局部正压通风方法解决采面低氧问题的试验及模拟研究

针对浅埋近距离煤层群工作面易产生低氧现象的难题,以山西某矿3105工作面低氧问题为研究背景,采用理论分析、相似模拟及数值模拟方法进行了研究。分析得出煤层地质条件、工作面通风方式、大气压力变化和自然风压是工作面产生低氧现象的主要原因,并探究了采用局部正压通风方法解决采面低氧问题的可行性。结果表明:采用负压通风时,增加风速不能明显提高工作面上隅角区域的氧气体积分数,仍低于20%;采用局部正压通风时,采场内20%氧气体积分数等值线在通风风速达到1.6 m/s时,与工作面呈平行状态,增加风速能有效提高采面上隅角的氧气体积分数;采用局部正压通风回风巷增阻时,相较于单一的局部正压通风能够在更小的风速条件下解决采面低氧的问题,且一定程度上有利于防范采空区遗煤自然发火。利用COMSOL仿真软件,建立工作面采场气体运移模型,开展了不同通风方法、不同风速条件下的采空区氧气体积分数分布及运移规律研究,数值模拟结果与试验测定结果基本一致。3105工作面现场实践表明,采用局部正压通风回风巷增阻的技术措施能够有效解决工作面低氧问题,工作面上隅角及回风流的氧气体积分数由15%上升到20%以上,并始终保持正常水平,确保了工作面的安全生产。

基于UDEC的顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术研究

为有效解决主焦煤业2301工作面采空区瓦斯涌出量大、易造成上隅角瓦斯超限等问题,设计使用顶板超长定向高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采。高位钻孔的层位选择直接影响瓦斯抽采效果,基于UDEC数值模拟软件研究了采空区垂向“三带”分布,计算出顶板裂隙带高度为17~35 m,且在顶板上方8~17 m处为关键层,在顶板上方17~35 m区域内布孔有助于保护成孔不受破坏。顶板定向高位长钻孔抽采瓦斯能够有效提高抽采效率,瓦斯抽采效果明显,实现了“以孔代巷”的目的。通过考察顶板定向长钻孔瓦斯抽采纯量、瓦斯浓度以及与底板穿层钻孔抽采效果进行对比,并实测抽采后残存瓦斯含量变化情况,验证了顶板定向长钻孔瓦斯抽采了优势,保障了矿井安全生产。顶板定向高位长钻孔替代高抽巷技术具有较强的可行性及广阔的应用前景。

长钻孔抽采条件下顶板瓦斯运移规律及减涌机理研究

顶板长钻孔瓦斯抽采是实现“以抽代巷”,实现顶邻近层瓦斯抽采,减少开采空间瓦斯涌出量的重要手段。结合顶邻近层瓦斯抽采减少回风顺槽上隅角瓦斯浓度工程实践,研究抽采条件下顶板瓦斯运移规律及其对工作面、回风顺槽瓦斯浓度涌出量减少作用机理,发现采用斜向高位钻孔群抽采造成的瓦斯压力降低区相互搭接,在回风顺槽顶板上方及左右两侧迅速形成1个沿巷道分布的低瓦斯压力区,该区域有效阻隔顶板瓦斯向回风顺槽的涌出;靠近采空区侧的顶板斜长钻孔对采空区瓦斯流动也有影响,可有效降低上隅角顶板附近瓦斯压力,降低瓦斯涌出量;抽采稳定后,工作面中部偏轨道顺槽一侧,仍会保有较高瓦斯压力区域,在工作面回采过程中应予以关注。

煤矿用无机发泡充填材料研发及其应用研究

针对某矿井空巷、上隅角和高冒区带来的冒顶、瓦斯积聚、煤层自燃等问题,研发了一种无机发泡充填材料,并分别制定空巷、上隅角和高冒区的治理方案和施工工艺,开展工业试验,同时对治理效果监测和分析。研究结果表明:研发的无机发泡材料具有速凝、早强、发泡倍数高(可控)、不燃的特性,且适用的水灰比范围大、抗压强度可达1.2~4.5 MPa。采用的施工工艺简单,充填效率高,能够满足空巷充填、上隅角密闭和高冒区充填等工程。现场工业试验也证明了研制的无机发泡材料的应用可有效控制空巷变形,解决了上隅角瓦斯浓度高和漏风的问题,也避免了高冒区瓦斯积聚、煤层自燃的现象,一定程度上可为矿井安全高效开采提供保障。

