高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题,采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型,分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律,探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响,并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明:随着抽采量的增大,瓦斯抽采浓度先增大后减小,采空区氧化升温带宽度呈正相关增长,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,建议高位抽采巷道最佳抽采量为90m^3/min;随着进风量的增大,高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小,采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大,最大时达到109.3m,而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,试验工作面最优进风量为1 500m^3/min。     

采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究

采空区瓦斯涌出是矿井瓦斯涌出的重要组成部分,文章详细描述了生产采空区和密闭采空区的瓦斯分布规律及其抽采方式,并结合平煤集团九矿采空区瓦斯抽采的实际情况,介绍了顶板走向钻孔抽采和采空区埋管抽采等采空区瓦斯抽采方法的应用。     

采空区瓦斯抽采钻孔参数及注氮防灭火研究

钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动,从而导致采空区流场发生变化,增加工作面向采空区的漏风,同时钻孔周围呈现负压状态,漏风风流也不断向钻孔周围补充,采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态,存在采空区遗煤自燃问题。针对上述问题,研究了钻孔抽采条件下采空区最优注氮防灭火方案。以白龙山煤矿10201工作面为背景,用数值模拟软件对工作面采空区进行仿真,分析了不同抽采参数下的采空区流场和温度场分布,依据合理钻孔参数确定了最优注氮条件。结果表明:抽采负压为30kPa时瓦斯抽采效果良好,氧化升温带增幅相对较低;钻孔间距为6m时抽采效果佳且工程量较小;进风侧注氮口与工作面距离为75m、注氮流量为1 500m^3/h时,可以很好地缩小氧化升温带宽度并节约成本。实际应用结果表明:综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制,均低于1%;抽采管路及上隅角CO体积分数分别低于0.040%,0.032%,采空区煤体未发生自燃,采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果。     

高瓦斯矿井高、底抽巷联合抽采瓦斯技术研究

针对煤矿松软低透煤层U型通风回采工作面的瓦斯治理存在抽采效率低、抽采浓度低、煤层透气性差、打钻成孔难等问题,以山西晋煤集团赵庄矿1307综采工作面为研究对象,提出了一种高瓦斯矿井高抽巷和底抽巷联合抽采的瓦斯抽采技术,即在原有U型通风的基础上外加一条高抽巷、一条中部底抽巷和一条边部底抽巷,边部底抽巷掩护2个掘进工作面的掘进,中部底抽巷穿层区域条带预抽本煤层瓦斯,高抽巷抽采上隅角瓦斯。确定了边部底抽巷和中部底抽巷的层位、钻孔布置及高抽巷的合理层位布置。实际应用结果表明,边部底抽巷掩护的煤巷掘进工作面最大瓦斯体积分数为0.48%,穿层钻孔抽采有效降低了掘进工作面的瓦斯涌出量;中部底抽巷抽采本煤层瓦斯后,瓦斯含量平均下降了4.18m3/t;高抽巷抽采负压为12～15kPa时,抽采纯量在46.13m3左右,减小了瓦斯向工作面涌出。     

采空区瓦斯抽采实验监控系统的设计

为了实时掌握采空区瓦斯抽采实验系统的运行状况,设计了一套采空区瓦斯抽采实验监控系统。该监控系统采用EDA9017和EDA9150采集巷道瓦斯流量和浓度、风流静压力、风速值和风机的运行状态信息,并将采集的数据通过RS485总线传入PC机,使操作者通过监控界面即可了解整个采空区瓦斯抽采实验系统的运行状况。实际应用验证了该监控系统的有效性、稳定性和可靠性。     

采煤工作面瓦斯抽采技术的应用探讨

瓦斯是世界公认的温室气体之一,是矿井生产中散发的一种有毒气体,会直接影响矿井的安全生产。但从能源角度看,瓦斯是一种清洁度较高的能源。因此,引入瓦斯治理技术是十分必要的。就采煤工作面瓦斯抽采技术的应用进行了分析、讨论,希望对相关单位有所帮助。     

青龙煤矿高位定向钻孔瓦斯抽采实践

针对高位钻孔瓦斯抽采存在钻孔数量多、单孔深度不足、钻孔轨迹不可控、瓦斯抽采浓度较低、抽采不连续等问题,为有效防治青龙煤矿21602工作面回采期间上隅角瓦斯浓度超限,利用高位定向钻孔技术对瓦斯进行抽采,介绍了高位定向钻孔设计施工方案,通过现场实践确定了最佳钻孔布置参数。结果表明:高位定向钻孔具有瓦斯抽采浓度高、抽采量大、抽采率高等特点,且高位定向钻孔瓦斯抽采效果随工作面回采距离的增加呈先稳定后下降的趋势;当高位定向钻孔终孔层位距离顶板39m、距离回风巷右帮水平位移为55m时,瓦斯抽采体积分数达30.5%,瓦斯抽采流量达18m3/min,瓦斯抽采纯量达2.374m3/min,瓦斯抽采效果最佳;上隅角瓦斯体积分数由抽采前的最大值0.72%降低至抽采期间的0.2%～0.4%,有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。     

