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1、全日制硕士学位论文基于瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力效应研究基于瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力效应研究Study on Oxygen Supplied Power of Coal CombustionBased on Gas Drainage申请人姓名：赵志军指导教师：余明高学位类别：工学硕士专业名称：矿业工程（安全技术工程）研究方向：火灾防治技术与理论河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院二二二二一二年六月一二年六月一二年六月一二年六月河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大
2、 学学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文：基于瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力效应研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。学位论文作者签名学位论文作者签名:年年月月日日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保
3、留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。学位论文作者签名：学位论文作者签名：导师签名：导师签名：年年月月日日年年月月日日中图分类号：中图分类号：T T T TD712D712D712D712密密级：级：公开公开UDCUDCUDCUDC：620620620620单位代码：单位代码：104601046010
4、46010460基于瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力效应研究Study on Oxygen Supplied Power of Coal CombustionBased on Gas Drainage申请人姓名申请人姓名赵志军赵志军申请学位申请学位工学硕士工学硕士学 科 专 业学 科 专 业矿业工程矿业工程（安全技术及工程）（安全技术及工程）研究方向研究方向火灾防治理论与技术火灾防治理论与技术导师导师余明高余明高职称职称教授教授提 交 日 期提 交 日 期2012.42012.42012.42012.4答辩日期答辩日期2012.62012.62012.62012.6河南理工大学致致致致 谢谢谢谢本论
5、文是在导师余明高教授的悉心指导下完成的。我要向他表达我最诚挚的谢意，感谢他给予我的无私指导和帮助。入学以来，无论在学习上还是在生活中，他都给予了我悉心的指导和无尽的关爱。两年多来，我所克服的每一个困难，所取得的每一项成绩，无不凝聚着他的心血。在生活中他给予我亲人般的关怀；在学习上他严谨治学、求真务实的工作态度是我一生学习的楷模。在他的指导和影响下，我在科研能力和为人处事方面提高了很多。在此，谨以无比感激的心情，向他致以由衷的感谢和无比的敬意！在此特别感谢褚廷湘老师对论文的全面指导及帮助。感谢于水军教授、路长副教授在近三年研究生学习中给予的帮助和指导，感谢贾海林老师，潘荣锟老师，郑立刚老师，在实
6、验过程中给予的帮助与指导。马鸿雁老师，李振峰师兄，以及周世轩、贾博宇、王天正、刘欣华和任鹏同学在文章的撰写过程中提出的很多意见和建议，在此表示深深地感谢。同时也感谢学校，安全学院给我们提供了舒适的学习、生活环境！感谢父母多年来对我的鼓励和支持。能够让我在研究生期间认真地完成了所有学习任务！感谢本文所引用参考文献的所有作者们。本研究以“义马耿村矿单一厚煤层瓦斯抽采与煤自燃的耦合关系及漏风控制及技术研究”为依托，得到了“硕士论文创新基金重点资助”的资助，在此表示感谢！感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文，对论文中的不足之处提出批评、建议；最后感谢参加我论文答辩的各位评委。I摘要摘要摘要摘要矿井瓦斯