官地矿瓦斯综合治理方案设计与应用研究

针对官地矿M煤层瓦斯超限问题频发、生产效率不高、安全隐患大的问题,设计瓦斯综合治理方案。重点分析了本煤层瓦斯治理、邻近煤层瓦斯治理和采空区瓦斯治理的措施和方法,最后在官地矿M煤层进行工业性试验。试验结果表明,设计并实现的瓦斯综合治理方案可将该煤层上隅角瓦斯体积分数稳定于0.22%,回风巷瓦斯体积分数稳定于0.17%,平均生产原煤由1 050 t/d提升至1 980 t/d,有效解决了该煤层瓦斯超限频发的问题,提升了生产效率,降低了安全隐患。

大直径钻孔替代联络巷抽采隅角瓦斯技术

根据《煤矿安全规程》第153条“采掘工作面进风和回风不得经过采空区或冒顶区”的要求,寨崖底煤业有限公司9#煤层3910大采高(4.5 m)综采工作面大直径钻孔替代联络巷采空区瓦斯抽采技术试验成功。现场试验资料表明,大直径钻孔瓦斯抽采为类似高瓦斯矿井安全高效生产提供了强有力的技术保障,有效解决了上隅角瓦斯超限问题。

沿空留巷工作面新老采空区瓦斯综合抽采技术

近年来沿空留巷应用愈加普遍,但在应用中挡矸支架在方便挂模注模的同时,形成抽屉式的半封闭空间,容易积聚瓦斯。此外,由于无煤柱隔离,首采面到末采面会逐渐形成一个大采空区。老采空区瓦斯受到二次甚至多次采动影响,连通新采空区积聚瓦斯一并快速涌出,导致瓦斯超限风险频发,甚至酿成瓦斯事故。为此,进一步优化了长钻孔瓦斯治理技术,一方面,采用走向高位钻孔抽采裂隙带瓦斯;另一方面,施工倾向高位钻孔至老采空区顶板裂隙带,持续抽采新老采空区瓦斯,最大限度降低采空区及其顶板裂隙带瓦斯存量。通过新老采空区瓦斯综合抽采,工作面瓦斯治理效果显著。

老空区瓦斯对小煤柱采面上隅角的影响与治理研究

为消除邻近老空区积存瓦斯对小煤柱回采工作面上隅角的影响,以山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿2305回采工作面为原型,基于老空区瓦斯运移规律研究得出的结论,设计选用钻孔、并联现采采空区抽采支管、敷设专用管路3种方法进行抽采对比试验,分析不同抽采形式和抽采流量对老空区瓦斯的治理效果。结果表明:回采工作面进入8m小煤柱区域后,老空区瓦斯通过顶帮裂隙流向现采工作面,上隅角瓦斯体积分数明显上升;抽采前,老空区内瓦斯运移规律为回采工作面附近的瓦斯向现采采空区抽采口附近运移,抽采后,老空区内瓦斯运移规律为回采工作面附近的瓦斯仍有小部分向现采采空区抽采口附近运移,大部分由内侧向外侧抽采口运移;采用专用管路抽采老空区内积存瓦斯效果较好,可以明显改变老空区内瓦斯运移方向,现采埋管抽采瓦斯体积分数随老空区抽采管路瓦斯体积分数的下降而下降,两者具有强相关性,该抽采方式可有效消除小煤柱回采区域上隅角受老空区内积存瓦斯的影响。

贺西矿3413综采面回风隅角综合瓦斯治理技术研究

由于贺西煤矿在上隅角处单独实施一种瓦斯治理技术时,无法达到工作面在高强度回采时上隅角瓦斯体积分数不超限,提出在工作面上隅角实施插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采瓦斯的方案。现场试验结果表明:实施综合瓦斯治理技术后,总抽采纯量为3.38~6.19 m^(3)/min,平均抽采纯量为4.89 m^(3)/min;工作面上隅角瓦斯体积分数保持在0.31%~0.53%,平均瓦斯体积分数为0.41%,上隅角瓦斯体积分数明显降低,取得了良好的瓦斯治理效果。

