赋存及运移规律（精选8篇）
赋存及运移规律 篇1
前言:矿山在开展矿区深边部的新一轮地质找矿工作中, 采用坑探、钻探结合的探矿方法, 在探索隐伏矿脉、侧伏矿脉和断层错失矿脉等方面积累了大量实践经验和资料, 并进行了成矿规律的研究, 由此选准了探矿目标, 从而取得了较好的地质探矿效果。
1 矿区勘探简史及生产概况
矿区是地质勘探在区域构造控矿范围内运用等距离控矿构造理论进行找矿预测并获得成功的一个典型范例。矿床成因类型属岩浆期后气化高温热液矿床, 工业类型为石英大脉型钨--钼矿床。开展普查评价工作, 地表部分地段进行了槽探揭露。首先在该区440m标高地段自筹资金、自行设计进行探矿和开拓, 在该矿区中组矿脉带 (即石头窝矿组) 共开拓6个中段, 其中493、440、390、340等4个中段已基本开采完毕, 290、240中段处在回采之中, 290中段为主要回采中段, 190中段正在开拓和探矿。
2 矿区地质概况
2.1 地层:
矿区地层由一套中厚层状的中一上寒武统浅变质砂岩夹薄层板岩组成, 岩层走向为NNE, 倾向为SE, 倾角为50°~80°之间。由于多次构造运动的影响和岩浆的侵入, 使地层均遭受不同程度的区域变质和热变质。井下常见到黑云母角岩、角岩化砂岩、板岩及斑点状板岩等。
2.2 岩浆岩:
花岗岩隐伏于矿区深部360m标高以下, 呈岩株状产出。隐伏岩体顶部出现两个凸峰, 一个凸峰出现在中组矿脉的2号勘探线V5、V9矿脉之间, 矿脉走向垂直于岩体轴向;另一个凸峰在南组矿脉的8号勘探线附近, 矿脉走向与岩体轴向一致。在岩体上部的变质砂岩中常见有20~80m不等的细晶岩脉和白岗岩脉, 在440中段的南边有一条宽80cm、长250m的白岗岩脉, 经取样化验, 其钼含量达到了工业开采品位。
2.3 构造:
区内由一系列次级背斜和向斜组成 (图1) 。由于多期次构造运动的影响, 使地层强烈褶皱, 多形成紧密线状褶皱, 轴向为NNE15°~25°之间。矿区断裂构造主要发育两组, 一组为近EW向, 另一组为NE和NNE向。它们的联合或复合、迁就部位控制着黑云母花岗岩体的侵入和成矿裂隙的展布。成矿后的断裂规模不大, 错位较小。因此, 对矿床开采影响不大。
2.4 矿体
2.4.1矿体分布、形态、产状及规模:矿体以脉状产出, 严格受断裂控制。按矿脉分布情况, 全区可分为南组、中组和北组矿脉带, 三组矿脉带呈侧幕式分布 (见图1) 。其中石头窝矿组 (即中组矿脉带) 是目前矿区主要生产区段, 矿脉延长、延深稳定, 属内、外接触带矿体。长排矿组 (即北组矿脉带) 因矿脉条数少, 脉距大, 与中组矿脉带相距较远, 探矿条件差, 掘进成本高, 经钻探控制, 为一组外接触带矿体, 为此矿山决定暂不对其进行探矿, 仅作为今后探矿远景规划区。锡石埂矿组 (即南组矿脉带) 已探明为一组内接触带矿体, 是地质工作者根据矿区成矿地质规律而探获的一组盲矿体。
2.4.2矿石矿物成分、结构构造及矿化富集特征:矿石中已知矿物有26种, 其中黑钨矿、辉钼矿为矿区主要工业矿物, 白钨矿、锡石、自然铋、黄铜矿、铅锌矿等为副产矿物。在剖面上440中段以上, 矿石富含钨、钼、铋组分, 贫锡组分;在390中段以下, 矿石主要富含钨、锡、铋组分, 而贫钼组分。在平面上, 南部矿脉矿石组分是以钨、锡为主, 北部矿脉矿石组分是以钨、钼、铋为主。这表明, 本区成矿元素的矿化具有一定的分带规律。矿石主要以块状构造为主, 尚有浸染状、梳状、条带状、角砾状和少量的晶洞状构造出现。矿石结构主要有各种不同的自形晶结构和少量的交代、压碎结构。
3 据矿床赋存规律寻找矿体的成效
