錯(cuò)層位巷道布置采空區(qū)孔隙率模型及瓦斯流場(chǎng)分布規(guī)律研究

王志強(qiáng),林 陸,李敬凱,李廷照,黃 陽(yáng),馬一多,趙 威

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 中俄動(dòng)力學(xué)研究中心,北京 100083)

0 引 言

采空區(qū)是由垮落破碎的巖石和遺煤共同形成的連續(xù)非均質(zhì)多孔介質(zhì)區(qū)域,其孔隙率和滲透率是采空區(qū)流場(chǎng)模擬的重要影響參數(shù)。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)采空區(qū)孔隙率和滲透率進(jìn)行了大量研究。WANG等利用PFC耦合FLUENT研究采空區(qū)孔隙率及其對(duì)漏風(fēng)流場(chǎng)的影響[1];SZLZAK J 、武猛猛等分別利用FLAC3D和PFC記錄并分析頂?shù)装蹇紫堵恃莼?guī)律,孔隙率發(fā)育規(guī)律和上覆巖層運(yùn)移規(guī)律相吻合,為后續(xù)采空區(qū)上覆巖層瓦斯治理等問(wèn)題奠定基礎(chǔ)[2-3];KARACAN C ?、SCHATZEL S J等提出采空區(qū)孔隙率相關(guān)理論,其認(rèn)為隨著覆巖垮落高度的減小,巖塊旋轉(zhuǎn)下沉的能力降低導(dǎo)致上部巖塊相比底板附近巖塊壓實(shí)程度更高,孔隙率也相對(duì)減小[4-5];李樹(shù)剛等利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了采空區(qū)自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)的孔隙率并通過(guò)CFD軟件建立了采空區(qū)瓦斯三維滲流模型[6];高光超等構(gòu)建采空區(qū)“雙三”模型,考慮采空區(qū)垂直方向孔隙率變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了孔隙率的三維可視化[7];王偉等利用Sigmoid函數(shù)建立采空區(qū)三維非均質(zhì)滲透率模型[8];梁運(yùn)濤等基于已有采空區(qū)一維孔隙率函數(shù)引入頂板巖層沉降理論,建立了垮落帶孔隙率和滲透率的非均勻分布模型并得出采空區(qū)孔隙率分布規(guī)律[9];王玉濤、王少峰、WANG等根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層沉降理論,考慮重力對(duì)破碎巖體的壓實(shí)作用,推導(dǎo)并建立了上覆巖層孔隙率三維分布數(shù)學(xué)模型[10-12];陳鵬、司俊鴻、徐超等基于“O”形圈理論,研究了采空區(qū)孔隙率及滲透率三維空間分布特征及其數(shù)學(xué)模型[13-15];高建良、吳奎、李品等研究了不同滲透率及孔隙率分布形式對(duì)采空區(qū)氣體多場(chǎng)分布特征的影響[16-18]。上述研究成果極大地推動(dòng)了傳統(tǒng)巷道布置采空區(qū)即進(jìn)、回風(fēng)巷均布置在煤層同一層位(簡(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)采空區(qū))的孔隙率及滲透率的研究進(jìn)展。

傳統(tǒng)巷道布置形式中工作面兩端頭不放煤及工作面之間的區(qū)段間煤柱造成的丟煤和遺煤易發(fā)生礦井災(zāi)害。為解決這一生產(chǎn)難題,相關(guān)學(xué)者提出把工作面進(jìn)、回風(fēng)巷布置在厚煤層的不同層位,使巷道不僅能在平面范圍內(nèi)移動(dòng)位置,而且還能在縱向高低位置上變動(dòng),形成立體化巷道布置系統(tǒng),使相鄰兩工作面之間形成空間立體交錯(cuò)的無(wú)煤柱形式[19-22]。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,錯(cuò)層位巷道布置方式不僅可以減少煤柱與兩端頭不放煤的損失,而且形成的完全沿空巷道同樣易于維護(hù)。然而關(guān)于錯(cuò)層位巷道布置的研究成果中鮮有涉及采空區(qū)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)錯(cuò)層位采空區(qū))孔隙率和采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)分布特征。基于此,以西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦22202工作面為工程背景,對(duì)錯(cuò)層位采空區(qū)孔隙率和采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)分布特征進(jìn)行研究,揭示巷道布置差異對(duì)采空區(qū)孔隙率以及瓦斯?jié)舛葓?chǎng)分布的影響。

