CN201228557Y

CN201228557Y - 综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置

Info

Publication number: CN201228557Y
Application number: CNU2007201772298U
Authority: CN
Inventors: 李化敏; 苏承东; 宋常胜
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2017-10-30

Abstract

本实用新型涉及综采工作面周期来压坚硬顶板跨落的过程中采空区瓦斯涌出规律的研究。研制一套在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟试验装置。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。该模拟试验装置主要包括综采工作面系统单元I、模拟老顶跨落岩块单元II、瓦斯输入系统单元III，瓦斯监测系统单元IV、煤层倾角调节装置单元V和通风控制调节单元VI部分组成。综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置，是在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟的试验装置。能够模拟不同地质条件下老顶垮落形成周期来压过程对采场瓦斯涌出的影响规律。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。

Description

综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装置

技术领域：

本发明涉及综采工作面周期来压坚硬顶板跨落的过程中采空区瓦斯涌出规律的研究。研制一套在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟的试验装置。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。该模拟试验装置主要包括综采工作面系统单元I、模拟老顶跨落岩块单元II、瓦斯输入系统单元III，瓦斯监测系统单元IV、煤层倾角调节装置单元V和通风控制调节单元VI部分组成。

背景技术：

随着目前煤矿开采深度的逐年增加，煤矿的自然灾害更加突出，尤其煤矿井下采煤工作面的瓦斯涌出对工作面安全生产造成严重威胁。而工作面的瓦斯涌出与诸多因素有关，其中煤层厚度，煤体坚硬程度、裂隙发育程度，裂隙的方向，裂隙的连通程度、煤体的应力状态，采空区瓦斯聚集程度、瓦斯压力、直接顶、老顶坚硬程度、老顶活动规律以及回采工艺等因素有关，使得研究煤矿井下采煤工作面瓦斯运移与煤层顶板的活动状态的规律研究变得十分复杂。在煤矿采煤工作面生产过程中，随着工作面的向前推进，工作面前方煤体以及上方顶板的应力逐渐增加，一旦应力超过老顶的极限跨度后断裂，且这种现象呈现周期性变化，周期来压期间工作面前方煤体压力增大，煤体内部裂隙增多，工作面煤壁片帮加剧，支架压力增大，工作面采空区上方直接顶老顶垮落后，充填原来的采空区空间，使原来聚集在采空区的瓦斯被压出，造成工作面瓦斯浓度增大，对综采工作面的安全生产造成严重威胁。根据煤矿井下综采工作面初次来压和周期来压期间的资料统计，工作面的瓦斯浓度明显增加，严重时造成工作面停产。因而对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出规律需要进行仔细研究，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。由于煤矿井下综采工作面生产条件的限制和现有的测试手段的不完善，对上述诸多因素难以进行仔细的考虑。使得工作面瓦斯变化与周期来压采空区瓦斯压出的关系很难在现场监测到，而实验室相似模拟试验可人为控制和改变试验条件，从而可确定周期来压时不同条件等因素变化对工作面瓦斯浓度变化的影响规律。相似模拟试验效果清楚直观，试验周期短、见效快，并且可以多次重复试验，因此，采用相似模拟试验的方法，使模型与原形之间做到在几何、运动、动力、边界条件和重要的物理力学参数相似，研究不同条件下的周期来压与工作面瓦斯变化的规律可行。根据目前现有资料查询没有发现在室内进行相关似类的模拟试验装置。因此，有必要研制一套在室内对综采工作面周期来压顶板跨落的过程中采空区瓦斯被压出过程进行模拟的试验装置。寻求煤矿井下综采工作面周期来压时老顶跨落过程中采空区瓦斯涌出的运移规律，为煤矿井下综采工作面的安全生产管理提供科学依据。

发明内容：

综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的相似模拟装置主要包括综采工作面系统单元I、模拟老顶跨落岩块单元II、瓦斯输入系统单元III，瓦斯监测系统单元IV和煤层倾角调节装置单元V和通风控制调节单元VI部分组成。各系统的组成以及相应的工作原理：

综采工作面系统单元I：以煤矿井下综采工作面尺寸为依据按照几何相似比设计的，基本元件有：综采工作面试验台、综采工作面10、进风巷11、回风巷12和采空区空腔23。试验装置安置在的试验台上，可以通过调整试验台的倾斜角度机构4以模拟煤层倾角的变化。该系统单元I要求密封性好，除进风巷11进气口和回风巷12的抽风机口与外界相通。进风巷11、回风巷12、工作面10空腔均采用薄钢片焊接，采空区空腔23采用透明有机玻璃板粘合而成。系统采用抽出式通风，回风巷12出口安装了抽风机15，抽风机的出口安置了可以转动的风量调节装置17以用来调节风量大小。

模拟老顶跨落岩块单元II：采用8块相互独立的箱体来模拟老顶岩块，通过拉杆7将活塞22提起，连动机构6固定在箱体上部。试验时激发连动机构6可使活塞在弹簧21恢复作用下迅速落下，8块模拟块可以任意进行组合来模拟不同范围的采空区顶板岩块垮落，对采空区瓦斯的扰动。

