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薛虎沟煤矿U型通风工作面采空区漏风模拟

IT圈 admin 29浏览 0评论

2024年4月17日发(作者:蓟慧秀)

174

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

2020

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面

采空区漏风模拟

卢俊华

霍州煤电集团有限责任公司河津薛虎沟煤业

山西临汾

441004

摘要

:针对薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风现象展开研究

采空区流动区域主要分为扩

散流动区和微流动区

2

部分

详细解释了

U

型通风工作面采空区扩散流动区域和微流动区域的特

征及影响因素

同时

借助

Surfeo

8.

2

软件中的空间插值法将大量离散型数据进行插值法计算

使

得数据在空间上具有相关性

,

随后进行建模处理

,

分析得到采空区漏风主要分为上隅角漏风区

隅角漏风区和支架后漏风区

8

个区

结果表明

下隅角漏风和支架后漏风对生产影响较小

可以人

为控制

上隅角漏风为煤自燃提供了充足的氧气和条件

造成的煤体自燃会严重影响工

作面的正常生产

关键词:

U

型通风

采空区漏风

煤自燃

Surfeo

8.2

软件

空间插值法

中图分类号:

TD72;TD75

文献标志码

B

文章编号

1079-744X

2222

26-2170-24

Simulation

of

air

leakage

in

goaf

of

U-type

ventilation

face

in

Xuehugou

coal

mine

LU

Juo-hua

(

Hejin.

Xuehugou

Coal

Industry

Co.

,

Ltd.

,

Huozhou

Coal

Electricity

Group

Co.

,

Ltd.

,

Linfen

441004,

4^hina')

Abstraci

:

A

view

of

tie

aiv

leakaye

in

tie

yoP

of

U-type

vextVation

workin-

face

in

XueXupon

coal

mine,the

characteristics

and

inOuexcino

factors

of

diffusion

flow

area

and

micro

flow

area

in

the

yo/

of

U-type

vexhlahon

workin-

face

are

analyzeX.

At

the

same

time

,

5

laroe

cumbes

of

discrete

date

are

calculates

bp

us

in-

the

spatial

inters

ola/on

method

in

Suker

8.

4

soft-

ware,which

mabes

the

date

have

spatial

correlation.

Thex,throuah

the

monelinc

processinc,the

air

Uabaye

in

the

yoaf

is

mainly

divided

into

three

areas

such

as

the

uupcs

corner

air

18X8/0

area

,the

lower

corner

air

18/8X0

area

and

the

air

leab-

aye

aree

behind

the

support.

The

resalts

show

thai

the

loweo

corner

air

leabaye

and

the

air

leap

aye

behind

the

support

have

little

impact

on

the

proauchon,

which

can

be

controllea

artificia/p

while

the

uupcs

comer

air

leabaye

provides

sufficient

ox

­

ypen

and

conditions

for

coal

spontaneoas

combustion

,

which

will

8610X810

/ect

the

eormal

proauchon

of

the

workine

face.

Key

words

U-type

vextip/on

air

leabaye

in

yo/

;

coal

spontaeeoas

combustion

Surfer

8.

4

software

spatial

internola/on

mrhend

0

引言

煤矿生产的重要前提是安全生产

,

瓦斯突出

了生产的顺利进行

严重情况下对工作人员的生命

安全构成威胁

而采空区漏风和遗煤自燃是煤矿井

下主要的灾害之一

随着采掘深度的不断延伸

来越多的矿井发生采空区漏风和遗煤自燃灾害

板脱落

顶底板突水和煤及粉尘的自燃等灾害影响

收稿日期

2619-14-64

重影响矿井的安全生产和职工的身体健康。

特别是

作者简介:

