CN108959691B - 高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法 - Google Patents

高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，首先通过颗粒流数值模拟软件模拟工作面煤层开挖全过程，得到采空区后方孔隙率分布规律；编译数据沟通程序将得到的孔隙率参数导入到流体数值模拟软件中，实现两种成熟的数值模拟软件的相互结合，得到包括三维孔隙率的采空区数字模型，进行不同开采时期采空区流场分布的数值模拟，实现采空区流场与工作面开采过程动态耦合仿真；通过改变流体模拟软件中采空区模型参数，实现人为设定非连续隔离墙体，调整非连续隔离墙体参数，使采空区氧气浓度和瓦斯浓度参数交叉区域最小，以此确定采空区最佳隔离参数。

Description

高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法
技术领域
本发明涉及矿井瓦斯爆炸与火灾防治技术领域，尤其涉及一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法。
背景技术
煤炭自燃与瓦斯耦合防治是未来深部矿井开采面临的主要难题之一。在我国国有重点煤矿中，存在煤炭自燃的矿井占到总数的1/3以上，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的 90％以上。近年来，随着矿井开采技术的改革和采煤设备的升级，一部分煤矿为了提高生产效率，增加了工作面的宽度；此外，大采高综放设备的投入也使得开采强度急剧增加；开采深度增加使得开采地质条件更为恶劣，遗煤自燃与瓦斯耦合灾害危险区域愈发明显，为矿井的安全生产提出了更为严格的挑战，严重制约了矿井高产高效目标的实现。
目前，对存在耦合灾害发生危险的矿井，其预防和治理措施普遍还比较单一，即单一的进行瓦斯抽放或者是防止遗煤自燃，还未对两灾害的耦合防控提出针对性的有效技术措施。目前由于受到矿井实际条件和技术手段的限制，对于高瓦斯矿井，特别是低透气性煤层，很难做到将采空区瓦斯抽放完全，并保证其瓦斯浓度不在爆炸范围内；同时，各种探测仪器和技术也较难以准确、快速的确定采空区隐患火源位置和范围，治理效果在较短时间内难以奏效。从采空区漏风风流控制方面的方法改变漏风可以源头上改变采空区自燃“三带”分布范围，同时改变瓦斯分布规律，是一种简单、有效的耦合灾害防治措施。
随着技术的发展，现有技术中存在有一种高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害的动态隔离防治方法，但未有具体采空区动态隔离参数的设计方法和设计步骤，导致在实际应用过程中无法达到预期效果。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展，本发明即提出一种简单、高效的高瓦斯易自燃综放采空区耦合灾害动态隔离参数确定方法以满足井下安全高效生产需要。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，能够在实际应用过程中直接应用，以实现经济、高效的达到耦合灾害防治的目的。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，其包括以下步骤：
A、根据矿井工作面地质资料，确定工作面顶板岩性及综合柱状图，确定工作面导气裂隙带以下岩层的层数N、导气裂隙带至煤层顶板高度H以及每个岩层的厚度hn，工作面宽度 W，煤厚m，现场测定结果得到工作面初次来压步距C1、周期来压步距C2、工作面供风量Q；
B、设计模拟试验模型的相似比为L，利用颗粒流数值模拟软件建立综放工作面开采模型，设计模型尺寸的长：宽：高为2(C1+C2)·L：W·L：(H+m)·L，模型中岩层数量为N，以岩性宏观参数为标准，利用经验公式确定岩性细观参数；