7、和煤层自燃是严重威胁煤矿井下安全生产的两大主要灾害。特别对于高瓦斯易自燃矿井，往往在解决瓦斯的同时，由于瓦斯抽采，造成采空区漏风加剧，引发采空区破裂遗煤自燃；同时由于采空区浮煤的自燃，在采空区局部形成了“内生火风压”，进而加剧了采空区浮煤自燃的供氧动力。另一方面，由于煤自燃又成为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，严重地影响瓦斯的安全抽采。本文将以耿村矿 U+型瓦斯抽采系统为研究对象，首先从理论上对采空区上覆煤岩裂隙发育规律及其影响空间区域进行分析；通过对漏风通道的形成模式、机理的研究，分析抽采负压对采空区三维空间流场的分布影响及内生火风压对采空区浮煤自燃的供氧动力影响，并利用 SF6实测采空区漏风量及漏
8、风通道分布形态，定量分析采空区漏风量。为了进一步了解在立体瓦斯抽采系统下对采空区风流运移情况的影响，利用计算机模拟手段，模拟在高抽巷抽采条件下采空区立体风流场，并且根据采空区易于自然发火漏风极限空间分布特征，来优化不易引起浮煤自然发火的卸压瓦斯抽采技术参数。同时，建立抽采负压及内生火风压对漏风影响数学模型，并分析瓦斯抽采条件下采空区浮煤自燃漏风动力效应，最后确立瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力体系。本文的研究成果将对高瓦斯易自燃煤层在同时解决两大灾害问题方面提供科学依据，实现矿井的安全高效生产。关键字：关键字：瓦斯抽采；自燃；裂隙；漏风；示踪气体IIIIIAbstractAbstractAbstra
9、ctAbstractMine gas and coal seam spontaneous combustion is a serious threat to coal minesafety production of the two major disaster.Especially for high gas and spontaneouscombustion of mine,the gas extraction at the same time in solving gas,cause the airleakage intensified and the rupture of residua
10、l coal spontaneous combustion in gob;atthe same time as the goaf float coal spontaneous combustion,and form the“endogenousfire heating air pressure”in the local in goaf,further exacerbated the float coalspontaneous combustion oxygen supply power in gob.On the other hand,as a result ofcoal spontaneou
11、s combustion and gas combustion and explosion as ignition source,seriously affect the safety of gas drainage.This article take the Geng Village mine U+gas extraction system as the researchobject,first analysis the goaf overlying coal and rock fissures law and its impact spaceregion on theory;through
12、 the research of air leakage channel formation mode,themechanism,analysisthedistributioneffectsofdrainagenegativepressuretothree-dimensional flow field in gob and the spontaneous combustion of oxygen effectsof the inner fire air pressure to the floating coal,and the use the SF6measured goaf ofair le