近距离煤层群覆岩裂隙带瓦斯治理措施优化及效果分析

为解决近距离煤层群综采工作面回采中上隅角瓦斯治理难题,保障综采工作面有效衔接,实现连续安全高效生产,利用同位素测定分析技术明确了近距离煤层群卸压瓦斯涌入覆岩裂隙带内的规律特征,提出施工地面L型钻孔以优化原有的覆岩裂隙带瓦斯治理技术,降低综采工作面上隅角瓦斯体积分数。结果表明:屯兰矿2号煤层综采工作面的覆岩裂隙带高度附近,工作面自切眼回采的95 m范围内,02号煤卸压瓦斯抽采占比逐渐降低,2号和4号煤层的卸压瓦斯抽采占比逐渐升高,95 m后,02、2和4号煤卸压瓦斯抽采占比趋于稳定,占比分别为60%、25%和10%.优化后的“以孔代巷”技术“高位钻孔+低位钻孔+高位走向长钻孔+地面L型钻孔”将上隅角平均瓦斯体积分数由0.65%降低至0.25%.地面L型钻孔的施工在空间和时间上保障了井下综采工作面的连续稳定生产,对井下工程不形成干扰,有助于解决上隅角瓦斯超限问题,实现了综采工作面的安全高效连续生产。

基于COMSOL的顶板定向长钻孔布置参数研究

为了研究顶板定向长钻孔的布孔参数,以东庞矿21215工作面为工程背景,通过利用COMSOL数值模拟软件,建立了5种不同布置方式下顶板长钻孔的瓦斯抽采模型,根据模拟结果确定了“法向间距2 m、水平间距3 m”的钻孔布置方式。根据21215工作面裂隙带高度设计了钻孔的布置参数,同时利用钻孔水平位置理论确定公式验证了布孔参数的可行性。现场应用结果表明,工作面回采过程中顶板定向长钻孔抽采存在稳定阶段和衰减阶段,在衰减阶段钻孔抽采效果降低、上隅角瓦斯浓度提高,分析其原因是由于钻孔高度降低,钻孔完整性遭到破坏导致的。从整体来看,在回采期间上隅角瓦斯浓度为0.3%~0.4%,处于较低水平,说明顶板定向钻孔抽采效果较好,采用该布置方式有效解决了上隅角瓦斯浓度超限的问题。

复合关键层综放开采瓦斯运移与抽采耦合规律研究

针对复合关键层工作面开采后覆岩裂隙演化及瓦斯运移涌出耦合规律,以王家岭煤矿12313综放工作面为工程背景,通过研究工作面推进后覆岩活动、裂隙演化情况,得到工作面覆岩裂隙分布特征,建立数值模型,分析卸压瓦斯运移规律。最终将研究结果应用于12313综放工作面现场瓦斯治理及效果检验。结果表明:12313综放工作面复合关键层初次破断步距为49.84m,走向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为121.1m,切眼侧和工作面一侧的裂隙区宽度分别为45.6m和44.6m,切眼和工作面的垮落角分别为62°和60°,倾向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为115m,运输巷一侧和回风巷一侧的裂隙区宽度分别为37m和40m,运输巷和回风巷的垮落角分别为62°和63°;12313综放工作面施加“高位定向钻孔+回风巷埋管”抽采措施后,回采过程中上隅角最大瓦斯浓度能够保持在安全范围内,当埋管口深度为17.3m时,上隅角瓦斯浓度达到0.478%,有效解决了上隅角瓦斯超限及积聚问题,可为类似条件下采煤工作面瓦斯治理提供参考。