3.1 研究成矿规律、选择探矿目标。矿区前期探矿工程是根据原地质勘探资料进行的, 探矿重点以中组矿脉带为中心, 同时兼顾北部长排矿组和南部锡石埂矿组。因此, 在一段时期内, 矿山探矿主要集中在中组矿脉带中进行, 忽略了其他两个矿组的探矿工作。随着矿山开拓和探矿的不断进行, 整个矿区的各种地质现象和矿床的赋存规律不断被矿山地质工作者所认识。探明资料表明, 该区南组矿脉带在440中段6号勘探线以西共揭露6条矿脉, 但该组矿脉到390中段后仅剩一条矿脉, 并与中组矿脉带靠近, 其余矿脉逐渐尖灭。显然, 440中段所谓南组矿脉带往下已逐步归并到中组矿脉带中去了。那么, 南组矿脉带在340中段以下 (即黑云母花岗岩体内) 是否存在内接触带的矿体呢?矿山地质工作者依据现场地质探矿调查资料, 对矿区成矿规律进行了综合研究。
3.2 340中段2号勘探线中组矿脉带是黑云母花岗岩体出露凸峰的部位, 已探明岩体的轴向为SN向, 与中组 (V5、V9) 矿脉带走向垂直。上世纪90年代初, 矿区因建通风系统的需要, 在中组矿脉带2号勘探线处, 向南平巷掘进180m, 发现前一个岩体凸峰逐渐消失, 又出现另一个岩体凸峰 (见图2) 。∈2-3-中、上寒武统;1-黑云母花岗岩体;2-断层;3-矿脉及编号;4-勘探线编号
壁方向上见有2~5cm的具有成矿标志的小裂隙, 沿裂隙的两侧, 云英岩化非常强烈, 还出现50cm不等的云英岩化晶洞, 在晶洞内见到黑钨矿、辉钼矿和微量的硫化物矿物。依现场观察, 越向西部云英岩化越强烈, 含矿小裂隙也有变大的趋势, 意味着该含矿小裂隙向西会有变大的可能。
3.3 在340中段南部岩体凸峰部位相对应的上部即440中段2号勘探线处, 存在一条与矿体走向相一致的裂隙构造, 裂隙向下延深至黑云母花岗岩体的顶部, 向西延长逾600m, 倾向S, 倾角为68°左右。
该裂隙宽度为2O~60cm, 尖灭侧现频繁, 呈透镜状产出, 裂隙内的物质成分主要是由断层角砾和挤压破碎泥质所充填, 并在砾泥中见有石英碎块和含高锰质钨矿颗粒以及少量的黄铜矿、黄铁矿等硫化物。由此推测, 该组裂隙构造与下部黑云母花岗岩体有密切的时空关系, 在深部可能隐伏着一个矿源或含矿构造体系。
3.4 从成矿地质构造模式分析, 矿体在剖面上具有明显的斜列式形态特征和等距性、对称性规律, 据矿山地质工作者多年来在井下各个同标高部位上的观察分析, 发现矿脉在剖面上斜列规律主要表现为前列式, 即一组矿脉向下延深尖灭时, 在倾斜方向上则必然是另一组矿脉侧现的开始。如上部493中段北组V1、V2、V3矿脉, 随着深度的增加矿脉逐渐尖灭, 在相距不远的中组V4、V5、V9矿脉逐渐由小变大, 两组矿脉存在明显的侧列式现象 (见图3) 。∈2-3-中、上寒武统;1-巷道;2-矿体及编号;3-黑云母花岗岩。依据上述等距性和斜列对称性规律, 以及结合矿区南部地段的围岩蚀变、云英岩化和岩体凸峰部成矿等规律, 分析认为, 340中段以下南部岩体内已完全具备了内接触带成矿地质条件, 据此将该区段作为本矿区主要探矿目标。
3.5 实施探矿计划, 取得探矿效果:矿山地质人员在前人普查评价工作的基础上, 为准确了解和掌握矿区的各种地质现象, 矿体在平、剖面上的赋存状态以及矿物组合的富集规律, 进行过大量的现场调查和地表的复测工作。
结束语:矿脉组开展的生产地质探矿与综合地质研究, 得出南组矿脉带的下部岩体内存在内接触带矿体的结论。
摘要：矿区是地质勘探在区域构造控矿范围内运用等距离控矿构造理论进行找矿预测并获得成功的一个典型范例。本文结合工程实例论述地质找矿方法及成效。
关键词：成效,找矿预测,地质概况,矿区勘探
赋存及运移规律 篇2
大荔县地处渭河断陷盆地东部,潜水中氟含量较高,氟的赋存受水文,气候,地形地貌、地质背景、水文地质、水文地球化学等多种因素的制约,根据浅层地下水调查资料采用美国地质调查局的PHREEQC软件来研究地下水中氟赋存规律.该地区降雨量小,蒸发强烈,高氟水的成因可分为,蒸发浓缩型和溶滤富集型.岩性主要为黏土、亚黏土、细砂,孔隙小,富含氟的`矿物成分为地下水中高氟提供了丰富的物质来源.地下水水位埋深浅,包气带中毛细上升高度高,导水性差,多层交互含水层结构为高氟地下水提供了得天独厚的赋存条件.结合水文地球化学的作用,研究了氟与其主要络合离子的存在形式和组分浓度以及它们的矿物来源的溶解-沉淀情况,来揭示氟在地下水径流方向上的演化规律.
