首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 浅埋藏厚煤层煤层群开采裂隙演化及三维漏风规律研究

浅埋藏厚煤层煤层群开采裂隙演化及三维漏风规律研究

2025-03-09 67 上传者：管理员

摘要：以察哈素煤矿3-1煤层工作面为背景，通过理论分析、数值模拟和现场实践对浅埋藏厚煤层煤层群开采三维漏风规律进行研究，研究结果表明：当开采下层煤时，受重复采动影响，覆岩出现采动裂隙，这些裂隙形成层间连通，使工作面与邻近采空区、上覆采空区、地表之间构成复杂三维漏风系统；当地表存在漏风时，上下煤层采空区氧气浓度均呈条带分布，与工作面同一距离位置，下煤层采空区回风侧氧气浓度基本都小于进风侧氧气浓度，而上煤层采空区内氧气浓度分布呈不同分布状态。多层采空区内氧化带范围由下到上呈先降低后增大的趋势；针对察哈素煤矿3-1煤层推采过程中采空区漏风防控难题，提出“喷注+二次堵漏+两道两线隔断+减风降压+地表裂隙回填”综合三维漏风防治技术。

关键词：
数值模拟
浅埋深
漏风规律
煤炭资源
防治技术
加入收藏

我国西部地区煤炭资源丰富,大部分煤层呈现埋藏浅､层间距小､煤层厚的赋存特征｡这些煤层由于变质程度较低,采空区遗煤易出现自然发火[1-4]｡多煤层采空区相互连通,本层采空区､上覆采空区及地表之间由于裂隙发育形成错综复杂的渗透漏风通道[5-7]｡由于漏风严重,将使采空区自燃危险性增大｡为有效控制漏风,本文以察哈素煤矿工作面为研究对象,对察哈素煤矿多层采空区立体漏风规律进行研究｡

1、工程概况

察哈素煤矿现采2-2上煤层和3-1煤层2个煤层,两煤层均为一类易自燃煤层,2-2上煤层和3-1煤层间距为38~45m,2-2上煤层综采工作面采高为2.8m,3-1煤层综采工作面采高为5.5m｡随着2-2煤层和3-1煤层综采工作面的推进,3-1煤层综采工作面即将进入2-2上煤层综采工作面采空区下部｡3-1煤层大采高工作面在回采过程中采场裂隙容易导通2-2上煤层采空区,2-2上煤层､3-1煤层采空区重叠并相互影响,极易引起综采工作面采空区遗煤自燃,给煤矿安全生产带来风险｡

2、理论分析

2.1近距离煤层群立体漏风通道分布规律

浅埋藏煤层群由于受矿井多次采动影响,本煤层､上覆采空区及地表之间漏风过程呈多元化趋势｡特别是在所开采的工作面布置不规整及所开采区域不断增大的情况下,矿井通风阻力不断增大,通风负压增强｡受通风负压作用,地表空气易进入采空区,使矿井漏风更加严重(见图1)[8-10]｡

图1浅埋易自燃煤层群开采过程中立体漏风图

通过相关研究可知,浅埋易自燃煤层群开采过程中立体漏风发育主要呈现如下特征:(1)工作面推采过程中,出现采动裂隙,部分裂隙发育直至地表,是工作面采空区漏风主要通道｡(2)地表与采空区之间的连通裂隙呈水平方向距工作面越近,裂隙越发育,而远离工作面,裂隙随工作面推采不断密实,漏风减少｡(3)备采工作面与生产工作面之间联络巷;邻近生产工作面的采空区与生产工作面之间的漏风通道;生产工作面进回风隅角､支架后部的漏风等｡(4)通过工作面合理配风,及时封堵地表采动裂隙,可有效控制采空区漏风｡(5)上覆采空区､本煤层采空区“两道两线”附近煤体未完全压实,漏风量大｡