13、akage amount and air leakage channel distribution patterns,quantitative analysisthe air leakage amount of the goaf.To further understand the effects of stereoscopic gas drainage system to Shunttransportsituationinthegoafusethecomputersimulationtoolstosimulatethree-dimensional flow field of goaf drai
14、nage conditions of high pumping Lane,andaccording to the spontaneous combustion air leakage limit the spatial distributioncharacteristics to optimize the relief gas extraction parameters are unlikely to cause thefloating coal spontaneous combustion technology parameters.At the same time,establish th
15、e mathematical model of negative pressure drainage and endogenous fireheating air pressure to air leakage influence,and analyzes the gob floating coalspontaneous combustion air leakage power effects on the condition of gas extraction,and finally establish gas extraction to floating coal spontaneous
16、combustion oxygenpower system.The result of this paper provide scientific basis of solving the two disasters to highgas and spontaneous combustion coal seam.The mine safety and high efficiencyIVproduction.KeywordsKeywordsKeywordsKeywords:gas drainage;spontaneous combustion;fracture;air leakage;trace
17、r gasV目录摘要摘要.I I I I目录目录.V V V V1 1 1 1 绪论绪论.1 1 1 11.1 研究意义及目的.11.2 国内外研究现状.11.2.1 高抽巷破坏变形及抽采参数研究.21.2.2 上覆岩层裂隙形成和发育的研究.21.2.3 抽采条件对瓦斯运移和风流影响研究.31.2.4 瓦斯抽采对煤自燃供氧动力的研究.31.3 选题的提出及其意义.31.4 课题的研究任务.41.5 本文研究的技术路线.52 2 2 2 耿村矿综采面开采技术条件耿村矿综采面开采技术条件.7 7 7 72.1 13190 综采面概况.72.2 13190 工作面瓦斯涌出与瓦斯治理技术现状.82.3
18、 工作面火灾防治与治理现状.103 3 3 3 U+U+U+U+型瓦斯抽采裂隙发育特征研究型瓦斯抽采裂隙发育特征研究.131313133.1 工作面矿压及裂隙演化特征及规律.133.1.1 矿山压力概念.133.1.2 工作面矿山压力表现形式.133.1.3 影响采场矿山压力显现的主要因素.143.1.4 23煤层上覆岩层特征分析.153.1.5 上覆岩层应力分布.163.1.6 回采工作面上覆岩层裂隙演化规律.163.2 裂隙场分布及漏风通道的形成模式、机理.173.2.1 上覆岩层横三区、竖三带分布规律.173.2.2 工作面裂隙场分布.183.2.3 漏风通道的形成.18VI3.3 本章
