巷帮立式预埋管抽放法治理隅角瓦斯

李凤仪, 单麒源

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)

巷帮立式预埋管抽放法治理隅角瓦斯

李凤仪1, 单麒源2

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院,哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)

为排除隅角瓦斯的安全隐患,通过对上隅角瓦斯来源、采空区瓦斯运动规律的分析,提出了巷帮立式预埋管抽放方法。在与其他抽放方法对比分析的基础上,设计了借助辅助措施的联合治理方案。经过双鸭山集贤煤矿生产实践,结果表明,该方法施工工艺简单、成本低、安全可靠、易于管理,有效地治理了隅角瓦斯,保证了采煤工作面安全生产,提高了开机率,在技术和经济上可行。

隅角瓦斯;立式埋管;瓦斯抽放

Abstract:This paper is a imed at eliminating potential dangers associated with upper corner gas,by analyzing goaf gas characteristics ofmotion,and developing the method of vertical buried pipe gas drainage in roadsides.The paper proposes some auxiliarymeasures,following the comparison with othermethods used for gas drainage.The practices in Jixian mine of Shuangyashan show that thismethod exhibiting a simpler process,a lower cost,a safer and more reliable system,and an easiermaintenance ismore capable of an effective control of the upper corner gas,which serves to ensure safe production in coal face and increase the operation rate,and proves feasible technically and economically.

Key words:gas in upper corner;vertical buried pipe;gas drainage

工作面上隅角是采空区风流漏风汇集处,由于瓦斯的上浮运动和扩散运动,采空区瓦斯向外逸散,造成上隅角瓦斯积聚。上隅角还是工作面风流转弯处,易形成涡流区,积聚的瓦斯难以被风流带走,是瓦斯超限的多发性区域,是煤矿安全的重大隐患,直接影响采煤机开机率,制约生产。国内现有隅角瓦斯治理方法主要有仰角钻抽放[1]、抽放巷道[2]、埋管抽放。为了达到更好的抽放效果,笔者通过对采空区瓦斯运动规律等多方面分析,在原有埋管抽放的基础上进行改进,采用巷帮立式预埋管抽放方法治理隅角瓦斯。

1 巷帮立式预埋管抽放

隅角瓦斯主要来源于采空区瓦斯,要解决隅角瓦斯,首先要解决采空区瓦斯。冒落岩石充填了采空区中部,形成 O形圈。采空区一部分瓦斯被排挤到未被充实的采空区边界,造成这一区域瓦斯浓度较高。由于这一区域未被充实,瓦斯流动性较强,很容易伴随采空区风流逸散到工作面,造成隅角瓦斯超限。巷帮立式预埋管抽放可以有效治理采空区边界区域内浓度和流动性较高的瓦斯。

首先在巷帮上施工一个竖直的煤槽,然后将抽放管嵌入煤槽中,再将抽放管与总抽放管路连接,最后形成抽放系统,同时在管路的采空区侧设置阀门,控制抽放能力。巷帮立式预埋管抽放施工示意见图1。

图 1 巷帮立式预埋管抽放示意Fig.1 Schematic of vertical buried pipe gas dra inage in roadsides

抽放管的直径为 200 mm,煤槽宽度 300 mm,左右各预留 50 mm固定抽放管。煤槽高度等于巷道高度,预留 200 mm的保护距离,防止冒落岩石砸堵抽放管。抽放管顶部为抽放口,中部用两条钢带固定。抽放管的水平间距根据采空区瓦斯浓度、抽放口负压等因素调整,一般可设置为 20 m。随着工作面推进,抽放管被遗放在采空区。

2 抽放特点与对比分析

2.1 抽放特点

巷帮立式预埋管抽放有以下四个特点:

(1)增加了抽放管路高度,符合瓦斯上浮运动的特点,提高了瓦斯抽放范围,降低了采空区瓦斯浓度。同时抽放管路距与隅角水平距离较近,隅角被纳入抽放范围,从而解决隅角瓦斯问题。