卢俊华

1985

山西临汾人

,264

年毕业于太原理

工大学采矿工程专业

工程师

现从事煤矿生产技术管理工作

矿井采用

U

型通风工作面的采空区漏风引起的煤

炭自燃造成生产停滞的事故屡屡发生

针对此现

4

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

75

国内许多学者已有研究

朱红青⑴等利用

flu

­

ent

软件研究了漏风引起的煤自燃耗氧及升温规

得到煤柱完整的情况下

因为顶煤氧气浓度充

足,煤有自燃倾向

改变漏风强度后,可使散热作用

下降

煤的自燃倾向也降低;李宗翔⑵等基于渗流

方程和气体扩散方程建立了气体移动弥散数值模

模拟结果显示抽放流量后

采空区的气体涌出量

呈现负指数趋势

,同时给出抽放流量的表达式;何启

林⑶等建立了采空区内遗煤自燃过程数学模型

,预

报了煤体自燃现象

;阮国强⑷等利用流场理论模拟

了采空区火源点的分布规律

为此,结合现有的研

究成果

基于

S

u

W

cs

5.0

软件中的算法

对薛虎沟煤

矿采空区漏风进行了模拟

并且对漏风区进行了详

细划分

试验结果可供采空区漏风和遗煤自燃治理

借鉴

1

采空区漏风

12

采空区流动区域

分析影响因素的必要性:针对采空区瓦斯含量

高的现象

利用高抽巷对采空区瓦斯进行高效的抽

高压力虽然解决了瓦斯含量高的现象

但是高负

压造成的巨大压力差也致使漏风量的增加

漏风量

的增加间接的为遗煤自燃提供了充足的氧气环

目前

工作面通风

U

型通风占据主流

对于

U

型通风方式下工作面各区域的流动特征及影响因

素的分析就显得非常必要®

5

流动区域的划分

1

U

型通风工作面采空

区流动区域的划分

在高压力的作用下

风流首先

经过工作面

,

因为工作面距离通风设备近且通风阻

力小

因此工作面区域内的风速最大,此区域称为扩

散流动区

由于采空区顶板的及时垮落

采空区通

风的工作阻力大

风量经过长距离的运动

,

能量会有

所减少

因此

采空区域内的风量能量低

此区域为

微流动区

1

u

型通风工作面采空区流动区域划分

1.2

影响因素分析

扩散流动区风量影响因素:主要受到进风巷的

压力以及采空区是否压密因素的影响

进风巷压力

越大,对应工作面的风量也会增加

如采空区密实

风量损失率下降

流过回风巷道的风量降低

微流动区域影响因素

微流动区的产生

。微

流动区域主要受到工作面压力差的影响

因为通风

效果的不稳定性,造成工作面通风压力的差异

,

因此

采空区出现微流动

气体微流动可用式

9

表示

F

+

Z

8

P

+

p

g

2g

Pl

+

Z

2

+

h

1-2

(9

式中

9

1

32

气体在

A

B

9

点的静压,

Pa

2

1

9

2

气体在

A

B

2

点的流动速度

is

Z

Z

2

气体

A

B

9

点的位能

i;p

气体的密度

i/1

;

h-

0

4

2

点之间的压头损失

1

从式中可

以看出

A

B

2

点的静压发生变化时

便会产

生微流动区

微流动区的风量部分流向采空区

部分

流向工作面⑼

影响因素

采空区气体的微流动

受到工作面

采空区温度差

浓度差的影响

当顶板

垮落后

,

采空区会有部分煤遗落在采空区

,

在长时间

的氧化作用下

煤体周围空气出现热膨胀现象

从而

导致气体出现微流动现象,可用式

2

表示气体密

度变化

厂黑

式中

9

气体密度

,

ky/l

2

气体压力

Pa

M

体分子量;

一气体常数

,J/

i

K

T

一气体热力

学温度

,

K

浓度差引起的气体微流动主要受到采

空区漏风的影响

,

漏风造成气体形成浓度差

,浓度高

的气体会自动流向浓度低的区域

微流动区域因此

形成

当漏风量非常大时

微流动区域内气体流速会

随之增加

流动区域也会增大

7

2

相似模拟

22

模型的建立

为了进一步得到工作面采空区漏风的具体分布

情况,对采空区进行了相似模拟

以薛虎沟煤矿

U

型通风为背景

利用

S

u

W

cs

5.