19、小结.194 4 4 4 基于示踪气体基于示踪气体 SFSFSFSF6 6 6 6采空区漏风通道定性识别采空区漏风通道定性识别.212121214.1 示踪气体检测原理.214.2 示踪气体释放及测量设备.224.2.1 SF6气体连续稳定定量释放装置.224.2.2 SF6示踪气体检测使用方法.234.3 漏风测定重要参数的确定.244.3.1 最短采样距离的确定.244.3.2 采样时间的确定.254.3.3 SF6释放量的确定.264.4 采空区漏风测定.264.4.1 工作面漏风测定过程.264.4.2 检测结果及分析.274.5 本章小结.285 5 5 5 抽采负压条件下采空区漏风
20、流场研究抽采负压条件下采空区漏风流场研究.292929295.1 立体瓦斯抽采系统下的采空区漏风模拟研究.295.1.1 采空区风流运移数值模拟的理论基础.295.1.2 数值分析模型建立.325.1.3 渗透率分布规律.335.2 立体瓦斯抽采系统下的采空区漏风规律.375.2.1 立体瓦斯抽采系统下的采空区漏风规律模拟分析.375.2.2 立体瓦斯抽采系统下的采空区漏风规律.375.3 易于采空区自然发火的漏风极限分布.395.3.1 易于自然发火极限漏风量的确定.395.3.2 综合因素分析卸压瓦斯抽采参数.405.4 本章小结.426 6 6 6 瓦斯抽采对采空区漏风供氧形成机理研究瓦
21、斯抽采对采空区漏风供氧形成机理研究.454545456.1 基于漏风供氧动力数学模型的建立.456.1.1 煤岩冒落裂隙渗流理论.45VII6.1.2 非线性渗流数学模型.466.1.3 建立内生火风压物理模型及计算数学模型.486.2 瓦斯抽采条件下采空区浮煤自燃漏风动力效应分析.496.3 基于高抽巷气体异常变化规律检验高抽巷布置的合理性.496.3.1 高抽巷数据监测及相关性分析.496.3.2 基于最大相关系数对“三带”位置研究.516.3.3 基于岩层破断规律分析其气体异常变化.526.4 本章小结.537 7 7 7 结论结论.555555557.1 结论.557.2 创新点.56
22、7.3 存在的问题和展望.56参考文献参考文献.57575757作者简历作者简历.61.61.61.61学位论文数据集学位论文数据集.63636363VIII1 绪论11 绪论1.1研究意义及目的煤炭是当前甚至以后相当长的时间内，我们主要消费的能源。随着国民经济快速发展，能耗加大，煤炭需求量也越来越大，因此必须要保证矿井安全高效的开采。煤炭的自然发火是煤矿生产中重要灾害之一，我国重点煤矿中具有易自然发火危险的矿井约占 56%以上1。矿井火灾的发生，轻则影响正常生产，重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备，甚者则可能引燃瓦斯煤尘爆炸造成人员伤亡的重大事故。火灾的治理工作不仅是通风安全技术中一项重要内容，
23、而且对煤矿安全生产起到关键性作用。煤炭自然发火是导致矿井火灾的主要因素，据统计，90%以上矿井火灾是由煤炭自燃引起的2。促使煤炭氧化自燃的必要条件是发火点须有不断的供氧量，即要求有漏风通道且通过的风流速度适宜时煤炭才会自燃发火。特别是当矿井瓦斯和煤层自燃同时存在时，这对于矿井的安全生产和人员的安全则构成了双重威胁。特别对于高瓦斯易自燃矿井，往往在解决瓦斯的同时，由于瓦斯抽采，造成采空区漏风加剧，引发采空区破裂遗煤自燃；同时由于采空区浮煤的自燃，在局部采空区形成了“内生火风压”，进而加剧了采空区浮煤自燃的供氧动力。另一方面，由于煤自燃又成为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，严重地影响瓦斯的安全抽采。因此，
24、就如何能够在防治采空区浮煤自燃的措施中，兼顾卸压瓦斯的抽采；如何能够在瓦斯抽采过程中，兼顾着对采空区浮煤供氧动力的有效控制达到防治浮煤自燃，成为高瓦斯易自燃矿井，如何实现安全生产的关键课题之一。因此，弄清它们的内在基本规律，找出二者的互动影响过程，对协调二者灾害关系将是十分有意义的。1.2 国内外研究现状对于由瓦斯抽采引起的采空区漏风而引发煤炭自燃的研究国内外还比较少。其主要集中在，煤岩采动后上覆岩层裂隙发育与瓦斯运移上，缺少系统研究上覆岩层裂隙发育及高抽巷抽采负压下的采空区漏风及自燃的研究。实际上，这种耦合关系的形成应该以两个基本条件为前提：上覆岩层裂隙的形成（漏风通道的建立）和抽采条件对漏
25、风的影响（漏风动力的建立）。河南理工大学硕士学位论文21.2.1 高抽巷破坏变形及抽采参数研究由于上覆岩层的破坏而引起采场矿山压力显现方面，国内外对此做了大量的研究工作3-7，同时采场围岩控制技术与理论也得到相应的完善8。马文顶等对受跨落开采影响下的岩石集中巷采取了相似模拟试验研究，得出在不同支护条件下软岩巷道的变形特征。林登阁等针对跨落开采软岩巷道进行了调查与分析，得出其破坏机理，并根据其特点提出了此类巷道的支护技术措施。国内各煤矿相关部门及科研院所对顶板瓦斯高抽巷抽采参数研究很多，也取得了不少成果：阳煤集团阎志铭和赵长春9结合阳泉五矿15号煤层综放面瓦斯来源及涌出特点，将高位抽采巷布置在1