瓦斯输入系统单元III：由于高纯度的瓦斯气价格昂贵，运输困难，使用危险性大，因此进行模拟试验时采用民用煤气代替瓦斯，该单元主要由煤气罐1，减压阀2、煤气管24、支路控制开关3组成，通过调节减压阀2和支路控制开关3，为工作面采空区提供持续的煤气。

瓦斯监测系统单元IV：该单元主要由瓦斯传感器14、瓦斯检测表9和回风巷12密闭闸门13组成，在综采工作面系统单元I的工作面10的上隅角、下隅角、采空区底板中部以及回风巷12顶板分别安设4个瓦斯传感器14，分别用来监测采空区上方模拟岩块垮落前后采空区23以及回风巷12瓦斯浓度的变化规律。

煤层倾角调节装置单元V：该单元将综采工作面系统单元I安装在底座两侧安装倾角调节装置4，试验时通过装置两侧倾角调节机构4改变试验台的倾角，可以在0～30范围内任意调节，从而满足不同倾角煤层的试验要求。

通风控制调节单元VI：该单元主要由抽出式凤机15、扩散器16、可调节风窗装置17和电源开关20组成。

设计关键技术：

1、采空区顶板岩块模拟垮落单元III

对于综采工作面而言，随着煤层的采出工作面的不断推进，工作面前后方老顶的内外大小结构不断发生着变化，其变化的核心是以开采过程中(支承)压力的不断转移为轴线进行演化的，在初次断裂发生后，悬露的断岩将做迴转、下沉运动，形成工作面的初次来压。顶板初次断裂后，随着进一步推采，坚硬顶板的悬露长度不断增加，内应力场逐渐收缩，外应力场不断增加，当其应力大于抗拉强度时，岩层将断裂并迴转下沉，形成周期来压。

本模拟装置采用8个相互独立的箱体来模拟老顶岩块，通过拉杆7将活塞提起，连动机构6固定箱体上部，试验时启动连动机构6使活塞在弹簧7恢复作用下迅速跨落，来达到模拟采空区老顶岩块垮落的目的。根据综采工作面的长度和老顶岩性的不同，8块模拟块可以任意进行组合来模拟不同范围的采空区顶板岩块垮落，从而满足模拟不同地质条件下老顶垮落形成周期来压过程对采场瓦斯的影响规律。

2、瓦斯变化监测系统单元IV

综采工作面周期来压过程中，老顶岩层活动加剧，顶板垮落对采空区内瓦斯流场产生扰动，垮落产生的冲击波使采空区的瓦斯迅速向工作面压出，工作面瓦斯浓度增大，使工作面10的上隅角、回风巷12等的瓦斯浓度超限。因此，采空区老顶顶板垮落期间对工作面10安全生产有重要的影响。

在试验装置中工作面10的上隅角、下隅角、采空区空腔23和回风巷12顶板分别安设了瓦斯传感器。由于高纯度的瓦斯价格昂贵，运输困难，试验危险性大。本系统使用民用煤气罐1来代替瓦斯罐，使用效果良好。根据相似模拟试验的运动相似原理，采空区老顶垮落和瓦斯涌出将会在极短时间内完成，目前瓦斯传感器反应元件(传感器14)的反应时间在15-20s。在回风巷12的瓦斯传感器14很难捕捉到这个过程中的瓦斯浓度变化的峰值，因此在回风巷12中增加了2个密闭闸门13，用来阻隔风流，瓦斯传感器布置在两道闸门13之间，使得瓦斯传感器14能够有足够反应时间捕捉到顶板垮落前后瓦斯浓度的变化。

3、煤层倾角调节装置单元V

为满足不同煤层赋存倾角老顶跨落对工作面10采空区空腔23瓦斯的影响，在模拟装置底座18两侧安装倾角调节装置4，试验时通过装置两侧倾角调节机构4改变工作面的倾角，可以在0～30范围内任意调节，从而满足不同倾角煤层的试验要求。

4、抽出式风机的调节风窗单元VI

根据现场矿井通风方式为抽出式负压通风方式，因此，为模拟装置的通风系统也选定抽出式风机，依据相似理论对通风风量、风速进行运动相似计算，设计出配合风机使用的调节风窗，对综采工作面出风流进行风量调节和控制。

附图说明：

图1是综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装的组装主视图。

图2是综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装的组装侧视图。

图3是综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的模拟试验装的组装俯视图。

图4是模拟岩块机构的组装主视图。

图5是模拟岩块机构的组装侧视图。

图6是模拟岩块机构的组装俯视图。

图1、图2和图3中1.煤气罐，2.减压阀，3.支路控制开关，4.半圆形调节装置，5.岩块模拟箱体，6.连动机构，7.提升拉杆，8.拉环，9.瓦斯监测仪，10.综采工作面，11.进凤巷，12.回凤巷，13.密封闸门，14瓦斯传感器，15.抽出式凤机，16.扩散器、17.可调节风窗，18.底座18，19.定位孔，20.控制开关，23.采空区，24.煤气管路。