0

软件中的空间插值

法将大量离散型数据进行插值法计算

使得数据在

空间上具有相关性

随后进行建模处理

建模过程

中首先进行网格的划分

得到采空区氮气浓度变化

云图

如图

2

所示

随后进行深入分析得到相应的氮

75

陕西煤炭

2020

气浓度变化云图

0

回风侧

20

40

60

80

100

进风侧

120

20

40

60

80

100

120

140

采空区深度

/m

160

180

-

-

4

4

4

0

-

-

3

3

6

2

=28

-

-

2

2

4

0

=16

-

12

:

氮气分布分析:气体运用是基于三维空间实现

4

为采空区高度为

9

i

时的氮气分布云图

从图中可以看出

垂直层面中部氮气浓度整体高于

两侧的氮气浓度

且下隅角氮气浓度略高于上隅角

的氮气浓度

当垂直高度达到

54

i

采空区漏风

依然会影响气体浓度

2

2

工作面米空区氮气浓度变化云图

2.2

模拟结果分析

氮气浓度变化分析

5

为采空区达到

70

i

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

4

采空区高度为

9

i

时的氮气分布云图

时的氮气浓度变化云图

。从图

2

3

可以看出

三角

区氮气浓度是最高的区域

且进风一侧处的浓度最

进风侧三角区因为煤层整体结构被破坏

强度

下降导致煤层松散度下降

当采空区达到

72

1

后,

采空区漏风分析:综合上述分析

,

采空区漏风主

要分为上隅角漏风区

下隅角漏风区和支架后漏风

区。

上隅角漏风区主要受到上隅角内压力的影响

下隅角漏风区主要因为三角煤较为松散

因此漏风

量较大

支架后漏风区主要集中在工作面中部及靠

该区域的氮气浓度依然可以检测到

而回风一侧在

采空区达到

45

i

左右后

氮气浓度基本为

0;

因此

上部位

大量的风经过工作面后经过上隅角会重新

可以得到

进风侧的氧气浓度也要高于回风侧的氧

气浓度

归结原因是上下隅角水平方向漏风影响范

返回至工作面

3

个区域内的漏风各有不同

中,

上隅角因为采煤遗留残煤的原因

在充足氧气的

作用下

极易发生自燃

因此也最危险

对工作面的

围的不同

在支架后方的区域

图中黑色区范围内,

氮气最高浓度达到接近

44%

主要集中于上隅角区

威胁最大

下隅角漏风也会发生煤自燃现象

但是

因为其距离工作面较远

,

且漏风量小

因此可以人为

在采空区在

7

54

i

之间

上下隅角范围内的

氮气浓度基本相同

;

由此可以看出

下隅角漏风并未

控制

支架后漏风区最不易发生自燃现象

因为采

流经上隅角区域

因此

,

工作面附近有毒有害气体的

含量不会因此增加

可以正常生产。

当采空区深度

超过

36

i

氮气浓度范围值在

18%

22%

之间,

煤的原因,通风效果较好

此区域内的漏风强度大于

煤自燃极限漏风强度

,

达不到自燃条件

7

_

3

采空区内的气体经过上隅角随后进入工作面

7

3

结论

(1)

U

型通风工作面采空区流动区域主要分为

扩散流动区和微流动区

2

部分

扩散流动区内的风

IH

e

H

32

2

8

2

4

2

0

1

6

1

2

8

4

0

量主要受到进风巷的压力以及采空区是否压密因素

的影响

微流动区受工作面压力差

采空区温度差

浓度差等因素的影响

(2)

相似模拟中

得到采空区漏风主要分为上

隅角漏风区

下隅角漏风区和支架后漏风区

3

个区

上隅角漏风区为煤自燃提供了充足的氧气和条件,

距离工作面近

,

对矿井生产威胁最大

下隅角漏风虽

然会造成煤的自燃,但是可以人为控制住

支架后漏

3

米空区达到

70

m

时的氮气浓度变化云图

风不会为煤自燃提供条件

4

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

177

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徐景才.不同结构形式煤矿瓦斯氧化装置对热量

2024年4月17日发(作者:蓟慧秀)

174

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

2020

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面

采空区漏风模拟

卢俊华

霍州煤电集团有限责任公司河津薛虎沟煤业

山西临汾

441004

摘要

:针对薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风现象展开研究

采空区流动区域主要分为扩

散流动区和微流动区

2

部分

详细解释了

U

型通风工作面采空区扩散流动区域和微流动区域的特

征及影响因素

同时

借助

Surfeo

8.