近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术

我国近距离煤层赋存比重大,开采时多个采空区易连通形成复合采空区。复合采空区面积大、漏风区域多、遗煤分布范围广,煤自燃灾害极为严重。针对某矿复合采空区煤自燃迅速发展、CO和C_2H_4大量涌出的异常情况,综合分析了复合采空区漏风源、漏风汇、地质构造、回采期间丢煤情况及煤自燃气体涌出特征等因素,确定了复合采空区煤自燃高温隐患的分布范围及发展状态,制定了隐患应急控制与隐患高效治理的"两步走"综合治理方案,采取均压与喷浆结合减少漏风、注氮惰化采空区等措施达到隐患应急控制的效果,在此基础上,划分出治理煤自燃隐患的有效措施区域,采用复合泥浆封堵、液态CO_2冷却降温、三相泡沫覆盖隔氧技术实现隐患高效治理目标,构建了"堵漏控风-惰化降温-覆盖隔氧"三位一体的复合采空区煤自燃综合防治技术体系。应用上述技术后,复合采空区内C_2H_4体积分数由72.1×10~(-6)降低至0,CO体积分数由3 912.6×10~(-6)下降至20×10~(-6)以下并保持稳定,有效消除了该矿复合采空区煤自燃高温隐患,保障了邻近工作面的安全高效开采。     

大采高综采工作面采空区自燃“三带”研究

针对上湾煤矿12401大采高综采工作面采空区煤自燃防治,通过程序升温氧化实验确定CO作为煤自燃预报指标气体,并辅以C2H4来掌握煤自燃情况;在工作面采空区回风侧铺设束管对采空区气体进行监测,根据监测结果划分了采空区自燃"三带":距工作面0～32m处为散热带,32～225m处为自燃带,225m以外为窒息带;依据散热带和自燃带总长度及煤最短自燃发火期,计算出工作面最小安全推进速度约为6.4m/d。该研究结果为工作面防灭火措施制定提供了可靠依据。     

煤矿井下综采工作面瓦斯抽采技术研究

由于煤层结构复杂、赋存规律不规则以及开采条件恶劣,煤矿生产的安全问题日益凸出。本文主要介绍了煤矿井下综采工作面瓦斯来源及涌出机理,并研究了瓦斯抽采技术,为煤矿瓦斯灾害防治提供了一定的理论依据。     

综放工作面初采期抛物线型高位钻孔瓦斯抽采研究

针对采用常规高位定向长钻孔在工作面初次来压期间瓦斯抽采效果不佳的问题,以中煤华晋集团有限公司王家岭矿12309综放工作面为工程背景,通过物理相似模拟和数值计算分析了初采期综放工作面煤层顶板覆岩结构和裂隙发育规律:初采期的煤层顶板裂隙发育高度低、数量少,随着工作面的推进,顶板裂隙逐步发育,裂隙发育的高度和范围随着推进距离的增加而增大,裂隙最大发育高度约为28m,工作面来压步距约为50m;初采期工作面瓦斯浓度和涌出量较大,沿工作面倾向,瓦斯浓度从20～150架支架逐渐增大,沿工作面走向,由煤壁300mm至后刮板输送机瓦斯浓度逐渐增大,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上,瓦斯涌出量整体上呈上升趋势,且有明显的阶段性特征。根据现场实际情况和初采期综放工作面瓦斯涌出特征、覆岩结构及裂隙演化规律,对初采期的常规高位定向钻孔的轨迹进行了优化设计,提出了初采期抛物线型高位定向钻孔瓦斯抽采方法。将钻孔的终孔位置设计在煤层里,与采空区直接导通,用于工作面初采期采空区低位瓦斯抽采,解决了初采期常规高位水平长钻孔层位较高的问题。现场应用结果表明:相比于常规高位定向钻孔,采用抛物线型高位定向钻孔可在工作面采空区基本顶初次来压前有效抽采采空区低位瓦斯,瓦斯抽采纯量平均提高了约37%,上隅角和回风流最大瓦斯体积分数均小于0.80%,达到了瓦斯抽采的预期效果。     