1 工程概況

1.1 工程背景

鎮(zhèn)城底礦隸屬于山西省西山礦區(qū),22202與22204工作面主采2號(hào)煤層,埋深約為230 m,煤層平均厚度為5 m,工作面沿傾斜布置,傾角約為4°,工作面長(zhǎng)130 m,走向長(zhǎng)度680 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法,采用全部垮落法管理頂板,“U”型通風(fēng)方式,同時(shí)2號(hào)煤層為易自燃煤層,煤塵具有爆炸性。如圖1所示,22202及22204工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)計(jì)劃沿用礦井已有工作面布置形式,即采用傳統(tǒng)巷道布置形式。但該礦已有生產(chǎn)實(shí)踐表明,采用傳統(tǒng)工作面布置形式生產(chǎn)時(shí)工作面上隅角瓦斯超限嚴(yán)重且因遺煤較多致使采空區(qū)遺煤自燃頻發(fā)。

圖1 原巷道布置形式Fig.1 Layout of original roadway

1.2 錯(cuò)層位巷道布置

鑒于傳統(tǒng)巷道布置放頂煤開(kāi)采的弊端,該礦改用錯(cuò)層位巷道布置開(kāi)采方法。如圖2所示,22202進(jìn)風(fēng)巷沿煤層底板布置,22202回風(fēng)巷沿煤層頂板布置,巷道不僅能在水平方向范圍內(nèi)移動(dòng)位置,還能在垂直方向高低位置上發(fā)生變化,形成立體化巷道布置系統(tǒng)。同時(shí)與22204工作面相互搭接形成空間立體交錯(cuò)的無(wú)煤柱形式,因此不存在工作面間的區(qū)段護(hù)巷煤柱,僅存在工作面在起坡過(guò)程中依靠溜槽逐節(jié)抬升而產(chǎn)生的三角煤柱。

圖2 錯(cuò)層位巷道布置形式Fig.2 Layout of staggered roadway

工作面推進(jìn)時(shí),采場(chǎng)上覆巖層受到采動(dòng)應(yīng)力二次影響,采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生變形、破壞和斷裂。如圖3所示,上覆巖層移動(dòng)和破壞在垂直方向上被劃分為“豎三帶”,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;在水平方向被劃分為“橫三區(qū)”,即自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)[23]。根據(jù)“O”形圈理論可知,靠近工作面附近的采空區(qū)即采空區(qū)淺部區(qū)域,煤巖體破碎程度高、孔隙率大,工作面兩側(cè)巷道處孔隙率最大。隨著至工作面距離越遠(yuǎn),采空區(qū)破碎煤巖體壓實(shí)程度逐漸增加,采空區(qū)孔隙率不斷減小,但孔隙率不會(huì)無(wú)限制減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)采空區(qū)深部區(qū)域時(shí),破碎煤巖壓實(shí)度達(dá)到最高,采空區(qū)孔隙率也基本趨于穩(wěn)定。

圖3 采空區(qū)分區(qū)分帶示意Fig.3 Schematic diagram of goaf zoning

傳統(tǒng)巷道布置時(shí)工作面沿中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng),采空區(qū)支承應(yīng)力沿工作面中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布,其孔隙率和滲透率也以工作面中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。而錯(cuò)層位巷道布置工作面關(guān)于中心線(xiàn)不對(duì)稱(chēng),其采空區(qū)支承應(yīng)力分布將出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)地改變,因此孔隙率和滲透率分布形式勢(shì)必不對(duì)稱(chēng)。由于錯(cuò)層位工作面右側(cè)存在回風(fēng)巷抬升而形成的起坡段,采高不斷減小,頂板矸石可垮落的高度也隨之降低且此側(cè)采空區(qū)矸石相較于傳統(tǒng)巷道布置將承載更多上覆巖層的應(yīng)力,垮落矸石更易壓實(shí),故此處采空區(qū)孔隙率和滲透率相較于傳統(tǒng)巷道布置略有不同。