(2)抽气口产生的负压致使采空区含有瓦斯的风流向抽放口积聚,防止采空区瓦斯向工作面逸散。

(3)顶板冒落时,部分瓦斯瞬时被排挤到采空区上下边界,巷帮立式预埋管抽放可以有效抽放这部分瓦斯,防止瓦斯突然超限。

(4)抽放管路镶嵌入巷帮,可减少顶板冒落岩石对抽放管路的损坏,提高抽放系统可靠性。

2.2 抽放方法比较

与普通埋管抽放对比,该方法提高了抽放口位置,扩大了抽放范围,改变了抽房管的设置方式,提高了系统稳定性,更加快速有效地治理采空区瓦斯。

与仰角钻或高位钻场抽放对比,仰角钻工作量大,钻机作业条件要求高且工序繁复,需要配备专职人员,成本高。在打钻过程中,由于钻杆刚度、自身重量和岩石硬度变化,导致钻孔产生孔斜误差[3],而这种误差很难减少,使得抽放位置不准确,达不到理想的抽放效果。该方法可以弥补上述不足。

与抽放巷道对比,该方法减少了巷道掘进工作量,节省了巷道维护费用,施工工期短,系统组建迅速,可应对突发性隅角瓦斯超限。

2.3 其他措施联合治理

为了更好地治理隅角瓦斯,还可以选用其他措施联合治理[4]:

(1)降低煤层瓦斯含量。可采用本煤层瓦斯抽放、邻近煤层瓦斯抽放和开采解放层等技术措施。该方法优点是适用于瓦斯含量高,仅采用通风方法难以解决问题时。

(2)改变工作面通风系统。可采用“Z”、“Y”和“W”形通风或工作面留尾巷。该方法适用于煤层瓦斯含量不高的情况。可以加大风量配合使用,同时要加强对煤层自燃发火的防治。

(3)采用下行通风、改用俯向伪倾斜推面方式回采,以及改变回采工作面的控顶方式,增加工作面的控顶距离,利用瓦斯上浮运动使瓦斯向采空区深部移动。

(4)采用局扇、导风帘等方法,迫使一部分风流流经工作面上隅角,将上隅角瓦斯稀释排出。

3 巷帮立式预埋管抽放口负压核定

双鸭山集贤煤矿在回采 4109左一片时,最高风量配到 840 m3/min,最大瓦斯涌出量 3.6 m3/min,虽采用了仰角钻排放工程,但隅角处也时常出现瓦斯超限现象。

造成 4109采区瓦斯超限的主要原因有以下几点:

(1)4109采区地质构造复杂,经常遇到断层。在采面正常供风的情况下,工作面隅角的瓦斯量还经常达 1%以上。

(2)单纯靠增加风量来解决瓦斯超限问题十分困难。巷道风速超限给防尘工作带来诸多不利因素,同时也不利于安全生产。并且集中皮带道是4109采区的主要回风道,由于巷道断面小,加之有皮带头等设备影响,最小断面仅有 4 m2,增加风量也有一定难度。

(3)因瓦斯问题时常制约生产。在回采 4109左一片时,由于工作面瓦斯超限,经常造成 3604工作面停产,直到瓦斯浓度降到 1%以下时,方能恢复生产。

3.1 采空区埋管抽放支线管路的铺设

埋管抽放瓦斯管路:3604工作面下料道 (管径200 mm、管路长 980 m)→回风道 (管径 200 mm、管路长 280 m)→中一下回风道 (管径 200 mm、管路长260 m)→井下移动瓦斯泵站 (管径 273 mm、管路长50 m)→井下移动泵站排气管路 (管径 273 mm、管路长 50 m)→中一下山采区回风道。

3.2 管路负压损耗计算

工作面瓦斯最大绝对涌出量为 15.6 m3/min,配风量为 900 m3/min,抽放瓦斯体积分数平均为28%,设计管路流量为 Q=28 m3/min,管路直径D=200 mm,抽放管路长度 L=1 570 m。

管路负压损耗基本方程[5]为

式中:ρ——管内混合气体密度,0.716 kg/m3;

