基于采空区的瓦斯流动分布规律研究

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1、基于采空区的瓦斯流动分布规律研究摘要：近年来,随着我国煤矿开采深度的增加、煤与瓦斯突出事故的增多,让我们更加重视对采空区瓦斯运移规律的研究。回风隅角瓦斯超限现象在我国众多高瓦斯矿井中普遍存在,是影响矿井持续、稳定和安全生产的重要原因和事故隐患。为了探讨上隅角瓦斯聚积的根本原因,根据渗流理论，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了理论分析和数值模拟,通过建立采空区瓦斯渗流和分布的数学模型,定出边界条件,对采空区瓦斯流动分布规律进行研究,为分析上隅角瓦斯浓度分布和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据,对上隅角瓦斯的防治和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。关键词：采空区、瓦斯运移规律、上隅角、渗

2、流理论、数值模拟0引言煤炭行业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业，经过几十年的发展，已经有了雄厚的基础。据专家预测，在我国未来一次能源消费中，煤炭仍将占主导地位，即使到2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%，届时，煤炭消费量仍将达到20多亿吨。因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。在这个大的背景下，煤炭产量的不断提高已经成为不可逆转的大趋势，近年来综合机械化采煤设备得到了大力推广，高产高效矿井逐年增多，煤炭行业的整体形势有了很大的改观。为保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采

3、掘机械化水平，是我国煤矿发展的必由之路。随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经过技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。由于综合机械化采煤开采强度比较大、生产集中、推进速度快，造成采空区涌出空间比较大，而上隅角瓦斯主要来源于采空区,并由经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面。在回采工作面与回风巷交界处形成高浓度瓦斯积聚的区域,即上隅角瓦斯积聚区。所以通过对采空区瓦斯运移规律的研究，使得采空区瓦斯得到有效的治理，从而解决上隅角瓦斯超限等问题，以充分发挥综合机械化采煤的优势，实现真正意义上的高产高效。1采空区瓦斯运移理论1.1采空区瓦斯涌出来源分

4、析煤层开采前，原始的煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于一种均衡状态，开采后，随着工作面向前推进，工作面后方的煤层顶板不断冒落下来，形成采空区，采空区上方煤层、岩层产生下沉、变形及断裂等变化，形成裂纹、裂隙，从而改变了瓦斯原来的赋存状态和流动状态，瓦斯从煤层及围岩中通过贯穿的空隙空间向着采空区和工作面流动，甚至大量的涌出。采空区内瓦斯涌出的能量来源于浓度差(即压差)。由于采空区深部的瓦斯浓度高于采面瓦斯浓度，气体从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，直至压力平衡。此外在采空区靠近采煤工作面的空间内，由于存在着漏风，在采空区内形成通风负压。采场范围内涌出瓦斯的地点称为瓦斯源，瓦斯涌出源的多少

5、和涌出瓦斯量的大小直接影响着采场的瓦斯涌出量。这一点对采空区瓦斯涌出也完全适用。工作面瓦斯涌出工作面落煤瓦斯涌出工作面采空区瓦斯涌出工作面煤壁及顺槽煤壁瓦斯涌出未采分层瓦斯涌出围岩瓦斯涌出弃煤瓦斯涌出临近层瓦斯涌出图1采空区瓦斯来源构成示意图回采工作面瓦斯涌出包括三部分，即煤壁和顺槽煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出及落煤瓦斯涌出。对于分层开采或一次不能采全高的工作面，采空区瓦斯涌出可分为四部分，即围岩瓦斯涌出、未采分层瓦斯涌出、回采过程丢煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出。这四部分瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区，并混合在一起。接着，在浓度差和通风负压的作用下涌

6、向工作面。由于采场条件所限，要严格区分上述各部分涌出的瓦斯量，在实际操作起来是比较困难的，以往的研究是根据有关的瓦斯涌出资料进行统计分析，确定各部分瓦斯涌出系数来计算采面各涌出源的瓦斯涌出量。如煤科院抚顺分院的国家重点科技攻关成果“分源预测法”，就是在统计的基础上提出的计算瓦斯涌出量的方法，当系数选择不合理时，误差较大。如果将上述的构成采空区瓦斯的四部分作为一个瓦斯源，采用切实可行的研究测定方法，以确定采空区的瓦斯涌出量是具有实际意义的。因此，将综采工作面采空区当作一个整体来研究，采空区瓦斯涌出源汇关系如上图1所示。1.2采空区漏风（1）采空区漏风原理采场是由工作面和采空区构成的充满

7、流动气体的复杂空间，在工作面等生产场所要进行新鲜风流供应以保证正常生产活动，在靠近工作面的采空区内由于跨落或填充的岩石没有压实，也存在空气流动的空间。当风流经过工作面时，由于工作面和采空区之间很难有较好的密封效果，存在一定的连通性，必然会导致部分风流漏入采空区，漏入的这部分风流被称为采空区漏风。对于机械化综采工作面而言，由于综采面采用液压支架，在靠近综采面的采空区内存在较大的未垮落空间，此处漏风也比较显著，较一般工作面大。综采工作面的漏风点主要集中在工作面