作 者：刘瑞平朱桦 杨炳超 赵阿宁 柯海玲 乔冈 LIU Rui-ping ZHU Hua YANG Bing-chao ZHAO A-ning KE Hai-Ling QIAO Gang 作者单位：刘瑞平,LIU Rui-ping(长安大学,陕西,西安,710054;西安地质矿产研究所,陕西,西安,710054)
朱桦,杨炳超,赵阿宁,柯海玲,乔冈,ZHU Hua,YANG Bing-chao,ZHAO A-ning,KE Hai-Ling,QIAO Gang(西安地质矿产研究所,陕西,西安,710054)
赋存及运移规律 篇3
潘三煤矿位于淮南煤田西北部, 是一座特大型现代化矿井。潘三井田定名煤层32层, 均属二叠系, 煤层总厚33.74m, 含煤系数4.5%, 可采煤层12层, 平均总厚24.24m, 其中13-1煤层为稳定煤层。煤层上硬下软, 呈粉末状或破碎状结构;构造裂隙发育, 层面滑动现象较为普遍;煤层强度较低, 其普氏硬度一般在0.3~0.7之间, 局部更小。本区第四纪覆盖巨厚, 一般达300~400m, 砂岩层的孔隙度与渗透率比较小。井田自三迭纪开始一直遭受剥蚀, 历经三迭、侏罗、白垩、第三纪漫长的暴露时期, 含煤地层被剥蚀严重, 煤层瓦斯风化作用强。
1 矿井地质条件对矿井瓦斯赋存的影响
1.1 断层、褶皱构造
1.1.1 断层的开放与封闭性对瓦斯赋存影响显著。
1.1.2 地质构造及组合对瓦斯赋存影响明显。褶曲类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响。封闭的背斜有利于瓦斯的储存, 是良好的储气构造或称圈闭构造。简单的向斜盆地构造, 其瓦斯排放条件往往是比较困难的。
1.1.3 重力滑动构造有利于瓦斯释放。逆冲推覆构造增加了煤层上覆岩层的厚度, 且挤压作用降低了岩层的透气性, 有利于瓦斯的保存。受区域构造应力作用影响, 11-2煤层形成与矿井其他煤层不同的构造发育规律。大构造形态控制小构造的发育形式, 即董岗郢向斜控制小断层的发育形式, 断层走向基本与向斜轴平行, 董岗郢向斜北翼以正断层为主, 且断层成组出现, 向斜南翼以逆断层为主, 离向斜轴部越近, 断层落差越小;11-2煤层中小型正断层多以层滑构造形式显现;煤层赋存正常段瓦斯含量很小, 但小断层附近往往出现瓦斯涌出异常, 小断层是瓦斯涌出异常和动力现象最显著的地质标志。
1.2 顶底板岩性
在煤系中除煤层内赋存瓦斯外, 煤层围岩孔隙、孔洞和裂隙之中也可能赋存一定量的瓦斯。在潘三矿区内砂岩与砂页岩互层厚度占煤系总厚的38%。根据主要煤层中砂岩样品测试结果, 砂岩砂页岩孔隙率与渗透率均比较小, 一般孔隙度小于5.0%, 渗透率小于1.0md。根据TN捷奥多维奇对岩层按渗透性分级标准, 属于非透气性的岩层, 所以有利于瓦斯的封闭和赋存。
1.3 岩浆岩分布
岩浆侵入含煤岩系、煤层, 使煤、岩层产生胀裂及压缩。岩浆的高温烘烤可使煤的变质程度升高。另外, 岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭, 有时因岩脉蚀变带裂隙增加, 造成风化作用加强, 逐渐形成裂隙通道。结合地质背景作具体分析, 本矿井内大部分区域瓦斯散逸可能性较大, 瓦斯含量一般较小。
1.4 煤层埋深及上覆基岩厚度