基于关键层理论的采空区覆岩断裂带有效抽采层位研究

采空区覆岩断裂带有效抽采层位是布置高位抽采钻孔治理邻近层和采空区瓦斯的基础。基于关键层理论,建立了断裂带有效抽采层位数学模型,确定了有效抽采层位上下边界：有效抽采层位的下边界为采空区垮落带之上的第1层关键层,上边界为采空区上覆岩层高度为10倍采高以下的第1层关键层,有效抽采层位包含下边界岩层,不包含上边界岩层。根据断裂带有效抽采层位数学模型计算得出段王煤矿8+9号煤层断裂带有效抽采层位为煤层顶板上方12.6 m处的中砂岩到39.3 m处的4号煤;根据采空区覆岩断裂带钻孔窥视结果,得出工作面断裂角约为62°,破断断裂带高度范围为煤层顶板上方11.5～40.5 m区域。在段王煤矿进行高位钻孔抽采试验,得出实际的断裂带有效抽采层位为煤层顶板上方13.9 m处的中砂岩到37.4 m处的砂质泥岩。钻孔窥视分析和高位钻孔抽采试验结果均验证了断裂带有效抽采层位数学模型的准确性,研究成果可为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的高位抽采工程设计提供理论依据。     

定向高位长钻孔上隅角瓦斯治理技术

针对常规顶板高位钻孔因钻孔方位及倾角无法控制而难以钻进至设计层位,且有效抽采孔段较短、易出现抽采盲区、抽采不连续等问题,以王家岭煤矿上隅角瓦斯治理为研究背景,在20103综采工作面回风巷布置1组定向高位长钻孔与4组常规高位钻孔进行瓦斯抽采,对比分析了这2种高位钻孔的瓦斯抽采效果,结果表明:定向高位长钻孔有效抽采孔段长,抽采盲区少,能实现连续抽采;定向高位长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为2.11m^3/min,最大可达2.9m^3/min,与常规高位钻孔相比平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍,工作面瓦斯抽采率提高了近2倍,有效抽采时间提高了约3.15倍;仅接抽常规高位钻孔时上隅角瓦斯体积分数为1.0%以上,仅接抽定向高位长钻孔时降至0.6%以下,表明定向高位长钻孔治理工作面上隅角瓦斯具有明显优势。     

煤矿瓦斯运移模型建立及瓦斯抽采技术的现场应用研究

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的主要措施,合理的抽采参数可以提高抽采效率,降低瓦斯事故风险。为进一步研究抽采参数对瓦斯抽采效果的影响,结合COMSOL Multiphysics数值模拟和现场实验,优化山西省塔山煤矿42201工作面的采空区插管间距和抽采负压2个参数,建立了采空区三维瓦斯分布模型,利用COMSOL数值模拟软件进行计算,并结合现场实验,得到了插管间距和抽采负压对抽采效果的影响规律。结果表明,在50～70 m范围内,负压为12～18 kPa时的抽采效果较理想。     

煤自燃气体特征及其对瓦斯爆炸下限影响实验研究

现有研究大多从煤自燃单组分气体或部分组分混合气体角度对瓦斯爆炸极限进行分析,而对煤自燃过程中不同阶段产生的混合气体对瓦斯爆炸极限的影响分析不足,对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合致灾开展的实验研究较少。针对上述问题,通过模拟煤自燃实验装置研究了煤自燃过程中气体生成特征规律;采用20L球形爆炸装置对瓦斯混合煤自燃各个阶段生成气体进行实验,研究了煤自燃气体对瓦斯爆炸下限的影响。实验结果表明,实验煤样自燃过程中产生的可燃性气体主要为CH_4,CO,C_2H_4,C_2H_6,C_2H_2等,其中CH_4和CO体积分数最高,最高体积分数分别为0.75%和0.37%;煤自燃不同阶段产生的可燃性气体含量随自燃时间的增加和温度的升高均呈现增大趋势,煤自燃加热初期,温度小于80℃主要产生了CH_4,CO可燃性气体,CO可以作为煤自燃缓慢氧化阶段的标志气体;随着自燃时间的持续,温度超过80℃后,开始产生C_2H_4和C_2H_6,随后逐渐产生C_3H_8气体,C_2H_4的出现表明煤氧化进入了加速阶段;煤氧化自燃后期,大约到220℃时出现C_2H_2,此时煤进入激烈氧化阶段;低体积分数的CO能抑制瓦斯爆炸,高体积分数CO能促进瓦斯爆炸,导致爆炸压力变大,爆炸下限降低;煤自燃过程中产生的混合气体增大了瓦斯爆炸压力,爆炸下限最大降低了0.55%,瓦斯爆炸的危险性变大。     

