高瓦斯高产工作面立体“W”型空气动力学系统研究
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摘要
本文对已有工作面通风系统模式特点进行综合分析和现场通风瓦斯参数测定的基础上,应用空气动力学理论设计了高瓦斯高产工作面的“‘U'通风系统+集束钻孔+高抽巷”的立体“W”型空气动力学系统结构。应用CFD和FLAC软件对采空区流场、瓦斯浓度场、顶板位移和抽采瓦斯效果进行模拟的基础上,对立体“W”型空气动力学系统结构参数进行了数值模拟。研究了集束钻孔布置的合理间距及其终孔在采空区中倾斜方向范围,在试验的煤层条件下集束钻孔布置在回风巷以下50m范围内、倾角为-60°时破坏程度较小,每组孔数7～10个效果较好。得出了工作面瓦斯治理效果随着集束钻孔组间距和钻孔终孔间距的减小而提高的规律;集束钻孔距工作面的越远,治理工作面瓦斯效果越差。
现场工业试验和模拟结果表明,立体“W”型空气动力学系统中集束钻孔有效地在采空区中增加了汇点、起到“栅栏”截流瓦斯流向工作面的作用,使采空区中的瓦斯通过集束钻流向高抽巷,提高了高瓦斯高产工作面瓦斯抽采率,降低了开采空间的瓦斯浓度。
为满足模拟的需要,根据研究工作面类似条件的相似材料模拟试验资料,研究了采空区不同位置孔隙率和漏风风阻;根据空气在采空区内的实际速度和渗流速度的关系,推导并建立了采场风流流动传质的统一方程;采用现场测定和理论研究相结合的方法,研究了高瓦斯高产工作面瓦斯涌出特点和影响因素,得到了煤层瓦斯含量和产量是影响高瓦斯高产工作面瓦斯涌出量的主要因素,提出了同煤层邻近区段间瓦斯涌出量预测的新方法——类比法。
Based on analyzing the characteristics of ventilation system patterns and measuring the parameters of gas at coalfaces,the structure of three-dimensional "W" aerodynamic system is designed based on the theory of aerodynamics,which consists of 'U' ventilation system,bundle drills and pumping roadways.The structure parameters of tridimensional "W" aerodynamic system are studied by simulating the situation of air flow field in gob area,gas field,displacement of overlying strata and the effect of gas drainage using soft of CFD and FLAC.Logical distance and the incline range of bundle drills are obtained.The result shows that the degree of damage is less when the bundle drills are arranged in the range of 50m under the returning ventilation roadway and the dip is -60°.The effect is better when the amount of drill bores is between 7 and 10.The law that the effect of gas control in working face becomes better when the distance between drills and bundles becomes shorter is obtained;the further of the distance between working face and bundle drills,the worse of the effect of gas controlling.
Results of simulation and industrial experiment show that bundle drills in three-dimensional "W" aerodynamic system increased the amount of sinks in gob area effectively;it closed the channel through which gas can flow to working face just like a fence,and makes the gas flow to the pumping roadway in high position through bundle drills.Finally pumping rate is promoted in working faces of high gas and high production and gas concentration is decreased in extracting area.
In order to meet the demand of simulation,porosity and resistance of air leakage in different positions of gob area are studied according to the data of equivalent material simulation test.According to the relationship of actual velocity and seepage velocity of air flow in gob area,mass transfer unified equation of air flow in extracting areas is deduced and established;characteristics and influencing factors of gas emission in working face of high gas and high production are studied using the method of combination of both field measurement and theoretical research.Conclusion is that coal production and gas content in coal seams are main influencing factors of the gas emission amount in high gas and high production working faces.A new method—analogy is proposed,which can be used for forecasting the gas emission amount between adjacent sections of same coal seam.
现场工业试验和模拟结果表明,立体“W”型空气动力学系统中集束钻孔有效地在采空区中增加了汇点、起到“栅栏”截流瓦斯流向工作面的作用,使采空区中的瓦斯通过集束钻流向高抽巷,提高了高瓦斯高产工作面瓦斯抽采率,降低了开采空间的瓦斯浓度。
为满足模拟的需要,根据研究工作面类似条件的相似材料模拟试验资料,研究了采空区不同位置孔隙率和漏风风阻;根据空气在采空区内的实际速度和渗流速度的关系,推导并建立了采场风流流动传质的统一方程;采用现场测定和理论研究相结合的方法,研究了高瓦斯高产工作面瓦斯涌出特点和影响因素,得到了煤层瓦斯含量和产量是影响高瓦斯高产工作面瓦斯涌出量的主要因素,提出了同煤层邻近区段间瓦斯涌出量预测的新方法——类比法。
Based on analyzing the characteristics of ventilation system patterns and measuring the parameters of gas at coalfaces,the structure of three-dimensional "W" aerodynamic system is designed based on the theory of aerodynamics,which consists of 'U' ventilation system,bundle drills and pumping roadways.The structure parameters of tridimensional "W" aerodynamic system are studied by simulating the situation of air flow field in gob area,gas field,displacement of overlying strata and the effect of gas drainage using soft of CFD and FLAC.Logical distance and the incline range of bundle drills are obtained.The result shows that the degree of damage is less when the bundle drills are arranged in the range of 50m under the returning ventilation roadway and the dip is -60°.The effect is better when the amount of drill bores is between 7 and 10.The law that the effect of gas control in working face becomes better when the distance between drills and bundles becomes shorter is obtained;the further of the distance between working face and bundle drills,the worse of the effect of gas controlling.
Results of simulation and industrial experiment show that bundle drills in three-dimensional "W" aerodynamic system increased the amount of sinks in gob area effectively;it closed the channel through which gas can flow to working face just like a fence,and makes the gas flow to the pumping roadway in high position through bundle drills.Finally pumping rate is promoted in working faces of high gas and high production and gas concentration is decreased in extracting area.
In order to meet the demand of simulation,porosity and resistance of air leakage in different positions of gob area are studied according to the data of equivalent material simulation test.According to the relationship of actual velocity and seepage velocity of air flow in gob area,mass transfer unified equation of air flow in extracting areas is deduced and established;characteristics and influencing factors of gas emission in working face of high gas and high production are studied using the method of combination of both field measurement and theoretical research.Conclusion is that coal production and gas content in coal seams are main influencing factors of the gas emission amount in high gas and high production working faces.A new method—analogy is proposed,which can be used for forecasting the gas emission amount between adjacent sections of same coal seam.
引文
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