潘三矿区煤层向深部的延展较深较远, 由于深部瓦斯压力大, 煤层中的瓦斯缓慢地由深部向浅部移动, 浅部瓦斯从煤层露头逸散后, 可以得到来自深部瓦斯的补充, 始终保持相当的瓦斯量。本矿区-1000m水平以上瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大, 但深部的梯度比中部的梯度大。
1.5 岩溶陷落柱对瓦斯赋存的影响
本矿于2007年10月在西一8煤首采面的12318工作面揭露, 大小为75m×25m的近椭圆形陷落柱。根据揭露资料分析, 陷落柱内岩性破碎, 且有泥岩煤线等充填物, 未出现导气通道, 而避免引发瓦斯涌出现象。
2 瓦斯含量及其分布规律研究
本次利用各可采煤层合格瓦斯样点877个, 瓦斯含量小于5的点有391个, 大于5的点486个, 高点与低点相间分布, 规律性不强, 但董岗郢向斜轴附近瓦斯含量一般较高, 在向斜轴南翼也有分布有少量高点。这是因为煤层瓦斯含量的分布主要受地质构造、煤层埋藏深度 (即距基岩面深度) 以及煤层顶板盖层所控制。向斜轴部围岩压力大, 瓦斯不易散出, 向斜轴南翼煤层埋藏较深, 地层平缓, 上覆基岩厚度大, 无大断层发育, 瓦斯缺少运移通道, 因此瓦斯含量也较高。
本区各主要可采煤层瓦斯含量平均值均大于5m3/t·燃, 其中1、3煤层瓦斯含量高于其它煤层, 各主要可采煤层的瓦斯最大含量均在15m3/t·燃以上, 说明局部瓦斯含量较高。
本区瓦斯分布以董岗郢次级向斜轴为界可分为南、北两个瓦斯地质单元。其中向斜轴两侧瓦斯含量较高, 在远离向斜轴的两翼, 南翼瓦斯含量高于北翼。
南翼瓦斯地质单元:地层平缓, 煤岩层走向东部变化小, 靠近向斜轴部变化较大, 构造中等, 特别是浅部靠近向斜轴部及F39断层附近, 中小断层发育。
北翼瓦斯地质单元:地层倾角比南翼稍陡, 大中型断层多, 密度大, 孤立的小断层发育。
根据实测资料分析发现, 北翼瓦斯地质单元瓦斯含量与煤层埋深呈线性关系, 随煤层埋深增加瓦斯含量增大;南翼瓦斯分布无规律, 但从测试资料看, 南翼瓦斯含量比北翼偏高。
潘三矿煤层较松软, 呈粉末状或破碎状结构, 煤层内构造裂隙较发育, 层面滑动现象亦很明显, 因此, 煤层强度比较低, 其坚固性系数一般在0.3~0.7之间, 孔隙度与渗透率均比较小, 煤层透气性较低。
本区瓦斯含量高点与低点相间分布, 董岗郢向斜轴附近瓦斯含量一般较高, 在向斜轴南翼也有分布有少量高点。这是因为煤层瓦斯含量的分布主要受地质构造、煤层埋藏深度以及煤层顶板盖层所控制。向斜轴部围岩压力大, 瓦斯不易散出, 向斜轴南翼煤层埋藏较深, 地层平缓, 上覆基岩厚度大, 无大断层发育, 瓦斯缺少运移通道, 因此瓦斯含量也较高。
3 结束语
3.1 断层、褶皱构造影响符合一般规律, 重力滑动构造有利于瓦斯释放, 小断层附近瓦斯富集;研究区煤系地层岩性组合有利于瓦斯的封闭和赋存;矿井内大部分岩浆侵入煤层区域瓦斯散逸可能性较大;瓦斯含量随埋藏深度的增加而增大, 深部的梯度比中部的梯度大。
3.2 本区瓦斯分布以董岗郢次级向斜轴为界可分为南、北两个瓦斯地质单元。北翼瓦斯地质单元瓦斯含量与煤层埋深呈线性关系, 随煤层埋深增加瓦斯含量增大;南翼瓦斯分布无特别规律, 但南翼瓦斯含量普遍比北翼偏高。
参考文献
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赋存及运移规律 篇4