高强度开采综放工作面上隅角瓦斯联合抽采实践

针对传统单一的上隅角瓦斯治理技术不能有效解决高强度开采综放工作面上隅角瓦斯严重超限的问题,以王家岭煤矿为工程背景,提出了利用上隅角插(埋)管和高位定向钻孔对瓦斯进行联合抽采方案。上隅角插(埋)管抽采即在工作面回风巷铺设瓦斯抽采管路,管路沿回风巷走向延伸至上隅角,在管口位置形成稳定负压区抽采上隅角瓦斯,通过抽吸作用形成人工风流,扰动上隅角位置的回旋涡流,降低瓦斯浓度。同时在工作面回风巷开掘钻场,施工高位定向钻孔向工作面切眼方向钻进,通过定向钻进技术使钻孔轨迹在采空区裂隙带内延伸,抽采采空区高浓度瓦斯。应用结果表明,上隅角插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采后,瓦斯抽采纯量稳定在3.40~6.20 m 3/min,平均为4.91 m 3/min;工作面上隅角瓦斯体积分数呈阶梯式下降,最终稳定在0.30%~0.52%,平均为0.42%,上隅角瓦斯治理效果显著。     

高位钻孔优势抽采区分布规律研究

为了提高煤矿高位钻孔抽采瓦斯效率,基于覆岩采动破坏理论和瓦斯运移特征,提出了高位钻孔优势抽采区的概念,即位于冒落带和裂隙带之间的能够保证稳定高效抽采效果的区域。以下沟煤矿作为研究对象,采用数值模拟及现场验证的方法确定了该矿ZF302采煤工作面的高位钻孔优势抽采区,并对其分布规律进行了研究。研究结果表明,ZF302采煤工作面抽采优势区位于顶板垂高为34～57m的区域;抽采优势区中,单孔瓦斯抽采量呈现出先升高、后平稳、再降低的趋势;当终孔高度位于70～57m区域时,单孔瓦斯抽采量从0.66m~3/min逐渐上升至1.48m~3/min,之后在高度57～34m区域内进入平稳区,单孔瓦斯抽采量始终保持在1.0m~3/min以上;高位钻孔终孔位置位于顶板垂高55～65m范围内时,优势抽采区的抽采时间最长,单孔瓦斯抽采量最高;钻孔参数优化后,钻场钻孔数量从28个减少到18个,减少了35.71%;日抽采量从26 008.75m~3提升到31 046.4m~3,提升了19.37%。     

高地温矿井采空区煤自燃O2浓度场分布研究

针对采用理论分析及实验研究的方法研究高地温对采空区煤自燃的影响难以全面反映采空区煤自燃O_2浓度场分布情况的问题,采用Fluent数值模拟软件对高地温矿井采空区及进风侧、回风侧和采空区中段O_2浓度场分布规律进行了研究。结果表明:(1)在通风量相同情况下,温度从24.8℃升高到40℃时,O_2随着风流向整个采空区渗入,O_2浓度随采空区深度增加而减小;在温度相同情况下,当风量从1 800m3/min增大到2 700m3/min时,采空区漏风范围大幅度提升,采空区O_2浓度场变化明显,O_2几乎充满整个采空区,并且高浓度O_2存在范围增大,此时由于热量积聚导致采空区温度升高,采空区内部遗煤温度也持续增加,煤氧复合作用加快,遗煤自燃的可能性增大。(2)随着采空区距工作面距离增大,O_2浓度减小,进风侧O_2浓度大于回风侧O_2浓度,表明进风侧煤自燃危险性大于回风侧。(3)随着采空区深度增加,进风侧与采空区中段O_2体积分数持续减小,曲线斜率呈先增大后减小趋势;回风侧O_2体积分数随采空区深度增加呈减小趋势;大量高浓度O_2存在于采空区150m之前,整个采空区进风侧与采空区中段煤自燃危险性均大于回风侧。(4)当温度为40℃、通风量为2 700m3/min时,氧化带最大宽度为131m,将该最大宽度视为开采最大理论宽度,进一步计算安全推进速度,可为煤矿开采提供理论依据。     

大直径高位钻孔代替高抽巷治理采空区瓦斯研究

煤矿井筒结构复杂、地质条件恶劣,矿井内存在大量的瓦斯和煤尘,这些气体和粉尘不仅会威胁工人的生命安全,还会影响生产效率和环境质量。因此,如何有效处理采空区的瓦斯问题已成为煤矿安全生产的重要任务之一。传统的高抽巷技术已无法满足采空区瓦斯治理的要求。本文应用大直径高位钻孔技术对采空区瓦斯进行理论分析和数值模拟,以期取代传统的高抽巷治理方法,为采空区瓦斯的治理提供了有效的解决方案,更好地保护矿工的身体健康和环境安全。