26、5号煤层底板以上5373.8m的顶板裂隙带中，大约811倍采高；内错回风巷距离52m，约为回采面长度的1/3距离。以此参数布置，高抽巷平均混合流量在40m3/min时，平均抽采浓度可到达70%。淮南矿业集团的王光泉、刘伟东、余国峰等10对淮南矿业集团的潘一矿2622(3)采面高抽巷的布置参数进行了优化，包括层位、支护方式及断面等，从而解决了工作面瓦斯超限问题。1.2.2 上覆岩层裂隙形成和发育的研究张农、许兴亮11等基于泥岩全应力应变加载过程的渗透特性试验研究，分析掘巷影响区不同时空条件下巷道岩体裂隙的渐次发育过程，揭示巷道围岩渗透特性的动态演化规律以及轴向、径向和环向3个方向的渗流特征。国内
27、的刘天泉、钱鸣高院士等人在实测与理论研究煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布特征的基础之上，提出“横三区”、“竖三带”的认识12,13。E.J.Sellers等14通过试验研究得出深埋巷道围岩不连续一面在一定条件下，可能造成围岩的分区破裂化；繆协兴、茅献彪15等根据其复合岩层的形成机理，得出复合岩层的力学条件与数学表达式。基于关键层理论，许家林，钱鸣高等1619对覆岩采动裂隙的动态分布规律开展了深入的研究。曹代勇20等以地质因素为切入点，深入系统地研究了裂隙系统在煤田火区形成的点、线、面的扩展演化动力学中的重要作用。对于覆岩采动裂隙动态分布规律的研究，国外的Karmis M.21Hasenfus G
28、J.22Bai M.23PalchikV.24人认为长壁开采覆岩存在三个不同的移动带(垮落带，裂隙带以及连续变形带)。许家林，钱鸣高25等对岩层移动过程中的覆岩采动裂隙动态发育特征及其影响因素进行了深入研究。1 绪论31.2.3 抽采条件对瓦斯运移和风流影响研究赵聪26等以模糊渗流理论分析了采空区冒落相称的多孔介质的极度不规则性及采空区风压及风流分布。一些外国专家依据开采条件及上覆岩层裂隙发育的特征，通过FLUENT对采空区及上覆岩层卸压区域漏风流场的模拟27-29。许家林、屈庆栋等30,31提出了利用关键层理论研究了煤岩裂隙发育及卸压对瓦斯抽放的问题，充分利用煤岩裂隙发育实现对采空区及邻近层
29、的瓦斯实施抽放。郭玉森、林伯泉32等研究了围岩裂隙演化与采动卸压对瓦斯运移的耦合关系，发现裂隙带的演化是一个动态过程，分析了采空区瓦斯运移的规律。SINGH等33对老顶岩层破断后形成的裂隙带岩体结构形态及其稳定性进行了深入的研究。WANG、KIM等34,35研究了裂隙带不同层位软硬岩层的动态破断过程不仅直接影响到工作面的矿压显现和支架的受力大小，而且还影响采动裂隙的分布和采动应力扰动的程度，进而影响采场卸压瓦斯的流动和采动岩体导水裂隙分布。李化敏36等研究了围岩活动对工作面瓦斯涌出的规律研究，分析了采动过程中瓦斯涌出的关系。1.2.4 瓦斯抽采对煤自燃供氧动力的研究褚廷湘，余明高，杨胜强等37
30、为了研究防治采空区漏风及浮煤自燃，在阳泉矿区对近距离上覆岩层的冒落特点及 U+型通风方式进行了分析研究。李宗翔等38基于漏风渗流研究了采空区瓦斯涌出及自燃耦合关系。张辛亥等39提出了近距离煤层自燃危险区域划分及预测。在国外：Tang 的损伤力学理论40和 Biot 的经典渗流力学理论41，从微观角度建立了岩层渗流一应力一损伤祸合模型，并开发出岩石破裂过程渗流一应力祸合分析系统，所建立的这个分析系统能够对非均匀材料裂纹的萌生、渗透率演化规律及岩层渗流一应力一损伤祸合机制进行模拟分析。1.3 选题的提出及其意义义马矿区位于河南省西部的义马市渑池县境内，开采煤层为中生界侏罗系中侏罗统煤层，煤种属长焰
31、煤，是河南省境内唯一厚及巨厚煤层形成的中生代煤田。矿区自东向西设计分布有常村煤矿、跃进煤矿、千秋煤矿、耿村煤矿、杨村煤矿。开采煤层地质构造比较简单，赋存条件较好，煤层倾角 614，煤质不粘结，中等硬度，极易风化成粉末，煤层极易自燃煤层，发火期 1 个月。随着采深的增加和综放工艺的推广，矿压增大，顶煤增厚，空顶现象增多，给煤层自燃创造了条河南理工大学硕士学位论文4件，自然发火几率明显增大，自然发火问题已成为影响矿井安全生产的严重障碍。采用 U+I、U+型是目前高瓦斯工作面最具代表性的工作面巷道布置方式和瓦斯抽放方式，为实现高瓦斯工作面煤与瓦斯共采提供了有效途径。工作面实行“一进两回或一进三回”，