图3、图4和图5中5.岩块模拟箱体，6.连动机构，7.提升拉杆，8.拉环，21.复位弹簧，22.活塞，23.采空区。

实施方式：

采用综采工作面周期来压采空区瓦斯涌出的相似模拟装置进行试验的具体实施方法是：

1、整个系统检验

为保证试验正常进行，对模拟装置整个系统按照试验要求进行安装调试，对整个系统进行了全面检查，主要是模拟岩块垮落箱体的可靠性，瓦斯传感器，瓦斯监测仪的校核以及模拟试验装置密封情况。

(1)在安装瓦斯传感器(14)前，使用标准浓度的瓦斯对传感器(14)和瓦斯监测仪(9)进行标定。

(2)模拟岩块活塞(22)垮落的可靠性检查。采用手提的方法将8个模拟岩块箱体活塞(22)提起，用连动机构(6)固定，手动激发连动机构使模拟岩块箱体弹簧(21)复位作用下，迅速落下来达到模拟采空区老顶岩块活塞(22)垮落，查看模拟岩块箱体的垮落情况。

(3)检验试验装置的密封情况。将进风口(11)和出风口(12)堵严，然后将煤气缓慢注入采空区(23)，检查工作面(10)、采空区(5)、回风巷(12)瓦斯浓度的变化情况，，如果各瓦斯监测仪显示浓度在10分钟内的浓度基本稳定，说明整个系统密封性良好。

经过上述各项检验后，该装置满足相似模拟试验的要求，可以按照试验设计方案进行试验。

2、模拟试验步骤

第一步，制订详细的试验安全措施，根据试验方案设计，调整综采工作面倾斜角度，将模拟岩块(22)通过拉环(8)，拉杆(7)提起，用连动机构(6)固定在箱体上部。

第二步，接通电源，开启电源开关(20)启动抽风机(15)，通过风机前端调节凤窗(17)对风量进行调节。

第三步，缓缓开启煤气罐(1)的减压阀(2)，打开各支路控制开关(3)，将煤气注入采空区(23)。

第四步，整个系统正常稳定工作后，工作面采空区(23)、上隅角、下隅角和回风巷(11)中瓦斯浓度基本稳定后，并记录瓦斯初始浓度。

第五步，激发连动机构(6)使岩块模拟活塞(2)2迅速落下将采空区(23)积聚瓦斯压出，在给定的时间间隔后，关闭回风巷(12)的密封闸门(13)，同时关闭抽风机(15)的电源开关(20)、煤气罐(1)的减压阀(2)以及各支路控制开关(3)，观察瓦斯监测仪(14)瓦斯浓度变化，记录瓦斯浓度的最大值。

第六步，回风巷(12)的瓦斯监测仪(9)瓦斯浓度基本稳定后，记录将此时的瓦斯监测仪(9)浓度数据，作为坚硬顶板垮落瓦斯浓度变化最大值。

第七步，改变工作面瓦斯浓度、风量、风速、老顶跨落范围、煤层倾角以及关闭密闭闸门时间等条件，对不同组合条件下进行大量重复试验。

第八步，对试验数据进行统计分析，寻找综采工作面老顶垮落对工作面采空区瓦斯压出的影响规律。

Claims

1一种综采工作面坚周期来压采空区瓦斯涌出的模试验装置，在该试验装置中，瓦斯输入系统单元III、模拟老顶跨落岩块单元II、综采工作面系统单元I、瓦斯监测系统单元IV、通风控制调节单元VI和煤层倾角调节装置单元V顺序连接，其特征是，瓦斯检测传感器分别安装在综采工作面系统单元4个位置，另外一端与瓦斯检测器连接。

2如权利要求1所述模拟试验装置，其特征是：老顶跨落岩块单元II采用8个彼此独立箱体位于工作面后方采空区上部模拟老顶岩块，每个箱体内的活塞(22)由各自拉杆(7)可以提起由连动机构(6)固定于箱体上部，启动连动机构(6)，活塞(22)在弹簧(21)复位弹簧(21)作用下迅速落下来达到模拟采空区老顶岩块垮落。

3如权利1所述模拟试验装置，其特征是：在工作面(10)上隅角、下隅角、空区底板和回风巷(12)顶板分别安设了4个瓦斯传感器(14)，在回风巷(12)中设置了2个密闭闸门(13)，用来阻隔风流，瓦斯传感器(14)布置在两道闸门之间。

4如权利1所述的模拟试验装置，其特征是：在回风巷(12)末端安装抽出式风机(15)，端部设置了调节风窗(17)。

5如权利1所述的模拟试验装置，其特征是：与综采工作面系统单元I连接煤层倾角调整机构(4)。