕對(duì)涌出量為7.0m3/min;抽放泵混合流量58m3/min,抽出φ(CH4)=3.5%,絕對(duì)涌出量為2.04m3/min.合計(jì)該工作面絕對(duì)涌出量為9.04m3/min.瓦斯來(lái)源為本煤層和下面的己16-17煤層,主要是因?yàn)榧?6-17煤層涌出,占瓦斯總量的80%以上.工作面開(kāi)始回撤時(shí),回風(fēng)巷中的φ(CH4)=0.78%,回風(fēng)石門(mén)中的φ(CH4)=0.80%,當(dāng)回撤到52m時(shí),回風(fēng)巷中的φ(CH4)=1.08%,回風(fēng)石門(mén)中的φ(CH4)=1.14%,采取了下隅角及老空區(qū)利用己三抽放泵抽放瓦斯及采面上、下封堵的措施.己15-21270采面回采過(guò)程中,瓦斯變化有下面3個(gè)特點(diǎn):1)工作面回采,但頂板未垮落時(shí),φ(CH4)及瓦斯涌出量與生產(chǎn)時(shí)相比沒(méi)有變化.2)工作面回撤后頂板垮落但并不嚴(yán)實(shí),通過(guò)工作面的風(fēng)量減少,φ(CH4)增加,但瓦斯涌出量呈上升趨勢(shì).3)隨著工作面回收范圍的增加,垮落面積加大,垮落更加嚴(yán)實(shí),回風(fēng)流瓦斯涌出量明顯增加,來(lái)自己16、己17分層采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出量比開(kāi)始回撤時(shí)增加7個(gè)百分點(diǎn),該工作面采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量增加了6個(gè)百分點(diǎn),瓦斯涌出總量增加.4.2工作面ch4通過(guò)分析,采用下行通風(fēng)方案是可行的,按照1992年版《煤礦安全規(guī)程》第120條的要求,編制了己15-21270回采工作面采用下行通風(fēng)回撤支架的安全技術(shù)及管理措施并報(bào)有關(guān)部門(mén)和總工程師審批后,對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,即實(shí)行下行通風(fēng),效果十分明顯,回采工作面φ(CH4)由0.6%降到了0.2%,其調(diào)整后的通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖3.經(jīng)過(guò)一個(gè)小班的觀察,各種參數(shù)穩(wěn)定,運(yùn)輸巷只安設(shè)了一臺(tái)JBT-62型局部通風(fēng)機(jī),就保證了φ(CH4)降到0.3%以下,解決了瓦斯超限,保證了該工作面的安全回撤和封閉.對(duì)于具有相同開(kāi)采條件的己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風(fēng),己15-23050采煤工作面采用上行通風(fēng),比較了2個(gè)工作面從2005年7月1日到7月15日的工作面φ(CH4)變化情況,如圖4所示.由圖4可見(jiàn),在都采用上行風(fēng)的情況下,兩者工作面φ(CH4)差別不大.己15-21270回采工作面φ(CH4)最大值為0.7%,最小值為0.5%;己15-23050回采工作面φ(CH4)最大值為0.9%,最小值為0.7%.采用下行風(fēng)后,己15-21270采煤工作面瓦斯?jié)舛让黠@下降.最大值為0.2%,最小值為0.1%,φ