我国煤炭开采受灾害事故影响严重,在煤矿各类灾害事故中,又以瓦斯事故最为严重,属当今影响煤矿安全生产的头号杀手[1]。这使得加强对矿井瓦斯地质规律研究显得尤为重要,而煤层中瓦斯赋存规律的研究是矿井瓦斯研究中的重要一环[2]。瓦斯是煤在地质演化过程中形成的气体地质体[3],属地质成因。国内外生产实践及研究表明,煤层瓦斯赋存是不均衡的,具有分区分带性,且不同的煤田或井田影响瓦斯赋存的地质条件存在差异,瓦斯赋存的主控因素也不尽相同[4,5]。
笔者以桑树坪井田为研究对象,结合桑树坪井田的地质构造特征及瓦斯分布规律,分析了桑树坪井田3煤层瓦斯赋存的影响因素。桑树坪井田位于渭北煤田韩城矿区最北端,黄河西岸,距韩城市直距约35 km。井田含煤地层为石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系下统山西组和石盒子组,其中主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组。
1 地质概况
桑树坪井田位于韩城矿区北区,井田构造总体简单,是以伸展构造为主的构造变形区,基本构造形态为一走向NNE,倾向NWW,沿走向与倾向有波状起伏的单斜构造,地层倾角一般在8°。井田内主要构造为5条走向NWW的褶皱,在多期构造运动作用下多发育次级挠曲及层滑构造;井田内大型断裂构造不发育,但小断层发育,3煤层共揭露小断层63条,岩巷揭露断层31条。3煤层大量发育的小型构造是造成井田内构造复杂化、煤层厚度变化大的主要原因。
3煤层位于山西组中下部,煤厚1.08~19.17m,平均厚为6.46 m,为全区可采煤层。在走向上,3煤层厚度在矿区北部和南部相对较小,但变化幅度不大,煤厚比较稳定,矿区中部煤层厚度较大,变化也大;倾向上,特厚煤层主要分布在井田中部地区,浅部及深部煤层厚度又相对较薄,煤厚一般在7 m以下。直接顶多为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩,基本顶为砂质泥岩或中细砂岩;底板岩性多为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。煤质属瘦煤。
2 煤层瓦斯赋存规律分析
桑树坪井田自投产以来,历年瓦斯等级鉴定结果均为高瓦斯矿井,可见桑树坪井田受瓦斯灾害影响严重,其中3煤层属于具有严重突出危险性煤层,建矿以来发生煤与瓦斯突出动力现象共122次[6,7],全部位于3煤层,所以研究桑树坪井田3煤层瓦斯赋存规律意义重大。笔者通过收集分析地勘以来所测瓦斯含量以及采掘期间实测瓦斯含量等方法,选取3煤层内分布均匀并且数据可靠的瓦斯含量控制点22个,得到3煤层瓦斯含量和瓦斯压力具有以下分布规律。
(1)3煤层瓦斯含量最小值1.08 m3/t,最大值12.83 m3/t,平均值6.87 m3/t,瓦斯含量优势区间主要集中在4~10 m3/t,其中低瓦斯点占22.3%,中瓦斯点占67.7%,富瓦斯点占10%。从瓦斯含量等值线(图1)看出,沿煤层倾斜方向,随着煤层埋藏深度由浅而深,瓦斯含量总体呈逐渐增高的规律;在走向方向上,中部临近下峪口井田边界区及井田西北地区瓦斯含量较高,而东北及东南煤层露头附近区域瓦斯含量较小。
(2)3煤层作为该矿主采煤层,受瓦斯灾害影响较大,出于防灾预测及瓦斯抽放试验需要,在井下进行过多处瓦斯压力实测(表1)。本文在井田范围内均匀选择8个瓦斯压力实测点对3煤层进行分析,运用线性回归方法,得出瓦斯压力与埋深关系式:P=0.002H-0.086(其中,P为煤层瓦斯压力;H为煤层埋深)。由公式可看出,随着煤层埋深增加,瓦斯压力呈正相关线性增长,压力梯度为0.2 MPa/hm。