2.2漏风场动态平衡源､汇节点分析

浅埋藏煤层群开采开采时,存在以下4种连通情形:(1)生产工作面与上覆采空区未连通;(2)生产工作面与上覆采空区连通,但未发育至地表;(3)生产工作面与上覆采空区､地表均连通,但未与火区连通;(4)正在生产工作面采空区与上覆采空区､地表､火区连通｡采空区并联漏风示意图,如图2所示｡采空区并联漏风网络,如图3所示｡

图2采空区并联漏风示意图

图3采空区并联漏风网络图

对于前3种连通情形,漏风形式呈图2(a)~图2(c)虚线及简化后图3(a)~图3(c)虚线所示的并联漏风形态｡对于第4种连通情形,漏风形式呈图2(d)和图3(d)虚线所示的角联漏风形态｡工作面复杂角联漏风(见图3),在实际生产过程中,由于受矿压及地质条件影响,第4种漏风形态将呈图4(a)和图4(b)虚线所示的复杂角联漏风形态｡

基于通风阻力定律,控制漏风可以使始､末节点压能差保持平衡来解决｡对于煤层群开采形成的复杂角联漏风网络,由于大气压､采空区密闭等环境均呈动态分布,即角联分支始､末节点也是动态变化,导致漏风通道封堵难度大｡

图4工作面复杂角联漏风图

对于浅埋藏煤层群开采过程中漏风状态呈三维特征,即地表漏风､层间漏风､本层漏风｡可以通过地表回填､上覆采空区注氮增压､工作面风压调整等措施减少漏风｡通过以上措施可有效减小漏风区域､增大漏风风阻､平衡漏风网络两端压差,最终减少工作面漏风,保证工作面安全生产｡

3、数值模拟

利用Fluent软件,对工作面推采过程中存在地表漏风和漏风裂隙完全封堵2种情况进行模拟,得出多层采空区内氧气浓度场分布规律｡

3.1与地表存在漏风

当地表存在漏风时,采空区z=0.5､48.1､78m,界面上氧气浓度分布情况,如图5所示｡

图5距离工作面底板不同高度截面上O2浓度(体积分数)分布计算结果图

从图5可以看出,上下煤层采空区氧气浓度均呈条带分布,与工作面同一距离位置,下煤层采空区回风侧氧气浓度基本都小于进风侧氧气浓度,而上煤层采空区内氧气浓度分布呈不同分布状态,即进风侧氧气浓度基本小于回风侧氧气浓度｡这是由于采空区与地表存在漏风通道,回风侧与地表的漏风压差高于进风侧与地表的漏风压差｡

多层采空区内氧化带范围由下到上呈先降低后增大的趋势｡这是由于开采层上部采空区氧气浓度主要来源于地表漏风,距地表较近的采空区遗煤首先与漏风流中氧气发生氧化反应,降低了漏风流中氧气浓度,因而距地表较远的采空区内氧气浓度较低｡而所采煤层采空区内氧气浓度主要来源于本工作面向采空区内漏风｡

3.2地表裂隙完全封堵

将地表裂隙完全封堵后采空区内氧气浓度分布情况,如图6所示｡

图6距离工作面底板不同高度截面上O2浓度分布计算结果图

从图6可以看出,当地表漏风裂隙完全封堵后,多层采空区内氧化带范围均减小｡这主要是由于地表裂隙封堵后,多层采空区内漏风压差变小,多层采空区内氧气主要来源于所采煤层工作面漏风｡由于所采煤层进风侧压力较大,所采煤层进风侧部分漏风进入与其较近的采空区内,导致多层采空区进风侧氧气浓度高于回风侧｡

4、综合立体漏风治理技术

通过对风源､风汇分析及示踪气体技术得到3-1煤层工作面采空区三维漏风规律｡针对察哈素煤矿3-1煤层工作面推采过程中采空区漏风防控难题,提出“喷注+二次堵漏+两道两线隔断+减风降压+地表裂隙回填”综合三维漏风防治技术,降低采空区漏风量,进而控制采空区内O2､CO浓度｡

