CN114382527A - 高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提出高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法，首先通过离散元模拟软件构建煤系地层数值模型，模拟回采工作面推进过程中上覆岩层裂隙密集发育的区域范围；然后运用分源预测法测算回采煤层的瓦斯涌出规律；进而构建高、低位巷流场数学模型和三维物理模型，模拟分析不同负压、垂距和平距条件下高、低位巷瓦斯抽采效果，确定高、低位巷合理的协同抽采技术参数，据此布置瓦斯抽采系统并实时监测工作面上隅角及回风流瓦斯浓度。通过本发明的实施，能够有效拦截高瓦斯煤层群回采工作面回采时邻近层及采空区的高浓度瓦斯，解决了高瓦斯煤层群开采工作面瓦斯超限的问题。
Description
技术领域
本发明专利涉及瓦斯抽采技术领域，具体涉及高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法。
背景技术
随着经济的快速可持续发展，对煤炭的需求量也越来越大，因此我国煤炭的开采强度及开采深度在持续加大。由于深部煤岩体具有高地应力、高温、高瓦斯压力及低渗透性等特点，使得煤与瓦斯突出灾害日趋严重，已经成为了制约煤矿安全高效生产的主要问题之一。如何高效的治理复杂地质条件下高瓦斯煤层群的瓦斯问题，成为了当务之急。
巷道瓦斯抽采方法是目前我国使用最普遍、瓦斯治理效果最好的抽采方法之一。对于高瓦斯煤层群，国内目前最常用的方法是采用高位巷抽采回采工作面与裂隙带的卸压瓦斯。其原理是，预先在覆岩裂隙带的层位内施工一条用于瓦斯抽采的专用巷道，当回采工作面回采时，邻近层及采空区的高浓度瓦斯在抽采负压的作用下沿裂隙进入高位巷中，进而排出。但是此方法也有不足之处，对于高瓦斯煤层群开采，当其主采煤层上部同时赋存有多个富含瓦斯的不可采煤层时，仅采用一条高位巷并不能完全解决回采工作面瓦斯超限的问题。因此如何利用巷道瓦斯抽采方法高效抽采高瓦斯煤层群瓦斯，解决回采工作面瓦斯超限的问题，仍然是摆在现场工程技术人员面前的一道难题。
发明内容
针对目前现有的巷道瓦斯抽采方法难以较好的解决高瓦斯煤层群瓦斯抽采的问题，本发明提出了高瓦斯煤层群高、低位巷道协同抽采瓦斯技术方法。
为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提出了一种高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法，包括以下几个步骤：
S1根据煤层地质条件，采用离散元模拟软件，建立煤系地层数值模型，模拟不同回采距离下的采动裂隙场时空演化规律，分析回采工作面推进过程中上覆岩层垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的发育规律及区域范围，得到上覆岩层裂隙密集发育的位置。
进一步地，在步骤S1中建立数值模型模拟获得上覆岩层垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的发育规律及区域范围，包括如下步骤：
S11根据煤层地质条件和开采条件，得到回采工作面走向长度、倾向长度、煤岩层层位关系、厚度以及力学性质(密度、杨氏模量、泊松比等)，通过内置命令建立块体模型，并对块体模型的力学参数(密度、杨氏模量、泊松比等)赋值，划分网格，形成数值模拟物理模型；
S12根据煤系地层的实际埋藏深度埋深，计算各层煤岩层所受的垂向应力和水平应力，进而在数值模拟物理模型的顶部和侧部设置对应的应力约束条件；在数值模拟物理模型的顶部、顶部和侧部设置位移约束条件；
S13结合矿井实际开采进度，模拟不同回采距离下采动裂隙场时空演化规律，分析回采工作面推进过程中上覆岩层垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的发育规律及区域范围，得到上覆岩层裂隙密集发育的位置。
