新元煤矿综采面瓦斯超限治理技术研究

发布时间：2017-09-05 16:31

  本文关键词：新元煤矿综采面瓦斯超限治理技术研究

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【摘要】：近些年来,综采放顶煤以高产高效、安全稳定的优点,倍受各大矿区青睐。但在一些高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井,瓦斯赋存含量高、涌出量大且不稳定,工作面通风系统和瓦斯抽采措施跟不上,导致工作面尤其是上隅角瓦斯超限频繁,成为综采面瓦斯治理的关键难点。治理工作面瓦斯,优化工作面通风系统最直接最便捷,但经研究发现通风系统虽能抑制瓦斯超限,采空区却存在高浓度瓦斯难以消除、治标不治本；因此综合考量高抽巷等抽采措施,进一步提出顶板千米超长钻孔来抽采瓦斯,从根本上减少采空区瓦斯涌出、减少超限,对于高效抽采、保障综采面瓦斯安全意义重大。根据采空区上覆岩层破坏沉降规律、裂隙发育演化规律,结合煤层地质情况,在经典矿压理论和O型圈理论基础上,充分考虑采空区四周煤壁的支撑作用,提出更精细的采空区区带划分方法：采空区边缘部分20-30m范围属煤壁支撑区,形成O型的裂隙发育区域。公式计算及仰孔注水探测法得到采空区冒落带0-18m,裂隙带18-50m。阳泉煤业集团新元煤矿属煤与瓦斯突出矿井,3103综采面所在的3号煤层原煤瓦斯含量为14.89 m3/t,透气性系数低。综采面改造成“U+L型”通风系统,仍然出现瓦斯超限。总结工作面通风系统的优缺点,细致研究“U+L型”和“Y型”通风系统,优选新Y型通风系统。根据CFD数值模拟及现场实测数据,综合分析发现：供风相同时,最优风量配比为5：2,新Y型通风下上隅角瓦斯浓度为0.45%-0.68%之间,回风巷瓦斯浓度0.55%-0.71%之间,明显优于“U+L”型。且”U+L”通风下专用排瓦斯尾巷瓦斯浓度约为3-4%,超过《煤矿安全规程》规定的2.5%。新Y型通风系统相比“U+L型”更好地保障工作面安全。但新Y型通风时,采空区内仍存在高浓度瓦斯云团,是安全隐患,此时抽采和治理采空区瓦斯的势在必行。结合采空区最常用的倾斜钻孔和高抽巷瓦斯抽采,取长补短,提出顶板千米超长钻孔瓦斯抽采措施。从一采区总回风巷掘倾斜巷道至顶板35m处稳定岩层,设置高位钻场打近水平千米大直径超长钻孔进行采空区瓦斯抽采,超长钻孔布置在25-45m。数值模拟及现场实测数据表明：千米超长钻孔瓦斯抽采浓度高达74%,抽采纯量约为29.4m3/min,采空区瓦斯抽采率高达65.8%；工作面安全状况也明显优于高抽巷和倾斜钻孔,工作面上隅角0.38%-0.62%之间,回风巷0.449%-0.65%之间。千米工作面,相比倾斜钻孔和高抽巷节省资金4.475万元和7.2万元。施工安全快速、抽采时间长、一次钻孔、回采全程使用,甚至能在回采结束、封闭采空区后能够对老空区抽采。本文综合运用理论分析、现场试验、现场实测数据和CFD数值模拟,论证新Y型通风和顶板千米超长钻孔对综采面瓦斯超限的治理效果。效果分析：新Y型通风系统一定程度上治理工作面瓦斯超限,但不能彻底处理采空区的高浓度瓦斯云团；顶板千米超长钻孔高效抽取采空区瓦斯,也能够间接保障工作面的瓦斯安全。最终结论：综合运用顶板千米超长钻孔能够治理综采面瓦斯超限,辅以优良的新Y型通风系统,瓦斯治理效果最佳。不仅能够减少工作面瓦斯超限,而且从根本上减少瓦斯涌出、彻底实现瓦斯控制。对于高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井工作面瓦斯防治具有重大的现实意义,值得推广应用。
【关键词】：综采面上隅角 瓦斯超限治理 新Y型通风 千米超长钻孔瓦斯抽采 CFD数值模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外的研究发展现状13-20
• 1.2.1 瓦斯涌出运移理论现状研究13-15
• 1.2.2 矿井工作面通风系统发展现状15-16
• 1.2.3 采空区瓦斯抽采技术研究现状16-20
• 1.3 CFD数值模拟在煤矿方面的应用发展现状20-21
• 1.4 主要研究内容、科学研究方法和简要技术路线21-24
• 1.4.1 主要研究内容21
• 1.4.2 科学研究方法21-23
• 1.4.3 简要技术路线23-24
• 第二章 回采煤层上覆岩破坏规律及采动裂隙演化规律24-34
• 2.1 阳泉煤业集团新元煤矿现场情况简介24-26
• 2.1.1 矿井瓦斯赋存情况24-25
• 2.1.2 矿井开拓开采基本情况25
• 2.1.3 煤层地质特征25-26