2 錯(cuò)層位采空區(qū)孔隙率分布特征

2.1 平面分布模型

采空區(qū)內(nèi)破碎巖體孔隙率由破碎巖體間各種孔洞和裂隙的總體積與破碎巖體總體積之比表示。根據(jù)破碎巖體孔隙率與碎脹系數(shù)之間的關(guān)系可知,孔隙率變化存在如下分布關(guān)系[15]

(1)

式中Kp為破碎煤巖體的碎脹系數(shù)。

由巖體碎脹系數(shù)定義可知采空區(qū)破碎巖體的碎脹系數(shù)沿采空區(qū)走向分布關(guān)系表達(dá)式如下[15]

Kp=

(2)

式中 ∑H為直接頂厚度,m;m1為煤層采高,m;m2為放頂煤高度,m;Kpc為采空區(qū)垮落煤巖體的殘余碎脹系數(shù);l為基本頂破斷長(zhǎng)度,m。

錯(cuò)層位進(jìn)風(fēng)巷道沿煤層底板布置,而回風(fēng)巷道沿煤層頂板布置呈立體化布置形式,故放頂煤高度m2會(huì)隨著起坡段高度變化而逐漸減少。假設(shè)工作面傾向?qū)挾人酵队熬嚯x為ly,三角煤柱水平邊線(xiàn)長(zhǎng)為y1,斜邊長(zhǎng)為y1′,因此m2可寫(xiě)成關(guān)于y即采空區(qū)傾向方向的分段函數(shù)如下

(3)

聯(lián)立式(1)～(3)可推導(dǎo)出錯(cuò)層位采空區(qū)沿走向方向孔隙率分布函數(shù)如下

n1=1-

(4)

傳統(tǒng)巷道布置下工作面沿中心線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)形式,中線(xiàn)兩側(cè)長(zhǎng)度均相等;而錯(cuò)層位巷道布置下回風(fēng)巷沿煤層頂板布置,工作面沿中線(xiàn)呈不對(duì)稱(chēng)形式,故中線(xiàn)兩側(cè)長(zhǎng)度不相等,起坡段側(cè)工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)。因此錯(cuò)層位工作面長(zhǎng)度(ly-y1+y1′)相比傳統(tǒng)工作面長(zhǎng)度(ly)有所增加。

根據(jù)“O”形圈理論可知,錯(cuò)層位采空區(qū)沿y方向孔隙率分布函數(shù)如下

(5)

式中l(wèi)y為工作面長(zhǎng)度,m。

綜上所述,錯(cuò)層位采空區(qū)平面孔隙率函數(shù)為

nxy=n1×n2=[1-

(6)

2.2 三維分布模型

在采場(chǎng)垂直方向上視關(guān)鍵層為孔隙率分布臨界線(xiàn)[10],關(guān)鍵層以上的巖層由于關(guān)鍵層的支撐作用受采動(dòng)影響較小,對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)影響較小,因此采空區(qū)流場(chǎng)一般只關(guān)注關(guān)鍵層以下破碎煤巖體孔隙率,而關(guān)鍵層以下從垮落帶到裂隙帶,采空區(qū)孔隙率呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。垂直方向孔隙率線(xiàn)性遞減,由此假設(shè)垂直方向采空區(qū)孔隙率變化分布函數(shù)如下

nz=a·z+b

(7)

nz|z=5=nxy

(8)

nz|z=H=0

(9)

式中a,b為待定系數(shù);H為關(guān)鍵層高度,m。

聯(lián)立式(7)～(9)可解得a,b,再將a,b代入式(7)整理可得錯(cuò)層位采空區(qū)三維孔隙率分布變化函數(shù)如下

(10)