32、利用内错尾巷和高抽巷实现对上隅角和上覆岩层及邻近层的瓦斯抽采。近年来广泛采用的放顶煤工作面瓦斯治理技术，其在原传统的“U”型通风系统基础上，另距回风巷内侧沿顶板裂隙带布置一条“内错尾巷”，从而使工作面低压区由上隅角转移到内错尾巷与采空区的连接处，使采空区瓦斯流向内错尾巷，不仅减少了上隅角的瓦斯涌出量，更有效的解决了上隅角超限瓦斯问题。然而，采取的 U+I、U+型瓦斯抽放技术，对采空区媒岩裂隙发育有着影响，进而导致采空区漏风相对加重。U+I、U+型工作面由于内错伪巷及高抽巷的开拓，对上覆岩层进行了区域性卸压，造成周围岩体松动，引发裂隙发育，随着工作面的不断推进，对采空区及上浮岩层的裂隙形成横向及
33、纵向的变化，致使在抽放负压的条件下，无疑增加了采空区的漏风，使采空区的浮煤得到了氧气，提供了氧化的动力基础。因此，目前各矿区针对瓦斯与火共存条件下，重点研究在不同通风、瓦斯抽采方式基础上的各项工艺参数，即在保证工作面瓦斯不超限的前提下，尽可能减少采空区漏风，降低浮煤发生自燃的危险性。当前，义煤集团各大骨干生产矿井均采用综采放顶煤开采技术，开采强度大；而且随着开采水平的延深，煤层瓦斯含量明显增大，有可能很快将升级为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯治理的形势非常严峻。不仅如此，以上矿井主采的二煤组还具有比较强的自燃倾向性，采空区发火频繁发生，时刻威胁着矿井的安全、高效生产。综上所述，针对义煤集团义马煤田的耿
34、村煤矿开展“单一厚煤层瓦斯抽采与煤自燃的耦合关系及漏风控制及技术研究”研究具有比较显著的现实意义和理论价值，保证井下的安全高效生产，促进义马煤业集团的和谐快速发展具有重要的现实意义。1.4 课题的研究任务（1）U+型瓦斯抽采裂隙发育特征研究 工作面矿压及裂隙演化特征及规律；裂隙场分布及漏风通道的形成模式、机理。1 绪论5（2）采空区上覆岩层的裂隙发育对漏风影响分析 瓦斯抽采形成的抽放负压对采空区三维空间流场的分布影响；煤自燃升温形成的内生火风压对采空区浮煤自燃的供氧动力影响。（3）在抽采负压条件下的漏风流场数值模拟 立体瓦斯抽采条件下，采空区风流分布的数值模拟；基于漏风极限采空区易于自然发火的
35、空间分布特征。（4）基于示踪气体 SF6采空区漏风实测 工作面漏风通道的识别及漏风量分析；抽采负压对漏风量的影响。（5）瓦斯抽采对采空区漏风供氧形成机理研究 抽采负压及内生火风压对漏风供氧动力数学模型的建立；瓦斯抽采条件下采空区浮煤自燃漏风动力效应分析。1.5 本文研究的技术路线拟采用理论分析、实验研究、计算机数值分析及现场观测等研究相结合的技术路线，保证研究方向的正确性及所研究的技术方案的可行性，技术路线如图 1-1所示。（1）开展卸压瓦斯抽采过程中裂隙发育特征及漏风通道的形成模式、机理的研究，分析抽采负压对采空区三维空间流场的分布影响及内生火风压对采空区浮煤自燃的供氧动力影响。（2）研究采
36、空区上覆煤岩裂隙发育规律及影响的空间区域。利用 SF6实测采空区漏风量及分析漏风通道分布形态。（3）利用计算机模拟手段，模拟在高抽巷抽采条件下采空区立体风流场，并且根据采空区易于自然发火漏风极限空间分布特征，来优化不易引起浮煤自然发火的卸压瓦斯抽采技术参数。（4）建立抽采负压及内生火风压对漏风影响数学模型，并分析瓦斯抽采条件下采空区浮煤自燃漏风动力效应，最后确立瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力体系。河南理工大学硕士学位论文6图图 1 1 1 1-1 1 1 1技术路线图技术路线图FigFigFigFig.1-11-11-11-1TechniqueTechniqueTechniqueTechnique
37、 routerouterouteroute mamamamap p p p瓦斯抽采对浮煤自燃供氧动力效应研究瓦斯抽采裂隙发育特征研究抽放负压及内生火风压对漏风动力研究裂隙发育对漏风影响研究理论研究、数值模拟和现场考察漏风动力数学模型的建立漏风动力效应分析供氧动力体系建立2 耿村矿综采面开采技术条件72 耿村矿综采面开采技术条件当前，耿村煤矿是义马煤业集团大型骨干生产矿井，由于煤层厚度特厚，均采用综采放顶煤开采工艺，开采强度大；矿井主采的二煤组还具有比较强的自燃倾向性，采空区自然发火现象频繁发生，现回采的 13190 工作面及 12200 工作面高抽巷一氧化碳涌出异常，同时由于工作面瓦斯抽采方式