2

软件中的空间插值法将大量离散型数据进行插值法计算

使

得数据在空间上具有相关性

,

随后进行建模处理

,

分析得到采空区漏风主要分为上隅角漏风区

隅角漏风区和支架后漏风区

8

个区

结果表明

下隅角漏风和支架后漏风对生产影响较小

可以人

为控制

上隅角漏风为煤自燃提供了充足的氧气和条件

造成的煤体自燃会严重影响工

作面的正常生产

关键词:

U

型通风

采空区漏风

煤自燃

Surfeo

8.2

软件

空间插值法

中图分类号:

TD72;TD75

文献标志码

B

文章编号

1079-744X

2222

26-2170-24

Simulation

of

air

leakage

in

goaf

of

U-type

ventilation

face

in

Xuehugou

coal

mine

LU

Juo-hua

(

Hejin.

Xuehugou

Coal

Industry

Co.

,

Ltd.

,

Huozhou

Coal

Electricity

Group

Co.

,

Ltd.

,

Linfen

441004,

4^hina')

Abstraci

:

A

view

of

tie

aiv

leakaye

in

tie

yoP

of

U-type

vextVation

workin-

face

in

XueXupon

coal

mine,the

characteristics

and

inOuexcino

factors

of

diffusion

flow

area

and

micro

flow

area

in

the

yo/

of

U-type

vexhlahon

workin-

face

are

analyzeX.

At

the

same

time

,

5

laroe

cumbes

of

discrete

date

are

calculates

bp

us

in-

the

spatial

inters

ola/on

method

in

Suker

8.

4

soft-

ware,which

mabes

the

date

have

spatial

correlation.

Thex,throuah

the

monelinc

processinc,the

air

Uabaye

in

the

yoaf

is

mainly

divided

into

three

areas

such

as

the

uupcs

corner

air

18X8/0

area

,the

lower

corner

air

18/8X0

area

and

the

air

leab-

aye

aree

behind

the

support.

The

resalts

show

thai

the

loweo

corner

air

leabaye

and

the

air

leap

aye

behind

the

support

have

little

impact

on

the

proauchon,

which

can

be

controllea

artificia/p

while

the

uupcs

comer

air

leabaye

provides

sufficient

ox

­

ypen

and

conditions

for

coal

spontaneoas

combustion

,

which

will

8610X810

/ect

the

eormal

proauchon

of

the

workine

face.

Key

words

U-type

vextip/on

air

leabaye

in

yo/

;

coal

spontaeeoas

combustion

Surfer

8.

4

software

spatial

internola/on

mrhend

0

引言

煤矿生产的重要前提是安全生产

,

瓦斯突出

了生产的顺利进行

严重情况下对工作人员的生命

安全构成威胁

而采空区漏风和遗煤自燃是煤矿井

下主要的灾害之一

随着采掘深度的不断延伸

来越多的矿井发生采空区漏风和遗煤自燃灾害

板脱落

顶底板突水和煤及粉尘的自燃等灾害影响

收稿日期

2619-14-64

重影响矿井的安全生产和职工的身体健康。

特别是

作者简介:

卢俊华

1985

山西临汾人

,264

年毕业于太原理

工大学采矿工程专业

工程师

现从事煤矿生产技术管理工作

矿井采用

U

型通风工作面的采空区漏风引起的煤

炭自燃造成生产停滞的事故屡屡发生

针对此现

4

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

75

国内许多学者已有研究

朱红青⑴等利用

flu

­

ent

软件研究了漏风引起的煤自燃耗氧及升温规

得到煤柱完整的情况下

因为顶煤氧气浓度充

足,煤有自燃倾向

改变漏风强度后,可使散热作用

下降

煤的自燃倾向也降低;李宗翔⑵等基于渗流

方程和气体扩散方程建立了气体移动弥散数值模

模拟结果显示抽放流量后

采空区的气体涌出量

呈现负指数趋势

,同时给出抽放流量的表达式;何启

林⑶等建立了采空区内遗煤自燃过程数学模型

,预

报了煤体自燃现象

;阮国强⑷等利用流场理论模拟

了采空区火源点的分布规律

为此,结合现有的研

究成果

基于

S

u

W

cs

5.0

软件中的算法

对薛虎沟煤

矿采空区漏风进行了模拟

并且对漏风区进行了详

细划分

试验结果可供采空区漏风和遗煤自燃治理

借鉴

1

采空区漏风

12

采空区流动区域

分析影响因素的必要性:针对采空区瓦斯含量

高的现象

利用高抽巷对采空区瓦斯进行高效的抽

高压力虽然解决了瓦斯含量高的现象

但是高负

压造成的巨大压力差也致使漏风量的增加

漏风量

的增加间接的为遗煤自燃提供了充足的氧气环

目前

工作面通风

U

型通风占据主流

对于

U

型通风方式下工作面各区域的流动特征及影响因

素的分析就显得非常必要®

5

流动区域的划分

1

U

型通风工作面采空

区流动区域的划分

在高压力的作用下

风流首先

经过工作面

,

因为工作面距离通风设备近且通风阻

力小

因此工作面区域内的风速最大,此区域称为扩

散流动区

由于采空区顶板的及时垮落

采空区通

风的工作阻力大

风量经过长距离的运动

,

能量会有

所减少

因此

采空区域内的风量能量低

此区域为

微流动区

1

u

型通风工作面采空区流动区域划分

1.2

影响因素分析

扩散流动区风量影响因素:主要受到进风巷的

压力以及采空区是否压密因素的影响

进风巷压力

越大,对应工作面的风量也会增加

如采空区密实

风量损失率下降

流过回风巷道的风量降低

微流动区域影响因素

微流动区的产生

。微

流动区域主要受到工作面压力差的影响

因为通风

效果的不稳定性,造成工作面通风压力的差异

,

因此

采空区出现微流动

气体微流动可用式

9

表示

F

+

Z

8

P

+

p

g

2g

Pl

+

Z

2

+

h

1-2

(9

式中

9

1

32

气体在

A

B

9

点的静压,

Pa

2

1

9

2

气体在

A

B

2

点的流动速度

is

Z

Z

2

气体

A

B

9

点的位能

i;p

气体的密度

i/1

;

h-

0

4

2

点之间的压头损失

1

从式中可

以看出

A

B

2

点的静压发生变化时

便会产

生微流动区

微流动区的风量部分流向采空区

部分

流向工作面⑼

影响因素

采空区气体的微流动

受到工作面

采空区温度差

浓度差的影响

当顶板

垮落后

,

采空区会有部分煤遗落在采空区

,

在长时间

的氧化作用下

煤体周围空气出现热膨胀现象

从而

导致气体出现微流动现象,可用式

2

表示气体密

度变化

厂黑

式中

9

气体密度

,

ky/l

2

气体压力

Pa

M

体分子量;

一气体常数

,J/

i

K

T

一气体热力

学温度

,

K

浓度差引起的气体微流动主要受到采

空区漏风的影响

,

漏风造成气体形成浓度差

,浓度高

的气体会自动流向浓度低的区域

微流动区域因此

形成

当漏风量非常大时

微流动区域内气体流速会

随之增加

流动区域也会增大

7

2

相似模拟

22

模型的建立

为了进一步得到工作面采空区漏风的具体分布

情况,对采空区进行了相似模拟

以薛虎沟煤矿

U

型通风为背景

利用

S

u

W

cs

5.