根據(jù)錯(cuò)層位采空區(qū)三維孔隙率變化函數(shù),取采空區(qū)高度z=7 m,計(jì)算xy平面上采空區(qū)孔隙率,可得到錯(cuò)層位采空區(qū)孔隙率分布情況。錯(cuò)層位采空區(qū)與傳統(tǒng)采空區(qū)孔隙率分布對(duì)比情況如圖4所示。從圖4(a)可以看出,傳統(tǒng)巷道布置下,工作面沿中線(xiàn)對(duì)稱(chēng),故孔隙率也沿工作面中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布,整體呈“U形”分布。采空區(qū)淺部區(qū)域及進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)孔隙率較大分別為0.35和0.49,隨著向采空區(qū)深部移動(dòng)孔隙率逐漸減小且趨于穩(wěn)定。從圖4(b)可以看出,由于錯(cuò)層位回風(fēng)巷道沿煤層頂板布置,工作面兩端巷道孔隙率一高一低沿中線(xiàn)不對(duì)稱(chēng),這是由于回采后起坡段側(cè)矸石垮落空間相應(yīng)縮小,矸石將承擔(dān)更多覆巖重量,起坡段側(cè)采空區(qū)應(yīng)力將升高,導(dǎo)致錯(cuò)層位采空區(qū)相比傳統(tǒng)采空區(qū)此處矸石壓實(shí)程度較高,其孔隙率僅為0.41,低于傳統(tǒng)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)孔隙率0.49。因此錯(cuò)層位采空區(qū)整體孔隙率不再呈現(xiàn)傳統(tǒng)巷道布置的對(duì)稱(chēng)“U形”分布,而表現(xiàn)為進(jìn)風(fēng)巷側(cè)高,回風(fēng)巷側(cè)低的“一高一低”不對(duì)稱(chēng)分布特征。

圖4 采空區(qū)孔隙率變化對(duì)比示意Fig.4 Comparison diagram of void ratio change in goaf

3 錯(cuò)層位采空區(qū)瓦斯場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

基于鎮(zhèn)城底礦22202工作面U型通風(fēng)系統(tǒng)建立數(shù)值模擬物理模型,對(duì)錯(cuò)層位采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓?chǎng)分布特征展開(kāi)研究,錯(cuò)層位采空區(qū)三維物理模型,如圖5所示。采空區(qū)走向長(zhǎng)度為300 m,傾向投影長(zhǎng)度為130 m,垂直方向高度為60 m;回風(fēng)巷道處起坡段傾角為10°;進(jìn)、回風(fēng)巷尺寸分別為20 m×3.5 m×2.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。利用Mesh對(duì)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,采空區(qū)網(wǎng)格間距設(shè)置為4.5 m×4.5 m,工作面及進(jìn)、回風(fēng)巷網(wǎng)格間距設(shè)置為0.9 m×0.9 m。

圖5 三維模型Fig.5 Three-dimensional model

3.2 模型參數(shù)選擇和邊界條件設(shè)置

綜合考慮采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性和不均勻性,為簡(jiǎn)化分析并能準(zhǔn)確反映所研究問(wèn)題的基本規(guī)律,對(duì)其作如下假設(shè):①視采場(chǎng)范圍內(nèi)流體為不可壓縮氣體;②氣體各組分之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng),只考慮對(duì)流傳質(zhì)作用;③采空區(qū)孔隙率及滲透率不隨時(shí)間發(fā)生變化,視為各項(xiàng)同性多孔介質(zhì);④忽略煤層傾角影響。

模擬中將工作面進(jìn)風(fēng)巷道設(shè)置為速度入口(velocity-inlet),工作面風(fēng)量為1 960 m3/min,進(jìn)風(fēng)巷道入口氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)O2設(shè)置為0.23,CH4設(shè)置為0;回風(fēng)巷道定義為自然出流(outflow)。采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)(porous);工作面以及巷道均設(shè)置為流體區(qū)域(fluid),采空區(qū)與工作面交界面以及工作面與巷道交界面均設(shè)置為interior類(lèi)型。由于采空區(qū)各部分瓦斯涌出量和瓦斯涌出部位難以確定,故此次模擬中將采空區(qū)瓦斯涌出視為均勻分布,采空區(qū)瓦斯涌出源項(xiàng)設(shè)置為3×10-7kg/m3·s。采用RNGk-ε模型,壓力耦合采用SIMPLE算法,壓力離散采用PRESTO!格式,其他參數(shù)均設(shè)置為Second Order Upwind格式以提高模型收斂精度。

在實(shí)際情況中采空區(qū)不是簡(jiǎn)單均勻分布的多孔介質(zhì)區(qū)域,而是連續(xù)不均勻的多孔介質(zhì)區(qū)域,因此在FLUENT軟件中多孔介質(zhì)模型需要定義粘性損失阻力系數(shù)和慣性阻力損失系數(shù),即采空區(qū)多孔介質(zhì)動(dòng)量損失分布函數(shù)如下[24-25]

(11)

