CN112685926A - 一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，包括：判断煤层开采上覆岩层的垮落方式；煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落时，通过相似模拟实验确定漏风量与周期来压之间的关系；通过数值模拟实验验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。本发明通过相似模拟实验及数值模拟实验，最终确定合理的漏风防治施工周期，使得浅埋煤层开采时漏风防治施工周期的确定不再盲目，为煤矿开采的安全性提供科学、合理的理论依据，确保了浅埋煤层漏风防治施工的科学性、实用性和合理性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开发技术领域，具体是涉及一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法。
背景技术
中国煤炭储量丰富，埋深不超过150m的煤层称为浅埋煤层，其中位于陕北神府侏罗纪煤田的诸多煤矿都是典型的浅埋煤层。在开采该类煤层时，由于基岩薄上覆岩层的运动演化具有一定的规律性，与其他煤层不同，浅埋煤层开采时会产生贯通地表裂隙，对地表植被等产生破坏，同时致使井下采空区漏风现象凸显，井下通风困难，对井下安全开采造成威胁，同时煤矿采空区漏风是致使采空区煤炭自燃的严重诱因之一。浅埋类煤层随着工作面的推进，采空区覆岩发生垮落，导水裂隙带将沟通上方覆盖的全部含水层并发育至地表。导水裂隙带是漏风的主要通道，而漏风造成采空区风量增加，氧气含量增多，致使工作面形成漏风。工作面出现漏风使采空区氧气浓度升高，遗煤接触氧气发生氧化反应产生的CO量增多，对工作面造成生产安全威胁。因此，进行上覆岩层裂隙发育及采空区漏风规律研究十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其通过相似模拟实验及数值模拟实验，最终确定合理的漏风防治施工周期，使得浅埋煤层开采时漏风防治施工周期的确定不再盲目，为煤矿开采的安全性提供科学、合理的理论依据，确保了浅埋煤层漏风防治施工的科学性、实用性和合理性。
为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，包括：
判断煤层开采上覆岩层的垮落方式；
煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落时，通过相似模拟实验确定漏风量与周期来压之间的关系；
通过数值模拟实验验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。
上述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述判断煤层开采上覆岩层的垮落方式的方法包括：
根据煤层柱状图，建立力学模型；
通过公式：
计算获取初始来压步距L12，其中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度。
通过公式：
计算获取周期来压步距Lτ，其中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度。
将计算的初始来压步距L12和周期来压步距Lτ与现场测试数据进行对比，如果计算的初始来压步距L12和周期来压步距Lτ与现场测试数据相同或相近似，则判断煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落。
上述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述相似模拟实验包括：
按照1：100的相似比建立模拟实验平台；
在距离模型右边界0.2m处开挖，模拟过程中，设置5.0m为一开挖步距；
实验进行过程中产生裂隙，通过亚克力板对两边及工作面进行密封，在导气漏风裂隙与亚克力板之间通过有机玻璃胶水进行局部密封处理；
释放示踪气体SF6；
通过检测示踪气体SF6确定漏风量与周期来压之间的关系，所述漏风量与周期来压之间的关系为漏风量在工作面推进2～3个周期来压处最大。
上述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述数值模拟实验包括：
通过ANSYS软件依据生产工作面技术条件，建立工作面及采空区多孔介质三维模型，
确定模型边界条件，通过ANSYS软件中Fluent进行模拟采空区压力、漏风流场、风速，分析模拟结果，验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过相似模拟实验及数值模拟实验，最终确定合理的漏风防治施工周期，使得浅埋煤层开采时漏风防治施工周期的确定不再盲目，为煤矿开采的安全性提供科学、合理的理论依据，确保了浅埋煤层漏风防治施工的科学性、实用性和合理性。
