基于瓦斯流動(dòng)計(jì)算模型的工作面瓦斯流動(dòng)分布研究

1工作面參數(shù)分析這項(xiàng)工作的研究重點(diǎn)是太原群15#的區(qū)塊。煤炭質(zhì)量為無(wú)煙煤，煤炭變質(zhì)程度高，磚瓦含量高。有必要預(yù)測(cè)并詳細(xì)分析工作場(chǎng)所中的磚瓦輸出數(shù)量。15108工作面參數(shù):走向長(zhǎng)度1934m,傾斜長(zhǎng)度為220m,平均煤厚5.63m。工作面為走向長(zhǎng)壁方式布置,共設(shè)計(jì)5條巷道,分別為進(jìn)風(fēng)正巷、進(jìn)風(fēng)副巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷,高抽巷。其中新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)正、副巷進(jìn)入工作面,流經(jīng)工作面后進(jìn)入到回風(fēng)巷與內(nèi)錯(cuò)尾巷。高抽巷位于距所采煤層頂板上方66m處,主要是抽取鄰近層的瓦斯。2采煤工作面瓦斯流動(dòng)規(guī)律研究采煤工作面瓦斯源分析是按照瓦斯涌出來(lái)源不同,對(duì)采場(chǎng)內(nèi)瓦斯涌出來(lái)源進(jìn)行分析。瓦斯源涌出強(qiáng)度受到開(kāi)采工藝與煤層瓦斯含量及透氣性系數(shù)的影響。采煤工作面是一個(gè)多源多匯的復(fù)雜瓦斯流場(chǎng),瓦斯流動(dòng)規(guī)律受到多種因素的作用,研究采煤工作面瓦斯流動(dòng)規(guī)律,首先必須對(duì)采煤工作面瓦斯源進(jìn)行詳細(xì)分析分類,進(jìn)而才能確定其涌出強(qiáng)度。傳統(tǒng)的工作面瓦斯源相分析將采煤工作面瓦斯涌出源分為:煤壁、落煤、遺煤、上下鄰近層、遺煤及圍巖,其中圍巖瓦斯涌出作為單獨(dú)瓦斯涌出源進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。但實(shí)際中圍巖瓦斯涌出量測(cè)量十分困難,本文認(rèn)為自采空區(qū)中圍巖瓦斯涌出量為圍巖瓦斯涌出量總量的主要部分,二者可以等同,且應(yīng)與遺煤瓦斯涌出強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)一測(cè)量。這樣,本文中瓦斯源相分為煤壁(Qmb)、落煤(Qlm)、鄰近層(Qljc)、遺煤圍巖(Qyw)這5類,其中,鄰近層與遺煤圍巖瓦斯涌出統(tǒng)稱為采空區(qū)瓦斯涌出(Qckq),其相互關(guān)系如圖1。3工作面瓦斯釋放量計(jì)算一般的瓦斯涌出量在測(cè)定方法上是通過(guò)測(cè)定煤炭及圍巖的一些固有屬性來(lái)預(yù)測(cè)工作面瓦斯涌出量。此方法在試驗(yàn)研究方面具有一定的優(yōu)勢(shì),但實(shí)際測(cè)量中其所用計(jì)算模型基本不變,相關(guān)系數(shù)的選取受到了經(jīng)驗(yàn)等多方面因素的影響,在實(shí)際測(cè)量中不可避免地存在一定的缺點(diǎn)。本文基于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)規(guī)律及瓦斯流動(dòng)擴(kuò)散理論建立了相對(duì)簡(jiǎn)單的工作面瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)模型。在實(shí)際生產(chǎn)中,工作面推進(jìn)不會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行,在2個(gè)生產(chǎn)班期間都安排有1個(gè)檢修班,對(duì)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行檢修,這2個(gè)生產(chǎn)期間工作面的瓦斯涌出量會(huì)有很大的差異,檢修班工作面瓦斯涌出量生產(chǎn)班工作面瓦斯涌出量生產(chǎn)班工作面瓦斯涌出量根據(jù)式(1)、式(2)可得本文所研究的工作面瓦斯涌出主要來(lái)自于本煤層。采煤工作面工作空間中的瓦斯?jié)舛燃胺植家?guī)律完全受到煤壁、落煤及遺煤圍巖瓦斯涌出量的影響。根據(jù)高斯煙羽連續(xù)擴(kuò)散模型,采掘空間中瓦斯的濃度分布規(guī)律為式中Q———單位時(shí)間內(nèi)瓦斯源釋放量;H———有效源高;x、y、z———所測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo);σy、σz———瓦斯橫向及豎直方向上的擴(kuò)散系數(shù)。通過(guò)抽象簡(jiǎn)化將采掘空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植伎闯擅罕诼涿和咚乖磁c采空區(qū)中遺煤圍巖瓦斯源相互影響擴(kuò)散的結(jié)果。二者在擴(kuò)散過(guò)程中在采煤工作面空間中的某一點(diǎn)相遇并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,分析可知,此點(diǎn)應(yīng)為走向上工作面中瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn)。在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)沿走向上同一高度進(jìn)行瓦斯?jié)舛葴y(cè)量,擬合瓦斯?jié)舛确植记€,得到瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo),如圖2所示。