倾斜厚煤层综放工作面伪斜长度与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究

倾角煤层的开采,常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动,并为机头机位提供更多作业空间,但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化,导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题,应用Fluent数值模拟软件,分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律,确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律,应用Fluent数值模拟软件,在伪斜长度分别为20、25、30、35 m条件下对“U”型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现:伪斜长度在一定程度上影响采空区内的风流,使得采空区内风流紊乱,瓦斯局部地区集聚严重,进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明:工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有显影响,随着伪斜长度的增加,采空区内风流发生提前转向,导致采空区瓦斯提前向工作面涌出,瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移,上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后,试验工作面在伪斜长度25 m左右时,上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内,工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测结果吻合,得到最优伪斜长度为25 m。

高抽巷层位变化对采空区瓦斯分布规律的影响研究

为研究高抽巷在采空区瓦斯抽采和上隅角瓦斯治理方面的应用,以及探究高抽巷抽采层位对采空区瓦斯分布规律的影响,以李阳煤矿15302综放工作面为研究对象,运用Fluent数值模拟软件对采空区未抽采和不同层位高抽巷抽采时的瓦斯分布进行模拟,通过对比瓦斯抽采浓度和上隅角瓦斯浓度的数据,分析高抽巷在不同层位的瓦斯抽采效果,将模拟结果与现场实际相结合,设计适合的高抽巷抽采层位方案,并用现场实测数据进行验证。结果表明:高抽巷瓦斯抽采浓度随抽采位置距顶板垂直高度的增加而升高,随着距回风巷水平距离的增加先升高后降低,上隅角瓦斯浓度随垂距和平距的增加均先降低后升高;理论最佳抽采层位为垂距30 m,平距32 m,工作面上隅角瓦斯浓度在0.19%以内,设计抽采层位为垂距40 m,平距35 m,工作面上隅角瓦斯浓度维持在0.63%~0.65%.选取合理的高抽巷抽采层位不仅有利于提高瓦斯抽采效果,而且能有效解决上隅角瓦斯超限的问题。

基于偏Y型通风条件下采空区瓦斯抽采技术研究

为了研究综放工作面上隅角瓦斯超限原因及提高工作面上隅角瓦斯超限治理效果,以保德煤矿81505工作面为研究对象,结合工作面回采工艺参数,提出了偏Y型通风方式,利用有限元软件FLUENT模拟研究了工作面采空区瓦斯流场分布特点,在此基础上提出了大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯工艺:即在备采工作面上顺槽通过施工水平钻孔接通采空区,进行采空区瓦斯抽采。研究结果表明:在保证工作面足够配风量条件下,大直径水平钻孔瓦斯抽采浓度3.2%~10.2%,抽采量5.4~23.6 m^(3)/min,工作面上隅角瓦斯浓度不超过0.58%,回风巷瓦斯浓度不超过0.49%。确保了工作面安全高效生产。

低位巷瓦斯抽采条件下采空区遗煤自燃规律研究

煤层顶板布置低位巷抽采瓦斯是解决工作面上隅角瓦斯超限问题的重要技术措施,但低位巷大流量混合抽采造成采空区漏风严重,增加遗煤自燃风险。目前针对低位巷布置与抽采流量协同影响采空区遗煤自燃方面的研究较少。针对贾家沟煤矿10106工作面布置低位巷抽采采空区瓦斯的实际情况,采用COMSOL软件建立了非均质采空区三维流-固-热多场耦合数值模型,通过数值模拟分析了低位巷抽采瓦斯诱导采空区遗煤自燃规律,结果表明:低位巷瓦斯抽采能够降低工作面上隅角瓦斯浓度;瓦斯抽采流量与自燃氧化带最大宽度、采空区最高温度呈正比,抽采流量增加,则自燃氧化带最大宽度和采空区最高温度增加,但过高的抽采压力导致上隅角附近空气“回流”至采空区,增加采空区遗煤自燃风险;当低位巷瓦斯抽采流量一定时,内错距越小,则采空区自燃氧化带最大宽度和最高温度越大。结合数值模拟结果与工程实践,确定贾家沟煤矿低位巷内错距为15 m,瓦斯抽采流量为45 m^(3)/min,此时上隅角瓦斯体积分数为0.875%,采空区自燃氧化带最大宽度为59.14 m,有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题,且未显著增大采空区遗煤自燃危险区域。