4.1喷浆技术

喷浆技术是将混凝土高速填充密闭墙､巷道的裂缝,控制漏风｡同时,由于喷层具有一点柔性,可以与围岩产生非径向变形,形成非弹性变形区,从而使围岩完整性结构保持稳定,减少围岩裂隙产生｡

4.2水泥密封圈二次堵漏技术

在喷浆过程中,由于施工条件限制,难免会出现喷浆盲点,特别是“U”型棚支护时,由于凹槽不能完全充填,容易出现漏风,因此,需实施水泥封闭圈二次堵漏｡该技术原理是将水泥浆灌注在巷道顶帮,使巷道浆体外壳与顶帮煤岩体形成一个整体,从而使围岩封闭,减少漏风｡

4.3“两道两线”隔断技术

选择合适的位置施工措施孔,向采空区“两道两线”区域注入粉煤灰､水泥或其他材料形成隔离带,从而实现减少采空区漏风通道的目的｡

4.4减风降压技术

减风降压技术就是在满足工作面安全生产条件下,尽量减少工作面供风量,从而实现使流入到采空区风量减少的效果｡

4.5地表裂隙回填技术

通过及时回填地表采动裂隙,使地表与采空区之间漏风通道减少,进而降低从地表流入到采空区内部的漏风量｡

5、结语

(1)浅埋藏煤层群生产过程中漏风呈现地表层间-本层复杂三维漏风系统｡当开采下层煤时,受重复采动影响,覆岩出现采动裂隙,这些裂隙形成层间连通,使工作面与邻近采空区､上覆采空区､地表之间构成复杂漏风系统｡

(2)当地表存在漏风时,上下煤层采空区氧气浓度均呈条带分布,与工作面同一距离位置,下煤层采空区回风侧氧气浓度基本都小于进风侧氧气浓度,而上煤层采空区内氧气浓度分布呈不同分布状态｡多层采空区内氧化带范围由下到上呈先降低后增大的趋势｡地表裂隙完全封堵,当地表漏风裂隙完全封堵后,多层采空区内氧化带范围均减小｡

(3)针对察哈素煤矿3-1煤层推采过程中采空区漏风防控难题,提出“喷注+二次堵漏+两道两线隔断+减风降压+地表裂隙回填”综合三维漏风防治技术｡

参考文献:

[1]张杰,张建辰,刘清洲,等.浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究[J].煤炭工程,2021,53(3):118-123.

[2]贾男.U+L通风下采空区漏风规律及气体体积分数分布研究[J].煤矿安全,2021,52(2):71-77.

[3]崔联兵.综放工作面采空区渗透率及漏风规律研究[J].煤炭科技,2018(1):56-58,69.

[4]赵杰.采空区气体及漏风规律数值模拟研究[J].煤炭技术,2019,38(10):181-183.

[5]王吉鑫,陆军.工作面过废巷时期漏风规律及防灭火技术研究[J].煤炭科技,2019,40(6):114-116.

[6]杨军,周开放,陈向军,等.柠条塔煤矿110工法采空区漏风规律及防治对策[J].煤炭技术,2018,37(2):145-148.

[7]王琰,周建,王元.高地温综放工作面采空区漏风规律研究[J].煤炭科学技术,2020,48(S2):155-158.

[8]简俊常,杨岩,刘强,等.高地温矿井孤岛工作面漏风规律及煤自燃危险区域研究[J].煤炭技术,2020,39(12):55-58.

[9]王炯,刘鹏,姜健,等.切顶卸压沿空留巷回采工作面Y型通风漏风规律研究[J].采矿与安全工程学报,2021,38(3):625-633.

[10]万磊,孙茂如,赵吉诚,等.近距离煤层复杂采空区漏风规律及防控技术研究[J].中国矿业,2022,31(1):114-120.