2、本发明通过对浅埋煤层开采结构模型进行力学分析研究，确定“全厚切落”的垮落方式，进一步对周期来压步距进行预测，为漏风防治施工周期的选取提供科学的、合理的理论依据。
3、本发明根据现有的流体力学理论和矿山压力理论，对不同地形的浅埋煤层开采过程中上覆岩层的裂隙进行力学分析研究，通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算及进行漏风规律演化还原，最终确定合理的漏风防治施工周期。
4、本发明通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算，最终推算得到合理的煤层开采初始来压步距和周期来压步距，且适用于不同地形。
下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明全厚切落力学模型图。
图2为本发明数值模拟结果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
为了更加合理和科学的安排浅埋煤层漏风防治施工，本发明提供了一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其包括以下步骤：
步骤一：判断煤层开采上覆岩层的垮落方式；
具体的包括：
101、根据煤层柱状图，确定工作面采高H，根据现场测试数据，记地表初始下沉h。由于位移过程中顶板厚松散层不发生膨胀，建立力学模型，如图1所示，根据公式
计算得出需填充采空区所需的顶板厚度。式中，b为所需顶板厚度、H为工作面采高、h为地表初始下沉、kp为岩层的碎胀系数。
根据煤层柱状图可知由于上覆岩层组成不同，由柱状图可将自煤层顶板至地表的所有岩层依次计算得到加权平均岩层碎胀系数kp，即
式中，kpi为第i层岩层的碎胀系数、hi为第i层岩层的高度。
由最大拉应力理论可知，采空区上方悬顶的危险断面位于岩梁两端上部和中央的下部，再根据最大剪应力理论，剪应力最大点在岩梁两端中性层处。悬顶两端上部拉应力破坏的极限垮距为L12，L12即为初始来压步距，
式中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度；通过计算可以得到初始来压步距L12。再将工作面中部顶板沿走向简化成受均布荷载和岩体自重作用的悬臂岩梁。根据最大拉应力理论，悬臂岩梁最大拉应力点在固支端上部，由弹性力学计算得周期来压步距Lτ为：
式中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度；通过计算可以获得周期来压步距Lτ。
通过不同位置的煤层综合柱状图，运用上式求得L12、Lτ，得到之后开采过程中不同位置的周期来压步距。
一般当始初来压步距、一次周期来压步距的实测值与计算值相差在0.5米～1米时，认为初始来压步距、一次周期来压步距的实测值与计算值相近似；根据现场测试数据，判断初始来压步距、一次周期来压步距，是否与上述计算结果相同或相近似，如果相同或相近似确定为全厚切落。
步骤二：煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落时，通过相似模拟实验确定漏风量与周期来压之间的关系；
根据煤矿煤层实际赋存尺寸及现有的钻孔综合柱状图，按照如表所示的材料配比、1：100的相似比建立模拟实验平台。
在距离模型右边界0.2m处开挖，模拟过程中，设置5.0m为一开挖步距，实验进行过程中产生裂隙，通过亚克力板对两边及工作面进行密封，在释放示踪气体SF6之前，在导气漏风裂隙与亚克力板之间通过有机玻璃胶水进行局部密封处理，其中，亚克力板与有机玻璃胶水物理力学性能如下表所示。
该模型中，设计通风方法与现场实践相同均为抽出式通风，采用抽风机进行模拟现场工程中的通风系统。根据以下计算公式计算出该模型大概所需要的总风量，然后根据计算结选择合适的风机进行抽风。模型需风量要按照以下的公式进行计算：
Q＝Q回*K0
式中：Q为总需风量、Q回为回采工作面的需风量、K0为漏风系数，K0为取1.15—1.25，本实施例中K0取1.25。按《煤矿安全规程》规定，回采工作面的最低风速是0.25m/s，最高风速是4m/s的要求进行计算。回采工作面的风量计算公式是：
Q回＝A回*V回
式中：Q回为回采工作面的需风量、A回为回采工作面的截面积、V回为回采工作面的风速，因此，回采工作面的风量须要满足下列要求：
A回*V回min≤Q回≤A回*V回max
该相似模拟实验模型按照1：100进行装配，现场回采工作面面积A回＝5*2.4因此：
0.05*0.024×0.25m3/s≤Q回≤0.05*0.024×4m3/s
即：0.0003m3/s≤Q回≤0.0048m3/s
即：0.018m3/min≤Q模拟≤0.288m3/min
根据以上的计算我们选取的LH-50S型号风机具体参数如表所示，