S2查阅矿井资料，获得回采工作面的开采长度、煤厚、煤层瓦斯含量、采高等实际数据，采用分源预测法，分别测算本煤层工作面瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量、临近层瓦斯涌出量及围岩瓦斯涌出量，进而得到该煤层的瓦斯涌出规律，为后续合理布置高、低位巷道提供基础条件。
S3根据上覆岩层裂隙密集发育的位置及煤层瓦斯涌出规律，结合现场实际情况，采用流体模拟软件，构建流场数学模型以及三维物理模型。模拟分析不同负压、垂距和平距条件下高、低位巷瓦斯抽采效果，确定高、低位巷合理的协同抽采技术参数。
进一步地，在步骤S3中的确定高、低位巷合理的协同抽采技术参数，包括如下步骤：
S31选择流体模拟软件自带的连续性方程模型、能量守恒方程模型、组分运输方程模型，构建流场数学模型；
S32根据第S1步得到的上覆岩层裂隙密集发育的位置，结合采空区、工作面、进风巷、回风巷、高位巷、低位巷实际尺寸，采用建模软件建立流场三维物理模型，并进行网格划分；
S33依据第S31步建立的流场数学模型，结合第S2步得到的煤层瓦斯涌出规律，对流场三维物理模型进行赋值，设置各个方向的粘性阻力系数、惯性阻力系数以及空隙率，并固定物理模型的入口边界条件、出口边界条件以及壁面边界条件；
S34采用控制变量法不断改变高位巷与低位巷的负压、垂距和平距的大小，模拟不同条件下高、低位巷的瓦斯抽采效果，对比分析获得高、低位巷合理的协同抽采技术参数。
S4根据第S3步确定的高、低位巷抽采技术参数，确定高、低位巷施工方案并进行施工。
S5高、低位巷施工完毕后布置瓦斯抽采系统，对采空区与覆岩裂隙中的瓦斯进行抽采，并实时监测工作面上隅角及回风流瓦斯浓度，分析高、低位巷的协同抽采技术效果，后续可根据分析结果进一步优化其技术参数。
由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：
(1)该方法能精准测算高、低位巷道合理的协同抽采技术参数，进而对高瓦斯煤层群高、低位巷进行合理布置。
(2)该方法能够有效拦截高瓦斯煤层群回采工作面回采时邻近层及采空区的高浓度瓦斯，提高了原始巷道瓦斯抽采方法的抽采效率，改善了以往巷道抽采方法仅布置一条高位巷的缺陷，有效解决了高瓦斯煤层群开采时一条高位巷不能完全解决回采工作面瓦斯超限的问题，保障了回采工作面安全高效的开采。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明地一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高、低位巷倾向平面位置示意图；
图2为高、低位巷走向平面位置示意图；
图示标记：1、进风巷；2、回风巷；3、低位巷；4、高位巷；5、弯曲下沉带；6、裂隙带；7、垮落带；8、底板岩层；9、煤层；10、泥岩；11、粉砂岩；12、砂质泥岩。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
本发明提供了如下的技术方案：一种高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法，包括以下几个步骤：
S1根据煤层地质条件，采用离散元模拟软件，建立煤系地层数值模型，模拟不同回采距离下的采动裂隙场时空演化规律，分析回采工作面推进过程中上覆岩层垮落带7、裂隙带6和弯曲下沉带5的发育规律及区域范围，得到上覆岩层裂隙密集发育的位置。
进一步地，在步骤S1中建立数值模型模拟获得上覆岩层垮落带7、裂隙带6和弯曲下沉带5的发育规律及区域范围，包括如下步骤：
S11根据煤层地质条件和开采条件，得到回采工作面走向长度、倾向长度、煤岩层层位关系、厚度以及力学性质(密度、杨氏模量、泊松比等)，通过内置命令建立块体模型，并对块体模型的力学参数(密度、杨氏模量、泊松比等)赋值，划分网格，形成数值模拟物理模型；
S12根据煤系地层的实际埋藏深度埋深，计算各层煤岩层所受的垂向应力和水平应力，进而在数值模拟物理模型的顶部和侧部设置对应的应力约束条件；在数值模拟物理模型的顶部、顶部和侧部设置位移约束条件；