式中μ為氣體動(dòng)力粘度,Pa·s;ρ為流體密度,kg/m3;Dij為粘性阻力損失系數(shù)矩陣;Cij為慣性阻力損失系數(shù)矩陣;υj為流體速度在j方向上的分量。

利用22202工作面相關(guān)參數(shù)計(jì)算式(10)得出的采空區(qū)孔隙率代入Kozeny-Carman公式,可得到采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率如下[26]

(12)

式中Dp為平均粒子直徑,取0.11 mm;nxyz為采空區(qū)孔隙率。

FLUENT軟件中通過(guò)多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)D,內(nèi)部慣性阻力系數(shù)C2模擬采空區(qū)對(duì)流體的阻力如下

(13)

(14)

將上述公式和參數(shù)通過(guò)C語(yǔ)言寫(xiě)入U(xiǎn)DF,編譯導(dǎo)入FLUENT中以滿(mǎn)足采空區(qū)孔隙率和漏風(fēng)風(fēng)阻等不均勻的特性。

3.3 模擬結(jié)果分析

如圖6所示,錯(cuò)層位采空區(qū)與傳統(tǒng)采空區(qū)整體瓦斯運(yùn)移規(guī)律與分布特征基本相似,并無(wú)太大差異。采空區(qū)低位處瓦斯受升浮作用,沿采空區(qū)垮落煤巖體的裂隙上浮,直至與周?chē)h(huán)境流體密度相差為零或遇阻而大量漂浮,形成瓦斯大范圍積聚,故采空區(qū)沿高度方向高位處瓦斯?jié)舛缺鹊吞幬煌咚節(jié)舛雀?。進(jìn)風(fēng)巷側(cè)由于供風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)不斷地向工作面輸送新鮮風(fēng)流且此處孔隙率較大,采空區(qū)受漏風(fēng)影響較大,瓦斯?jié)舛葮O低,但隨著采空區(qū)沿走向方向深入采空區(qū)深部,受漏風(fēng)影響越來(lái)越弱,因此瓦斯?jié)舛纫仓饾u升高,由低濃度瓦斯場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛韧咚箞?chǎng)。隨著風(fēng)流不斷從進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷運(yùn)移的過(guò)程中,采空區(qū)孔隙率由高到低,漏風(fēng)風(fēng)阻逐漸增加,工作面風(fēng)流難以持續(xù)大量漏入采空區(qū),故采空區(qū)沿傾向方向瓦斯?jié)舛纫渤尸F(xiàn)升高態(tài)勢(shì)。

圖6 采空區(qū)瓦斯分布云圖Fig.6 Cloud chart of gas distribution in goaf

巷道布置差異雖對(duì)采空區(qū)整體瓦斯運(yùn)移與分布影響較小,但錯(cuò)層位巷道布置工作面右側(cè)存在起坡段,采高不斷減小,根據(jù)采空區(qū)孔隙率相關(guān)理論[27-30],可知該側(cè)矸石會(huì)承擔(dān)更多來(lái)自覆巖的壓力,致使該處漏風(fēng)風(fēng)阻增加,工作面風(fēng)流不易漏入采空區(qū)淺部,因此起坡段對(duì)工作面和采空區(qū)淺部的瓦斯分布及濃度產(chǎn)生一定影響。

為定量研究巷道布置差異對(duì)工作面和采空區(qū)流場(chǎng)影響的問(wèn)題,沿工作面底板和采空區(qū)淺部布置相應(yīng)測(cè)線(xiàn),繪制出起坡段對(duì)工作面和采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛扔绊懬€(xiàn),如圖7所示。

圖7 不同采空區(qū)瓦斯?jié)舛葘?duì)比曲線(xiàn)Fig.7 Comparison curves of gas concentration in different goafs