K——管道负压损耗系数。

将式 (2)带入式 (1)中,Q的单位换成 m3/h,D的单位换成 cm,则

管道负压损耗系数方程

式中:Δ——管道内壁的当量绝对粗糙度,取 0.017 cm;

n——瓦斯黏稠度,取 14.095 ×10-6m2/s。

由式 (4)计算得 K=0.020 36。将 K代入式(3),计算得Δp=12.63 kPa。则管路局部负压损耗

管路总负压损耗

3.3 抽放口负压核定

抽放口负压 pc=pb-ΔpT,pb为抽放泵负压,为85 kPa,pc=69.84 kPa。煤矿安全规程规定抽放口负压不得小于 13 kPa,69.84 kPa>13 kPa,满足抽放口负压要求。

4 抽放管抽放面积估算与采空区风速模拟

4.1 抽放管抽放面积估算

3604工作面煤厚 1.8 m,顶板岩石碎涨系数取1.5,经计算,当顶板冒落高度为 3.6 m时,采空区将被冒落岩石充满并接顶。采空区的孔隙率为 33.33%,该区域 1 m2含气体体积为 1.8 m3。以 20 min作为一个抽放时段,20 min内抽放管可以抽放采空区气体 560 m3,则 20 min内抽放面积可估算为311 m2,抽放半径为 10 m。抽放截面示意见图 2。

图 2 抽放截面示意Fig.2 Schematic cross section of buried pipe gas dra inage in roadsides

4.2 采空区风速数值模拟

Fluent是目前处于世界领先地位的商业计算流体力学 (简称 CFD)软件包之一,用于模拟和分析复杂区域内的流体流动与传热现象[6]。设定抽放负压为 69.84 kPa,流量为 28 m3/min。用 Gambit[7]软件作前处理,将采空区划分成网格,见图 3;然后Fluent开始计算模拟;最后用 Tecplot后处理软件,描绘风速等值线,见图 4。

y轴为采空区边界坐标,单位 m,x轴为工作面坐标,单位 m。从图 4中可以看出,抽放口的最大吸气速度为 11.5 m/s,随着距离增大,速度逐渐衰减。

实施巷帮立式预埋管抽放前 3604工作面上隅角瓦斯体积分数为0.8%～0.9%,实施巷帮立式预埋管抽放技术后上隅角的瓦斯体积分数控制在0.3%～0.5%,此后,抽放管内瓦斯浓度稳定,达到较好的治理效果。

5 结束语

煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重,做好煤矿安全生产意义重大。因此,制定有效合理的瓦斯抽放措施是十分必要的。巷帮立式预埋管抽放根据采空区瓦斯运动规律,提高了抽放口的位置,避免了采空区垮落对抽放系统可靠性的影响,有效地降低采空区边界区域的瓦斯浓度,避免采空区瓦斯向工作面逸散,最终防止隅角瓦斯超限,排除了安全隐患,保证了工作面安全、稳定生产,在技术和经济上可行,获得了良好的社会效益。

[1] 贾宝财,纪道荣,韩玉发.顶板高抽钻孔抽放瓦斯的应用[J].煤矿安全,2008(6):39-40.

[2] 许福利.顶板高抽巷在鸡西矿区的应用 [J].煤炭技术,2010,29(3):127-129.

[3] 刘志军,孙广义,肖福坤.瓦斯抽放水平长钻孔定向施工技术[J].黑龙江科技学院学报,2007(4):262-263.

[4] 张 彤.综采工作面多元抽放综合治理瓦斯[J].煤炭技术,2010,29(5):103-104.

[5] 马志远.瓦斯抽放系统管路摩擦阻力计算公式的探讨[J].矿业安全与环保,2008(5):73-74.

[6] 时国庆,王德明,奚志林,等.基于 FLUENT对采空区氧气浓度场的数值模拟[J].煤炭科学技术,2009,37(6):76-79.

[7] AN HONG WEI,CHENG L IANG,ZHAO M ING.Steady streaming around a circular cylinder in an oscillatory flow[J].Ocean Engineering,2009,36(14):1 089-1 097.

(编辑 徐 岩)

Research on vertical buried pipe gas drainage in roadsides govern gas in upper corner

LI Fengyi1, SHAN Q iyuan2
(1.College of Safety Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD724

A

1671-0118(2011)01-0036-04

2010-12-20

李凤仪 (1963-),男,黑龙江省鸡西人,教授,博士,研究方向:矿山压力与控制,E-mail:shanqiyuan@126.com。