S13结合矿井实际开采进度，模拟不同回采距离下采动裂隙场时空演化规律，分析回采工作面推进过程中上覆岩层垮落带7、裂隙带6和弯曲下沉带5的发育规律及区域范围，得到上覆岩层裂隙密集发育的位置。
S2查阅矿井资料，获得回采工作面的开采长度、煤厚、煤层瓦斯含量、采高等实际数据，采用分源预测法，分别测算本煤层工作面瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量、临近层瓦斯涌出量及围岩瓦斯涌出量，进而得到该煤层的瓦斯涌出规律，为后续合理布置高、低位巷道提供基础条件。
S3根据掌握的上覆岩层裂隙密集发育的位置及煤层瓦斯涌出规律，确定高、低位巷道布置区域内错于回风巷2，其中低位抽采巷3布置在垮落带7上部到裂隙带6中下部位置，高位抽采巷4，布置在裂隙带6位置区域内。进而结合现场实际情况，采用流体模拟软件，构建流场数学模型以及三维物理模型。模拟分析不同负压、垂距和平距条件下高、低位巷瓦斯抽采效果，确定高、低位巷合理的抽采技术参数。
进一步地，在步骤S3中的确定高、低位巷合理的抽采技术参数，包括如下步骤：
S31选择流体模拟软件自带的连续性方程模型、能量守恒方程模型、组分运输方程模型，构建流场数学模型；
S32根据第S1步得到的上覆岩层裂隙密集发育的位置，并结合采空区、工作面、进风巷1、回风巷2、高位巷4、低位巷3实际尺寸，采用建模软件建立流场三维物理模型，并进行网格划分；
S33依据第S31步建立的流场数学模型，结合第S2步得到的煤层瓦斯涌出规律，对流场三维物理模型进行赋值，设置各个方向的粘性阻力系数、惯性阻力系数以及空隙率，并固定物理模型的入口边界条件、出口边界条件以及壁面边界条件；
S34采用控制变量法不断改变高位巷4与低位巷3的负压、垂距和平距的大小，模拟不同条件下高、低位巷的瓦斯抽采效果，对比分析获得高、低位巷合理的协同抽采技术参数，即确定高、低位巷合理抽采负压，高位巷合理垂距H2、高位巷合理平距L2，低位巷合理垂距H1、低位巷合理平距L1。
S4根据第S3步确定的高、低位巷抽采技术参数，确定高、低位巷施工方案并进行施工，施工效果如图1、图2所示。
S5高、低位巷施工完毕后布置瓦斯抽采系统，对采空区与覆岩裂隙中的瓦斯进行抽采，并实时监测工作面上隅角及回风流瓦斯浓度，分析高、低位巷的协同抽采技术效果，后续可根据分析结果进一步优化其技术参数。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (3)
1.高瓦斯煤层群高、低位巷协同抽采瓦斯技术方法，其特征在于：首先通过离散元模拟软件模拟获得上覆岩层裂隙密集发育的区域范围；其次运用分源预测法测算回采煤层的瓦斯涌出规律；进而构建高、低位巷流场数学模型和三维物理模型，模拟分析不同负压、垂距和平距条件下高、低位巷瓦斯抽采效果，确定高、低位巷合理的协同抽采技术参数，据此布置瓦斯抽采系统并实时监测工作面上隅角及回风流瓦斯浓度。
2.根据权利要求1所述的模拟获得上覆岩层裂隙密集发育的区域范围，其特征在于，首先运用离散元模拟软件，根据煤层地质条件和开采条件，通过内置命令建立块体模型；其次对块体模型进行力学参数赋值，划分网格，形成数值模拟物理模型；然后根据煤系地层的实际埋藏深度埋深，对数值模拟物理模型设置对应的应力约束条件和位移约束条件；而后结合矿井实际开采进度，模拟不同回采距离下采动裂隙场时空演化规律，得到上覆岩层裂隙密集发育的位置。
3.根据权利要求1中所述构建高、低位巷流场数学模型和三维物理模型，其特征在于，首先选择流体模拟软件中连续性方程模型、能量守恒方程模型、组分运输方程模型，构建流场数学模型；其次根据得到的上覆岩层裂隙密集发育的位置，结合现场施工的实际尺寸，采用建模软件建立流场三维物理模型，并进行网格划分；然后结合流场数学模型、煤层瓦斯涌出规律，对流场三维物理模型进行流体参数赋值以及固定边界条件；而后采用控制变量法不断改变高位巷与低位巷的负压、垂距和平距的大小，模拟不同条件下高、低位巷的瓦斯抽采效果，对比分析获得高、低位巷合理的协同抽采技术参数。
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