根據(jù)瓦斯與空氣密度的差異,瓦斯容易在工作面的上方積聚,尤其是工作面上隅角位置。從圖7(a)可以看出,工作面0～110 m范圍內(nèi),錯(cuò)層位和常規(guī)綜放工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺３衷跇O低水平,但瓦斯?jié)舛日w呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì),從0緩慢增加至0.3%;在工作面110～130 m范圍內(nèi),瓦斯局部聚集在工作面上隅角附近,常規(guī)綜放工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)1%,已達(dá)到安全規(guī)程中規(guī)定的1%的報(bào)警值,而錯(cuò)層位工作面上隅角瓦斯?jié)舛葍H為0.75%,相比常規(guī)綜放工作面下降了0.25%。經(jīng)分析可知,這是由于錯(cuò)層位工作面存在起坡段,該區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)阻大,漏入采空區(qū)風(fēng)流的風(fēng)量減少,工作面通風(fēng)效率較高,并且回風(fēng)巷抬升,利于瓦斯排放,因此相比常規(guī)綜放工作面具有一定優(yōu)勢(shì)。圖7(b)中采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛茸兓瘎t正好與工作面相反,采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏入風(fēng)流的風(fēng)量減少,瓦斯?jié)舛茸匀痪蜁?huì)升高。

為便于直觀(guān)了解巷道布置差異對(duì)工作面上隅角的影響,截取錯(cuò)層位與常規(guī)綜放工作面瓦斯?jié)舛葘?duì)比云圖,如圖8所示。瓦斯相對(duì)空氣的密度為0.554,故瓦斯容易在工作面上方積聚,尤其在回風(fēng)巷側(cè)上隅角位置,而錯(cuò)層位回風(fēng)巷沿煤層頂板布置,回風(fēng)巷抬升,提高了通風(fēng)效率,利于工作面瓦斯排放,工作面瓦斯?jié)舛认噍^于傳統(tǒng)工作面更低,上隅角處瓦斯更不易超限,可保障回采工作面安全高效生產(chǎn)。

圖8 工作面上隅角瓦斯對(duì)比云圖Fig.8 Cloud chart of gas comparison in upper corner of working face

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為對(duì)錯(cuò)層位采空區(qū)各處瓦斯?jié)舛扔兄庇^(guān)了解,沿鎮(zhèn)城底礦22202工作面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)(測(cè)點(diǎn)1)、工作面中部(測(cè)點(diǎn)2)以及工作面回風(fēng)側(cè)(測(cè)點(diǎn)3),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)變化曲線(xiàn)Fig.9 Variation curves of gas concentration at each measuring point in goaf with advancing of working face

由于煤層中瓦斯?jié)舛认鄬?duì)偏低,未對(duì)采空區(qū)深部瓦斯進(jìn)行處理,故應(yīng)注意瓦斯積聚,避免發(fā)生瓦斯爆炸現(xiàn)象。從圖9可以看出,進(jìn)風(fēng)側(cè)由于新鮮風(fēng)流和孔隙率分布特征的關(guān)系,測(cè)點(diǎn)1在推進(jìn)過(guò)程中采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終低于其他兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。工作面推進(jìn)0～100 m時(shí),測(cè)點(diǎn)3瓦斯?jié)舛仁冀K高于測(cè)點(diǎn)2瓦斯?jié)舛?這是因?yàn)榛仫L(fēng)巷側(cè)由于存在起坡段,采空區(qū)孔隙率和滲透率相應(yīng)降低,漏風(fēng)風(fēng)阻有所增大,工作面漏風(fēng)不易進(jìn)入采空區(qū)稀釋瓦斯?jié)舛?而當(dāng)推進(jìn)距離超過(guò)100 m后,采空區(qū)矸石隨著工作面不斷推進(jìn)而壓實(shí),孔隙率達(dá)最小值,基本不受漏風(fēng)影響,故此時(shí)測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3瓦斯?jié)舛然鞠喈?dāng)。

5 結(jié) 論

1)建立了錯(cuò)層位采空區(qū)三維孔隙率分布函數(shù)和模型,錯(cuò)層位由于起坡段存在,使采高不斷減小,孔隙率也隨之降低,采空區(qū)孔隙率沿工作面中線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)而呈現(xiàn)出“一高一低”U形分布特征。

2)巷道布置差異雖然對(duì)整體采空區(qū)瓦斯分布和移運(yùn)規(guī)律影響較小,但錯(cuò)層位特有的巷道布置形式對(duì)工作面及采空區(qū)淺部局部區(qū)域瓦斯運(yùn)移有較大影響。

3)錯(cuò)層位工作面存在的起坡段,增大了采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻,減少了采空區(qū)漏風(fēng)的風(fēng)量,提高了工作面通風(fēng)效率,并且回風(fēng)巷抬升利于瓦斯排放,可有效解決工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題。