C、自建立工作面开采模型煤层往上设置测量圆，测量圆的设置高度为导气裂隙带高度；
D、按照工作面推进速度的几何相似比对工作面分段开采，首次开挖至工作面初次来压，后继续模拟开挖，至工作面第一次周期来压，最后至整个模型开采完毕，将分阶段采空区后方测量圆测定参数导出；
E、利用流体数值模拟软件建立与颗粒流数值模拟软件大小相同的采空区模型，将步骤D 测定参数利用细化算法转变为孔隙率参数数据，将测点的空间位置及孔隙率参数数据导入到流体数值模拟软件中，得到包含三维孔隙率数据的采空区模型，设定模型模拟风量Q·L，得到采空区后方流场分布规律；
F、改变模型风流大小、在模型后方设置隔离墙体，得到不同工况下采空区后方流场分布规律，进而确定采空区内流场最小的隔离墙体设置参数，作为采空区之动态隔离参数。
所述的确定方法，其中，煤岩体的岩性细观参数确定方法为用颗粒流数值模拟软件建立标准煤岩试件，并采用巴西劈裂和单轴压缩方法模拟得到各岩层单轴抗压强度和抗拉强度，将所得结果与上述岩性宏观参数对比，保证误差在5％以内，验证岩性细观参数选择是否满足要求，若为不满足，则采用试错法重新选择岩性细观参数进行模拟，直至岩性细观参数与岩性宏观参数误差满足要求为止。
所述的确定方法，其中，步骤A中导气裂隙带高度的判定依据岩层拉伸变形率来计算，拉伸变形率ε计算公式为：
Figure RE-GDA0001751560260000021
其中，岩层中性层至煤层的垂距为h，边界角δ0，充分采动角ψ，l0为岩层弯曲变形前的直线段长度，q为岩层下沉系数，ψ′＝δ0′＝(ψ+δ0)/2；
依据矿井综合柱状图，计算煤层上方各顶板岩层拉伸率，确定层向拉伸率突然变化拐点，该岩层及以下岩层为导气裂隙带，该岩层以上为弯曲下沉带。
所述的确定方法，其中，隔离墙设置采用非连续设置方法，隔离墙体长度为隔离墙体之间间距的2倍，隔离墙采用从采空区一侧向另一侧设置方法，隔离墙体成排并相互平行。
所述的确定方法，其中，上述颗粒流数值模拟软件为PFC3D；流体数值模拟软件为FLUENT，风流参数包括瓦斯浓度与氧气浓度。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提供了一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，首先颗粒流数值模拟软件模拟煤层开挖全过程，得到采空区后方孔隙率分布规律；编译数据沟通程序将得到的孔隙率参数导入到流体数值模拟软件中，实现两种成熟的数值模拟软件的相互结合，得到采空区内流体分布规律，通过改变流体模拟软件中采空区模型，实现人为设定非连续隔离墙体，进而通过模拟手段得到最佳隔离参数。基于真实开采工作面的开采参数，通过颗粒流数值模拟软件提取了采空区后方孔隙率大小，克服了传统方法孔隙率人为设定的缺陷，将颗粒流数值模拟软件和流场模拟数值模拟软件结合起来，实现了真实开采条件下采空区流场分布的模拟；同时通过改变采空区模型、不同通风量等工况下采空区流场分布规律，实现了采空区动态隔离参数的优选，为工作面的安全生产提供了保证。
本发明方法简单，降低井下试验成本，保证了采空区隔离效果，增加了动态隔离参数设置的灵活性，可满足不同开采条件、不同开采工艺采空区动态隔离参数的快速设计。
附图说明
图1为本发明中确定方法的流程示意图；
图2为本发明工作面岩层柱状图；
图3为本发明建立的PFC3D综放工作面开采模型；
图4为本发明的测量圆布置示意图；
图5为本发明模拟结果某一时期孔隙率分布结果；
图6为本发明隔离结构状态示意图；
图7为本发明模拟流场分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，如图 1所示的，其包括以下步骤：
步骤一：确定工作面导气裂隙带发育层位，划定出导气裂隙带以下岩层的层数N、导气裂隙带至工作面的高度H以及每个分岩层的厚度hn，工作面宽度W，煤厚M，现场测定工作面初次来压步距C1、周期来压步距C2，工作面供风量Q；