根據(jù)圖2可知,此點(diǎn)坐標(biāo)在兩坐標(biāo)系中縱坐標(biāo)y(到瓦斯涌出源的距離)的不同,x、z、h值都相同。根據(jù)煙羽擴(kuò)散模型可計(jì)算求得這2個(gè)瓦斯源單位時(shí)間內(nèi)瓦斯釋放量的比例式中y1、y2———瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn)到采空區(qū)與煤壁的距離;Q1———單位時(shí)間采空區(qū)瓦斯涌出量;生產(chǎn)班期間,煤壁、落煤及遺煤圍巖瓦斯涌出量共同構(gòu)成了風(fēng)排瓦斯涌出總量通過(guò)式(4)、(5)可得出通過(guò)式(3)、式(7)即可分別計(jì)算煤壁與落煤的瓦斯涌出量。415工作面瓦斯?jié)舛确植几鶕?jù)此工作面的通風(fēng)方式可知,風(fēng)排瓦斯總量主要是由內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷中的風(fēng)排瓦斯量組成。生產(chǎn)班期間,15108工作面回風(fēng)順槽平均進(jìn)風(fēng)量為3108m3/min,其平均分配瓦斯量為15.47m3/min,內(nèi)錯(cuò)尾巷平均進(jìn)風(fēng)量為1151m3/min,其平均風(fēng)排瓦斯量為11.46m3/min。檢修班兩巷道的風(fēng)量不變,其平均風(fēng)排瓦斯量分別10.53m3/min與8.64m3/min。通過(guò)上述可知,生產(chǎn)班平均風(fēng)排瓦斯總量為26.93m3/min,檢修班平均風(fēng)排瓦斯總量為19.17m3/min,則落煤瓦斯涌出量應(yīng)為二者之差7.76m3/min。生產(chǎn)班時(shí)間,于15108工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)布置測(cè)定對(duì)采煤工作空間的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行測(cè)量,每組測(cè)點(diǎn)相距20個(gè)支架的距離。每組測(cè)點(diǎn)由5個(gè)測(cè)點(diǎn)組成,其由采空區(qū)向工作面均勻分布工作面測(cè)點(diǎn)布置圖及測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖3及表1。通過(guò)表1,擬合工作面瓦斯?jié)舛入S其到采空區(qū)距離變化曲線圖(見(jiàn)圖4),找到此曲線上瓦斯?jié)舛茸畹忘c(diǎn),并求得此點(diǎn)坐標(biāo)。經(jīng)測(cè)量計(jì)算,此點(diǎn)的橫坐標(biāo)為2.46,則其到兩壁面的距離y1、y2分別為2.46m與2.04m。通過(guò)式(3)、式(6)、式(7)結(jié)合二元?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù)的富勒估算公式式中T———?dú)怏w溫度;p———?dú)怏w壓力;MA、MB———2種氣體的摩爾質(zhì)量?？傻迷诖斯ぷ髅娓叱橄镏饕槿∴徑鼘油咚?并穩(wěn)定在62.38m3/min,則15108工作面中各瓦斯源瓦斯涌出量如表2。5瓦斯流動(dòng)的垂直分布在工作面傾斜方向上,瓦斯?jié)舛日w沿風(fēng)流方向呈增大趨勢(shì),在靠近煤壁處其增加趨勢(shì)保持穩(wěn)定,且其增加速率較大。而在靠近采空區(qū)一側(cè),瓦斯?jié)舛人俾食尸F(xiàn)出一種從小到大而后再變小的規(guī)律。分析可知,煤壁附近瓦斯流動(dòng)幾乎沒(méi)有受到采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的影響,其在不斷積累穩(wěn)定增加。而在靠近采空區(qū)一側(cè),開(kāi)始階段受工作面漏風(fēng)流場(chǎng)的影響,一部分瓦斯會(huì)隨著漏風(fēng)流涌入采空區(qū),瓦斯?jié)舛仍黾铀俾瘦^小;在工作面中部,漏風(fēng)流場(chǎng)較弱,瓦斯?jié)舛仍黾铀俾试黾硬⑦_(dá)到最大;在靠近回風(fēng)側(cè)受到內(nèi)錯(cuò)尾巷低負(fù)壓漏風(fēng)匯的影響,高濃度瓦斯會(huì)涌向采空區(qū),表現(xiàn)為瓦斯?jié)舛茸兓俾式档?。沿工作面走向?瓦斯?jié)舛仍诿罕诩安煽諈^(qū)附近較高,其濃度最低值位于采煤工作面工作空間中部。分析認(rèn)為,煤壁及采空區(qū)為瓦斯源,此分布現(xiàn)象符合氣體擴(kuò)散定律。同時(shí)煤壁及采空區(qū)附近風(fēng)速及風(fēng)量較小不能有效地沖淡瓦斯,而在工作面中部風(fēng)速高、風(fēng)量大對(duì)瓦斯有一定的稀釋作用。6鄰近層瓦斯溢出量(1)本煤層經(jīng)預(yù)抽瓦斯強(qiáng)度大、效果好,其瓦斯賦存含量已經(jīng)很小,導(dǎo)致在開(kāi)采過(guò)程中煤壁及采落煤瓦斯涌出量均不強(qiáng)烈;(2)受上鄰近層影響,采空區(qū)瓦斯涌出量較大,尤其是上鄰近層瓦斯向工作面涌出尤為強(qiáng)烈,占工作面瓦斯涌出總量的69.8%;(3)臨近層瓦斯涌出量受到氣壓、開(kāi)采條件等各種因素的印象,其變化幅度較大,對(duì)工作面瓦斯涌出量的影響占主導(dǎo)因素,實(shí)際工作中需對(duì)鄰近層瓦斯