• 2.2 采空区上覆岩层采动破坏特征研究26-30
• 2.2.1 采空区各区带划分的简要介绍27-28
• 2.2.2 O型圈理论28-29
• 2.2.3 提出采空区各区带的精细化划分29-30
• 2.3 采动裂隙演化规律30
• 2.4 采空区各区带基础参数30-32
• 2.4.1 确定采空区冒落带和裂隙带高度31-32
• 2.4.2 采空区各区带裂隙参数采空区的基本性质32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 采空区瓦斯涌出情况及瓦斯运移规律34-50
• 3.1 综采放顶煤瓦斯涌出来源分析34-37
• 3.1.1 煤炭开采影响瓦斯在煤层中的赋存状态34-35
• 3.1.2 综放工作面瓦斯来源分析35-36
• 3.1.3 综放工作面采空区瓦斯涌出来源分析36-37
• 3.1.4 随采煤推进采空区瓦斯涌出情况37
• 3.2 采空区瓦斯运移及流动基本规律37-41
• 3.2.1 采空区瓦斯运移特征37-38
• 3.2.2 泄压瓦斯流动与汇集规律38-41
• 3.3 新元煤矿3103采煤工作面及采空区瓦斯涌出量计算41-48
• 3.3.1 传统方法无法精确推算采煤工作面及采空区瓦斯涌出量41-42
• 3.3.2 综合计算法来精确得出采煤面及采空区瓦斯涌出量42-45
• 3.3.3 采空区瓦斯流动数学方程45-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 采空多空介质模型及数值模拟前期准备50-62
• 4.1 采空区的多孔介质模型设定50-52
• 4.1.1 采空区多孔介质的参数50-52
• 4.2 数值模拟过程简介52-54
• 4.2.1 采用数值模拟的原因52
• 4.2.2 数值模拟采用的模拟软件简介52-54
• 4.3 数值模拟的前期准备54-57
• 4.3.1 新元煤矿3103回采工作面概况54
• 4.3.2 采场及工作面物理模型的构建54-56
• 4.3.3 设定物理模型内各部分的基础参数和边界条件56-57
• 4.4 数值模拟过程的详细步骤57-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 “新Y型”工作面通风系统的优势62-72
• 5.1 新Y型与其他工作面通风系统对比62-67
• 5.1.1 不同通风模式理论特性对比62
• 5.1.2 新Y型通风系统的布置62-63
• 5.1.3 新Y型通风模式下流场分析63-65
• 5.1.4 U+L型通风数值模拟分析65-66
• 5.1.5 新Y型通风综合分析66-67
• 5.2 新Y型通风模式下的进风风量配比67-69
• 5.3 现场实践及应用69-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第六章 顶板千米超长钻孔治理采空区瓦斯72-88
• 6.1 新Y型通风模式下常用的采空区瓦斯治理方法72-74
• 6.2 顶板千米超长钻孔抽采瓦斯的原理、理论及优势分析74-76
• 6.2.1 钻孔抽采的平面径向流动74-75
• 6.2.2 钻孔瓦斯抽采效果的主要影响因素75-76
• 6.3 新元矿综放工作面钻孔和钻场布置76-81
• 6.3.1 顶板千米超长钻孔层位理论分析77-78
• 6.3.2 上覆岩层高位钻场合理位置及具体施工参数78
• 6.3.3 千米超长钻孔的具体布置情况78-80
• 6.3.4 双排交叉布孔的优势80
• 6.3.5 钻孔的封孔深度80-81
• 6.4 顶板千米超长钻孔与高抽巷、倾斜钻孔的瓦斯抽采效果对比81-83
• 6.5 顶板千米超长钻孔与高抽巷、倾斜钻孔的工作面安全状况对比83-84
• 6.6 顶板千米超长钻孔的数值模拟84-85
• 6.7 顶板千米超长钻孔的社会经济效益分析85-86
• 6.8 顶板千米超长钻孔治理瓦斯超限的优势86
• 6.9 本章小结86-88
• 第七章 结论88-92
• 7.1 本文主要结论88-89
• 7.2 不足及展望89-92
• 参考文献92-98
• 致谢98-100
• 攻读硕士学位期间发表论文100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张东明,刘见中;煤矿采空区瓦斯流动分布规律分析[J];中国地质灾害与防治学报;2003年01期

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本文编号：799065