步骤二，设计模拟试验模型的相似比为L，利用颗粒流数值模拟软件建立综放工作面开采模型，设计模型尺寸的长：宽：高为2(C1+C2)·L：W·L：(H+m)·L，模型中岩层数量为N，以岩性宏观参数为标准，利用经验公式确定岩性细观参数；
步骤三，根据步骤二中所述的模拟试验模型尺寸以及步骤一中的岩层层数N和厚度hn，利用颗粒流数值模拟软件建立模型总尺寸、煤厚以及每个分岩层的厚度hn，确定每层模型中岩性的宏细观参数，自建立工作面开采模型煤层往上设置测量圆，测量圆的设置高度为导气裂隙带高度；
步骤四，按照工作面推进速度的几何相似比对工作面的分段开采过程，首次开挖至工作面初次来压，后继续模拟开挖，至工作面第一次周期来压，最后至整个模型开采完毕，将分阶段采空区后方测量圆测定参数导出；
步骤五，利用流体数值模拟软件建立与颗粒流数值模拟软件大小相同的采空区模型，将步骤D测定参数利用细化算法转变为孔隙率参数数据，将测点的空间位置及孔隙率参数数据导入到流体数值模拟软件中，得到包含三维孔隙率数据的采空区模型，设定模型模拟风量 Q·L，得到采空区后方流场分布规律；
步骤六，改变模型风流大小，得到不同工况下采空区后方流场分布规律；在流体数值模拟软件中，设置一定距离的非连续隔离墙体；
步骤七，改变模型通风量、隔离墙体参数，得到不同隔离参数下流场分布情况，进而确定采空区内流场最小的隔离墙体设置参数，并作为采空区动态隔离的最佳参数。
而且上述颗粒流数值模拟软件为PFC3D，流体数值模拟软件为FLUENT。
为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。
1、确定模型参数
比如某矿井下3308工作面长1230m，宽100m，现场测定得到工作面初次来压步距为36m左右，周期来压步距为20m左右。煤层自下往上顶板岩性为：J2粉砂岩3.5m、J3砂纸泥岩4.2m、J4细砂岩11.4m、J5粗砂岩5.9m、J6粉砂岩7.3m、J7细砂岩13.4m、J8中粒泥岩5.6m、J9粉砂岩12.3m、J10粗砂岩3.5m、J11细砂岩4.2m、J12粉砂岩2.6m、J13 泥岩2.2m，J14粉砂岩5m，J15泥岩12.3m，对中硬顶板岩层赋值：q＝0.7， cotδ'＝cotψ'＝0.577，经岩层拉伸率计算，其岩层拐点位置位于J9岩层(J9岩层层向拉伸率为0.27％，J10岩层为0.21％)，其导气裂隙带发育高度为69.6m。设计模型几何相似比为1:100，所以模型尺寸长宽高为12.3m、10m、7m。
2、依据模型参数建立颗粒流数值模拟模型及各岩层细观参数
利用颗粒流程序PFC3D建立数值模拟模型，设置每层的煤岩体物理力学参数，包括容重、弹性模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角等最终得到模型，如图2所示，为根据矿井的综合柱状图确定PFC3D综放开采模型，测量圆布置如图3所示。
3、得到采空区孔隙率分布空间数据
忽略沉积类岩体中的节理裂隙、显著的各向异性及工作面支护作用的影响，依据工作面的开采实际，模拟工作面开采全过程，采用分步开挖的方法单纯研究开挖过程中上覆岩层孔隙率变化规律，模拟结果分段保存，便于后续数据提取和处理。
3、提取孔隙率参数导入到流体数值模拟软件中
模拟完整个工作面开挖过程后，通过细化算法得到孔隙率时空分布数据，如图4所示，通过编译数据沟通程序，将模拟得到的孔隙率参数导入到流体数值模拟软件FLUENT中，其中流体软件FLUENT设定的采空区模型尺寸要和颗粒流数值模拟软件PFC3D的尺寸完全一致，这样两个软件之间可以实现互通，其中流体数值模拟软件中孔隙率参数的设置完全依据颗粒流模拟得到的结果。
4、改变流体数值模拟软件中采空区内参数多次模拟确定最佳设置参数