响应面法优化综放面上隅角瓦斯治理参数

为综合考虑煤矿开采的安全性和经济性,探究风量、高抽巷抽采负压以及工作面两端头错距3个因素对综放面上隅角瓦斯浓度的交互作用,基于响应面法设计模拟方案,运用COMSOL对模型在上述3个因素变化下综放工作面瓦斯的分布情况进行数值模拟,根据模拟结果对上隅角瓦斯浓度进行多因素回归分析,得出上隅角瓦斯浓度最低时的各因素最优参考值,最后进行了现场验证。结果表明:各单因素对上隅角瓦斯浓度影响程度大小排序为高抽巷抽采负压>错距>风量;错距和高抽巷抽采负压的交互作用对上隅角瓦斯浓度的影响最为显著,风量和高抽巷抽采负压交互作用次之,风量和错距交互作用最小;当试验工作面错距为-2.22 m,高抽巷抽采负压为17.37 kPa,风量为1 045.45 m^(3)/min时,上隅角瓦斯浓度最低,优化参数后现场上隅角瓦斯浓度明显降低,矿井实现了安全高效生产。

上覆灰岩回采工作面顶板瓦斯高效抽采

为探索灰岩顶板条件下的瓦斯赋存状态及抽采方案,开展了灰岩的X射线衍射实验,研究了灰岩的物理化学特性,分析了灰岩对顶板瓦斯赋存和瓦斯抽采的影响。以山西沁源常信煤矿90107工作面为工程背景,先用经验公式理论计算顶板“两带”高度,再结合3DEC数值模拟软件分析回采过程中顶板破坏形态及裂隙发育特征,根据顶板裂隙发育优势区设计高位定向钻孔瓦斯抽采方案,最后通过现场实测验证。研究表明:随着工作面的推进,顶板初次垮落步距为40 m,周期垮落步距为40 m,垮落带高度为11.4 m,裂隙带发育高度为50 m,裂隙发育优势区为11.4~25.0 m;现场实测发现上隅角和工作面瓦斯超限问题得到有效解决。抽采后,上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下,上隅角瓦斯浓度降幅最大可达87.5%。研究结果为相似灰岩地质条件下瓦斯高效抽采提供了参考依据。

分层综采工作面采动井层位优化及高效抽采研究

为解决综采工作面开采过程中上隅角瓦斯易超限的问题,采用地面采动井来进行采动区裂隙带瓦斯抽采。基于综采工作面开采后形成的“O”形圈理论,借鉴沁水盆地已实施的采动井施工经验,并经理论计算最终确定了采动井的最佳布置层位,即:水平层位布置在距回风巷一侧42 m,垂直层位为钻井末端距采空区底部22 m。通过采动井运行前后的实测对比,上隅角瓦斯浓度由0.76%降低并稳定至0.35%,工作面瓦斯涌出量降低了2.08 m3/min,工作面最终实现了采中和采后的连续抽采。研究结果表明,采动井高效抽采有效杜绝了综采工作面瓦斯超限,在岳城矿的推广应用为其他类似矿井综采面的瓦斯治理提供了解决方案。

基于LoRa技术的煤矿上隅角瓦斯监测系统设计

随着煤矿开采力度的加大,瓦斯的浓度会急剧增加,对工作人员的生命安全产生威胁,尤其工作面上隅角环境复杂、通风极差,导致危险更大,会直接制约着煤矿的安全生产。为了避免瓦斯超限造成严重事故,针对煤矿工作面上隅角提出了一种基于LoRa技术的煤矿上隅角瓦斯监测系统。以STM32F103单片机为核心分别设计了监测节点和汇总节点,监测节点多点采集信息并通过LoRa无线通信技术将数据发送给汇总节点,汇总节点利用GPRS技术将数据上传至服务器。通过软件设计汇总节点对瓦斯的浓度实行分级报警,并且确定监测节点位置。测试结果表明系统可以长时间、稳定可靠地工作,解决了煤矿上隅角瓦斯监测布线困难的问题,实现了监测数据的无线传输,有效避免了煤矿生产事故的发生。