确定风机型号后，进风口接长度20cm、直径20mm的铝箔软管并插入工作面后方进行模拟通风系统，另一端排风口接长3m并一字排开，将风量排至距离实验模拟架子3m远，以防出风引起实验模拟现场流场的紊乱，造成实验结果的较大误差。通过试验测量数据发现在漏风量在工作面推进2-3个周期来压处最大。
步骤三：通过数值模拟实验验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。
再通过ANSYS软件中Fluent进行数值模拟，以现生产工作面技术条件为背景，采用计算流体力学方法，建立工作面及采空区多孔介质三维模型，模拟研究在平地区域采动时，采空区、工作面以及进回风巷的漏风情况。通过相似模拟研究表明，开采平地区域时，每推进大约10m发生一次周期来压，距工作面10m处发生一次回转下沉，上部覆岩发生全厚切落，并新产生一条导气裂隙。
故设置模型数据如下：进回风巷道断面为X×Y：5.0m×2.4m，工作面断面尺寸为Z×Y：5.0m×2.4m，采空区空间为X×Y×Z：50m×40m×50m。根据相似模拟实验结果，每隔10m设置一条裂隙带，取覆岩漏风裂缝为X×Y×Z：50m×40m×0.8m，在采空区0m≤Z≤25m区域粘滞阻力取5×106(1/m2)，在采空区25m≤Z≤50m区域粘滞阻力取5×107(1/m2)。
确定边界条件如下：根据现场数据设置工作面生产工作配风量Q0为900m3/min，因此，进风巷入口进风速度v＝Q0/S＝900/12/60＝1.25m/s，S为进风巷断面积。压力差值为950Pa。分别模拟出两种情况下采空区压力、漏风流场、风速。
如图2所示，通过数值模拟实验得出在封堵粘滞阻力在1×106(1/m2)时，封堵30～50m处的裂隙，采空区漏风防治效果并不明显，仍然对工作面生产安全造成威胁；当漏风裂缝封堵距离在20～50m时，采空区漏风风量发生显著变化，防治效果明显；当漏风裂缝封堵距离在10～50m时，采空区漏风量更少，但从施工角度来说，加大了劳动频率。因此确定采空区裂隙封堵最经济有效的施工周期为工作面推进时每发生三次周期来压，通过步骤二得到的周期来压步距进一步确定施工周期的距离。
因此，本发明根据现有的流体力学理论和矿山压力理论，对不同地形的浅埋煤层开采过程中上覆岩层的裂隙进行力学分析研究，通过实验和实测获得基本数据，然后进行合理的计算及进行漏风规律演化还原，最终确定合理的漏风防治施工周期，使得浅埋煤层开采时漏风防治施工周期的确定不再盲目，为煤矿开采的安全性提供科学、合理的理论依据，确保了浅埋煤层漏风防治施工的科学性、实用性和合理性。
以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，包括：
判断煤层开采上覆岩层的垮落方式；
煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落时，通过相似模拟实验确定漏风量与周期来压之间的关系；
通过数值模拟实验验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。
2.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述判断煤层开采上覆岩层的垮落方式的方法包括：
根据煤层柱状图，建立力学模型；
通过公式：
计算获取初始来压步距L12，其中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度；
通过公式：
计算获取周期来压步距Lτ，其中，γ1为厚松散层容重，γ2为基岩层容重，h1为厚松散层高度，h2为基岩层高度，σT为岩体层的单向抗拉强度，g为重力加速度；
将计算的初始来压步距L12和周期来压步距Lτ与现场测试数据进行对比，如果计算的初始来压步距L12和周期来压步距Lτ与现场测试数据相同或相近似，则判断煤层开采上覆岩层的垮落方式为全厚切落。
3.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述相似模拟实验包括：
按照1：100的相似比建立模拟实验平台；
在距离模型右边界0.2m处开挖，模拟过程中，设置5.0m为一开挖步距；
实验进行过程中产生裂隙，通过亚克力板对两边及工作面进行密封，在导气漏风裂隙与亚克力板之间通过有机玻璃胶水进行局部密封处理；
释放示踪气体SF6；
通过检测示踪气体SF6确定漏风量与周期来压之间的关系，所述漏风量与周期来压之间的关系为漏风量在工作面推进2-3个周期来压处最大。
4.按照权利要求1所述的一种浅埋煤层防治漏风工程的施工周期判别方法，其特征在于，所述数值模拟实验包括：
通过ANSYS软件依据生产工作面技术条件，建立工作面及采空区多孔介质三维模型，
确定模型边界条件，通过ANSYS软件中Fluent进行模拟采空区压力、漏风流场、风速，分析模拟结果，验证相似模拟实验确定的漏风量与周期来压之间的关系并确定防治漏风工程的施工周期。
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