38、多变，工作面自燃危险程度加大。为研究其火与瓦斯同时治理的相互关系，现以 13190 综采工作面为研究对象。2.1 13190 综采面概况工作面的标高为55m112m，地表标高为604m665m。工作面切眼长206m，工作面平均走向长940m，采用走向长壁式布置，下巷标高+55.891m+73.376m，上巷标高+95.411+112.196m，主采23煤层，煤岩成分以亮煤为主，沥青光泽，条带状构造，内生裂隙发育，裂隙被方解石脉充填。上部煤质较好，下部次之灰份较高，煤层结构复杂，平均厚度16m，煤层倾角812。工作面巷道布置如图如2-1所示。图图 2-12-12-12-1131901319013
39、19013190工作面巷道布置图工作面巷道布置图FigFigFigFig.2-12-12-12-1 13190131901319013190 FaceFaceFaceFace tunneltunneltunneltunnel layoutlayoutlayoutlayout工作面采用U型外加高抽巷的通风系统布置方式，即在其U型通风系统的基础上，内错回风巷在顶板裂隙带布置一条高抽巷。在工作面初采期间，高抽巷不会起太大的作用，但随着工作面的正常推进，老顶初次来压显现以后，煤层上覆岩层的采动裂隙逐渐发育，这时高抽巷将逐渐发挥作用；在抽采负压作用下，卸压瓦斯通过裂隙将会大量涌入高抽巷，这时高抽巷作用显
40、现。河南理工大学硕士学位论文82.2 13190 工作面瓦斯涌出与瓦斯治理技术现状由于 13190 工作面属于特厚煤层，又采用放顶煤开采，所以工作面瓦斯涌出来源，主要是煤壁和采空区瓦斯涌出。其中工作面绝对瓦斯涌出量 12m3/min，高抽巷抽采瓦斯 7.6m3/min，风排瓦斯 4.4m3/min。13190 工作面抽放系统分为两部分：井下移动泵站抽采和地面泵站抽采，这两个系统各自独立，形成分源抽采。（1）井下移动泵站抽采系统13190 上巷铺设 1 趟直径 315mm 聚乙烯抽采管路，连接到上隅角插管、地埋管由西区井下移动抽采泵（型号为 2BEC40，流量 100m3/min）进行抽采，形成
41、上隅角、采空区瓦斯抽采系统。（2）地面泵站抽采系统13190 工作面上巷另敷设一趟直径 315mm 聚乙烯抽采管路，连接到各个高抽巷、低位钻场由地面瓦斯抽采泵（型号为 SKA-500，流量为 200m3/min）进行抽采，行成负压抽采系统。（3）低位瓦斯抽采钻场及其抽采钻孔参数低位钻场参数如表 2-1、2-2 及图 2-2 所示：在上巷下帮，每隔 30m 开一个钻场，钻场净长净宽净高=54.52.8m。每个钻场布置 10 个钻孔，1、2、3、4、5 孔距底板 1m，孔间距 0.5m；6、7、8、9、10 孔距底板 1.5m，孔间距 0.5m。套管直径不低于 50mm，外露长度不少于 200mm
42、。表表 2-2-2-2-1 1 1 113190131901319013190上巷第上巷第 1 1 1 1 钻场技术参数（钻场技术参数（40m40m40m40m 处）处）TableTableTableTable.2-2-2-2-1 1 1 1TechnicalTechnicalTechnicalTechnical parametersparametersparametersparameters ofof ofof the1the1the1the1 drillingdrillingdrillingdrilling fieldfieldfieldfield inininin thethetheth
43、e 13190131901319013190 upupupup roadwayroadwayroadwayroadway(40m)(40m)(40m)(40m)钻孔编号偏角（）坡度（）孔深（m）终孔距上巷距离（m）终孔距底板距离（m）终孔距顶板距离（m）11.577.5646.10411523.7710.2346.508161035.967.2046.701212648.1310.2246.80161711510.277.1246.7020137613.749.2047.20241812715.806.3447.6028148817.828.7048.50321913919.796.1348.