通过在FLUENT流体数值模拟软件采空区模型中设置非连续隔离墙体，得到不同参数下流体分布特征，非连续隔离墙体设置形式如图5所示，模型中隔离参数设置分别为每段隔离墙尺寸为0.08m(实际尺寸8m)，间距0.04m(实际尺寸4m)，前后排距为0.04m(实际尺寸4m)，得到隔离前后流体分布情况，改变隔离墙的长度和间距设置，主要在采空区进风侧、中部、回风侧设置3个测点，将采空区内流场分布最均匀、流场强度较小、氧化带宽度最小(氧气浓度在8～18％为界)作为最佳隔离参数。
作为本实施案例的补充，隔离结构可以持续工作面多个周期来压距离。
本发明技术方案与其他方法相比，本发明实现了真实开采条件下的采空区孔隙率获取，并编译了数据沟通程序与流体数值模拟软件互通，建立与真实条件相吻合的采空区数字模型，可有效用于采空区真实流场及其渗透特性的描述和模拟；实现的动态隔离参数确定，不需要进行大量的物理实验，大大降低了工程投入。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种用于高瓦斯易自燃采空区耦合灾害之动态隔离参数的确定方法，其包括以下步骤：
A、根据矿井工作面地质资料，确定工作面顶板岩性及综合柱状图，确定工作面导气裂隙带以下岩层的层数N、导气裂隙带至煤层顶板高度H以及每个岩层的厚度hn，工作面宽度W，煤厚m，现场测定结果得到工作面初次来压步距C1、周期来压步距C2、工作面供风量Q；
B、设计模拟试验模型的相似比为L，利用颗粒流数值模拟软件建立综放工作面开采模型，设计模型尺寸的长：宽：高为2(C1+C2)·L：W·L：(H+m)·L，模型中岩层数量为N，以岩性宏观参数为标准，利用经验公式确定岩性细观参数；
C、自建立工作面开采模型煤层往上设置测量圆，测量圆的设置高度为导气裂隙带高度；
D、按照工作面推进速度的几何相似比对工作面分段开采，首次开挖至工作面初次来压，后继续模拟开挖，至工作面第一次周期来压，最后至整个模型开采完毕，将分阶段采空区后方测量圆测定参数导出；
E、利用流体数值模拟软件建立与颗粒流数值模拟软件大小相同的采空区模型，将步骤D测定参数利用细化算法转变为孔隙率参数数据，将测点的空间位置及孔隙率参数数据导入到流体数值模拟软件中，得到包含三维孔隙率数据的采空区模型，设定模型模拟风量Q·L，得到采空区后方流场分布规律；
F、改变模型风流大小、在模型后方设置隔离墙体，得到不同工况下采空区后方流场分布规律，进而确定采空区内流场最小的隔离墙体设置参数，作为采空区之动态隔离参数；
步骤A中导气裂隙带高度的判定依据岩层拉伸变形率来计算，拉伸变形率ε计算公式为：
Figure FDA0003375960140000011
其中，岩层中性层至煤层的垂距为h，边界角δ0，充分采动角ψ，l0为岩层弯曲变形前的直线段长度，q为岩层下沉系数，ψ′＝δ0′＝(ψ+δ0)/2；
依据矿井综合柱状图，计算煤层上方各顶板岩层拉伸率，确定层向拉伸率突然变化拐点，该岩层及以下岩层为导气裂隙带，该岩层以上为弯曲下沉带。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，煤岩体的岩性细观参数确定方法为用颗粒流数值模拟软件建立标准煤岩试件，并采用巴西劈裂和单轴压缩方法模拟得到各岩层单轴抗压强度和抗拉强度，将所得结果与上述岩性宏观参数对比，保证误差在5％以内，验证岩性细观参数选择是否满足要求，若为不满足，则采用试错法重新选择岩性细观参数进行模拟，直至岩性细观参数与岩性宏观参数误差满足要求为止。
3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，隔离墙设置采用非连续设置方法，隔离墙体长度为隔离墙体之间间距的2倍，隔离墙采用从采空区一侧向另一侧设置方法，隔离墙体成排并相互平行。
4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，上述颗粒流数值模拟软件为PFC3D；流体数值模拟软件为FLUENT，风流参数包括瓦斯浓度与氧气浓度。
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