0

软件中的空间插值

法将大量离散型数据进行插值法计算

使得数据在

空间上具有相关性

随后进行建模处理

建模过程

中首先进行网格的划分

得到采空区氮气浓度变化

云图

如图

2

所示

随后进行深入分析得到相应的氮

75

陕西煤炭

2020

气浓度变化云图

0

回风侧

20

40

60

80

100

进风侧

120

20

40

60

80

100

120

140

采空区深度

/m

160

180

-

-

4

4

4

0

-

-

3

3

6

2

=28

-

-

2

2

4

0

=16

-

12

:

氮气分布分析:气体运用是基于三维空间实现

4

为采空区高度为

9

i

时的氮气分布云图

从图中可以看出

垂直层面中部氮气浓度整体高于

两侧的氮气浓度

且下隅角氮气浓度略高于上隅角

的氮气浓度

当垂直高度达到

54

i

采空区漏风

依然会影响气体浓度

2

2

工作面米空区氮气浓度变化云图

2.2

模拟结果分析

氮气浓度变化分析

5

为采空区达到

70

i

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

4

采空区高度为

9

i

时的氮气分布云图

时的氮气浓度变化云图

。从图

2

3

可以看出

三角

区氮气浓度是最高的区域

且进风一侧处的浓度最

进风侧三角区因为煤层整体结构被破坏

强度

下降导致煤层松散度下降

当采空区达到

72

1

后,

采空区漏风分析:综合上述分析

,

采空区漏风主

要分为上隅角漏风区

下隅角漏风区和支架后漏风

区。

上隅角漏风区主要受到上隅角内压力的影响

下隅角漏风区主要因为三角煤较为松散

因此漏风

量较大

支架后漏风区主要集中在工作面中部及靠

该区域的氮气浓度依然可以检测到

而回风一侧在

采空区达到

45

i

左右后

氮气浓度基本为

0;

因此

上部位

大量的风经过工作面后经过上隅角会重新

可以得到

进风侧的氧气浓度也要高于回风侧的氧

气浓度

归结原因是上下隅角水平方向漏风影响范

返回至工作面

3

个区域内的漏风各有不同

中,

上隅角因为采煤遗留残煤的原因

在充足氧气的

作用下

极易发生自燃

因此也最危险

对工作面的

围的不同

在支架后方的区域

图中黑色区范围内,

氮气最高浓度达到接近

44%

主要集中于上隅角区

威胁最大

下隅角漏风也会发生煤自燃现象

但是

因为其距离工作面较远

,

且漏风量小

因此可以人为

在采空区在

7

54

i

之间

上下隅角范围内的

氮气浓度基本相同

;

由此可以看出

下隅角漏风并未

控制

支架后漏风区最不易发生自燃现象

因为采

流经上隅角区域

因此

,

工作面附近有毒有害气体的

含量不会因此增加

可以正常生产。

当采空区深度

超过

36

i

氮气浓度范围值在

18%

22%

之间,

煤的原因,通风效果较好

此区域内的漏风强度大于

煤自燃极限漏风强度

,

达不到自燃条件

7

_

3

采空区内的气体经过上隅角随后进入工作面

7

3

结论

(1)

U

型通风工作面采空区流动区域主要分为

扩散流动区和微流动区

2

部分

扩散流动区内的风

IH

e

H

32

2

8

2

4

2

0

1

6

1

2

8

4

0

量主要受到进风巷的压力以及采空区是否压密因素

的影响

微流动区受工作面压力差

采空区温度差

浓度差等因素的影响

(2)

相似模拟中

得到采空区漏风主要分为上

隅角漏风区

下隅角漏风区和支架后漏风区

3

个区

上隅角漏风区为煤自燃提供了充足的氧气和条件,

距离工作面近

,

对矿井生产威胁最大

下隅角漏风虽

然会造成煤的自燃,但是可以人为控制住

支架后漏

3

米空区达到

70

m

时的氮气浓度变化云图

风不会为煤自燃提供条件

4

卢俊华

薛虎沟煤矿

U

型通风工作面采空区漏风模拟

177

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