44、80361591021.728.6349.904020142 耿村矿综采面开采技术条件9表表 2 2 2 2-2 2 2 213190131901319013190上巷第上巷第 2 2 2 2 钻场技术参数（钻场技术参数（80m80m80m80m 处）处）TableTableTableTable.2.2.2.2-2 2 2 2T T T Technicalechnicalechnicalechnical parametersparametersparametersparameters ofof ofof the1the1the1the1 drillingdrillingdrillingdril
45、ling fieldfieldfieldfield inininin thethethethe 13190131901319013190upupupup roadwayroadwayroadwayroadway(80m80m80m80m)钻孔编号偏角（）坡度（）孔深（m）终孔距上巷距离（m）终孔距底板距离（m）终孔距顶板距离（m）11.578.6192.07412423.7711.3093.00817935.968.4492.501213548.1311.0993.67161810510.278.2393.4520146613.7410.2595.20241911715.807.4195.37
46、28157817.829.9597.04322012919.797.1697.47361681021.729.6299.354021131.75m0.5m1.5m0.5m1m1.5m61278910345图图 2 2 2 2-2 2 2 21 1 1 1、2 2 2 2 钻场钻孔位置示意图钻场钻孔位置示意图FigFigFigFig.2-2.2-2.2-2.2-2 TheTheTheThe 1 1 1 1、2 2 2 2 drillingdrillingdrillingdrilling fieldfieldfieldfield drilldrilldrilldrill holeholeholeh
47、ole positionpositionpositionposition schematicschematicschematicschematic plotplotplotplot（4）上隅角埋管瓦斯抽采在工作面上隅角土袋墙下面埋入 4 寸钢管，每隔 20m 导出一个 T 型头，抽采上隅角采空区内的瓦斯。（5）尾巷瓦斯抽采工作面在掘进到位后，沿上巷继续向切眼以里掘进 10m 后，开始作一条和切眼平行上坡巷道 15m，爬至 23煤层顶板再作一条和上巷平行的岩石平巷并超过切眼 2m。在尾巷铺直径 500mm 的抽采钢管和地面抽采系统相连，抽采采空区的瓦斯。工作面尾巷主要是解决初采期间的瓦斯问题，在
48、尾巷失去作用后，高位抽采巷要立即投入使用。高位抽采巷从上车场开口起坡至 23煤层顶板以上 15m 左右，和上巷平行施工岩巷，锚网喷支护，断面 5m2，与上巷内错相距 15m，距切眼 40m。河南理工大学硕士学位论文10（6）封孔工艺：封孔采用聚胺脂封孔和速凝剂联合封孔，先用聚胺脂封孔 3m，然后用速凝剂封孔 1m，套管外露不得少于 0.2m；钻孔封好后用 4 寸弹簧管与抽采主管路多通连接好，每个钻孔与多通之间设流量计、测气嘴、闸门等，抽采管路沿途设滤网放水器及放碴器，以免煤层内的水、碎煤等进入抽采管。2.3 工作面火灾防治与治理现状经鉴定 23煤层属于易自然发火煤层，自然发火期为 1 个月，煤
49、尘具有爆炸性。根据自然发火危害的严重性耿村矿制定了严密的防灭火措施：（1）灌浆防灭火可采用水力取土与机械式取土结合，水土比一般为 1:3-1:5；选用 4PN 泥浆泵两台（一台工作，一台备用），其技术参数如下：流量 140-220m3/h，扬程 58-62m，配套电机型号 JQ294-5；工作面所有灌浆管道均采用无缝钢管，管道由地面灌浆站经钻孔至东风井内，经进风石门后再到工作面各用浆地点，从灌浆站到上口的管道直径为 6 寸，23轨道上山到工作面内的管道直径均采用 4 寸，要求做到随采随灌浆。（2）阻化剂防灭火回采过程中在工作面内喷洒或利用其它装置注入采空区以延长煤的自然发火周期达到防灭火之目的
50、。根据临近生产矿井运用情况可选用 MgCI2、CaCI2、NaCI等防火剂系列。（3）氮气防灭火采煤工作面在结束上网的同时，在架子顶上铺设新风布，停采后风布压入老塘 2m 以上，堵塞氮气泄露通道，使氮气通过上拐头释放。工作面下巷氮气管路最末端通过加工的过渡节联接了 2 条直经 75mm 无缝钢管，埋入下拐头老塘，其距离分别距停采线 15m、23m。其位置高于煤层底板 2030cm，并采用石块或木垛加以妥善保护，以免孔口堵塞。由于井下作业场所氧含量下线为 19%，所以氮气泄露地点氧含量不得低于 19%。（4）工作面回采期间的防火工程 抽防队在工作面上下巷有防火工程处利用掘进期间的防火工程，每天至