3 瓦斯赋存的主要控制因素
(1)埋深对瓦斯赋存的影响。随着煤层赋存深度的增加,煤层变质作用更加强烈,同时伴随着地压的增大,瓦斯压力随之增加,瓦斯封闭条件变好,运移变得困难,煤层对瓦斯的吸附能力增强,瓦斯含量随之增加[8,9,10]。根据瓦斯钻孔数据,对3煤层瓦斯含量进行回归分析,同时生成3煤层瓦斯含量随埋深变化趋势图(图2),并得出瓦斯含量与埋深关系式:Y=0.010H+0.394(其中,Y为煤层瓦斯含量;H为煤层埋深)。
由趋势图可知,3煤层瓦斯含量与埋深呈正相关关系,且相关性较强,埋深越大,瓦斯含量越高。可见,埋深对3煤层瓦斯赋存控制作用明显。
(2)地质构造对瓦斯赋存的影响。国内外生产实践及相关研究表明,瓦斯的赋存以及瓦斯突出与地质构造的发育关系密切,从一定意义上来说起控制作用[11,12,13],对桑树坪井田3煤层而言,地质构造的影响以褶皱构造和层滑构造为主。
受韩城矿区构造影响,3煤层主要发育为NWW向平行相间排列的宽缓褶皱,从而控制着煤层沿NNE方向的厚度变化,由于煤厚变化会使煤层底板形态呈波状隆起,并且形成瓦斯高压应力区,从而为瓦斯富集和煤与瓦斯突出创建有利条件;另一方面,受多期大地构造运动的影响,桑树坪井田内大量发育因褶皱挤压形成的次级褶皱和挠曲,次级褶皱和挠曲发育形成构造煤,使局部瓦斯含量和瓦斯压力升高,由图1可知,已开采区域所出现的煤与瓦斯突出事故多发生于褶皱附近次级挠曲带上。桑树坪井田内煤层受多期构造应力影响,煤层厚度及硬度差异性大,造成井田内大量发育层滑构造。层滑构造主要有层滑褶皱和穿刺构造2种表现形式,层滑构造使煤层和煤岩的原生结构发生剧烈变化,破坏了煤层顶底板的稳定性,提高了煤层的煤化程度和灰分,并且多形成构造煤,提高了煤与瓦斯突出发生危险程度[14]。
(3)顶板岩性对瓦斯赋存的影响。煤层顶板的透气性能够控制煤层瓦斯的运移,煤层与围岩的透气性好,则有利于瓦斯的运移和排放,瓦斯含量就小;反之,煤与围岩的透气性差,则不利于瓦斯的运移和排放,使瓦斯保存下来,造成瓦斯含量升高[15]。为了更加直观地反映顶板岩性对桑树坪井田瓦斯赋存的影响程度,本文将顶板50 m内砂泥岩比当作考察对象。考察3煤层上覆砂泥岩比X与瓦斯含量Y之间的关系,结果如图3所示。根据图3可知,各散点沿着拟合线均匀分布,相关系数较大,相关性显著。可知桑树坪井田顶板岩性对瓦斯赋存和运移起重要作用。
4 结论
(1)3煤层瓦斯赋存总体呈现中部临近下峪口井田边界区及井田西北地区瓦斯含量较高,而东北及东南煤层露头附近区域瓦斯含量较小,深部瓦斯含量高于浅部的分布规律。瓦斯压力随埋深呈正相关关系,符合关系式P=0.002H-0.086,瓦斯压力梯度为0.2 MPa/hm。
(2)煤层埋深、地质构造、顶板岩性是影响3煤层瓦斯赋存和突出分布的主要控制因素,煤层埋深越大,瓦斯含量越高;地质构造的影响主要来自褶皱和层滑构造,挠曲和层滑构造形成的构造煤,是使局部瓦斯含量升高的主要影响因素;顶板岩性影响瓦斯的赋存和运移,顶板透气性越强,瓦斯含量越低。
摘要：为了研究韩城桑树坪井田3煤层的瓦斯赋存规律和主控因素,运用瓦斯地质学、构造地质学以及线性回归的方法,结合桑树坪井田地质勘探及现场实测瓦斯数据,分析总结了3煤层瓦斯赋存的规律。结果表明:桑树坪井田瓦斯含量北高南低,瓦斯压力受埋深控制明显,并得出煤层埋深、地质构造和顶板岩性是影响3煤层瓦斯赋存的主控因素。
赋存及运移规律 篇5
关键词：Y型通风系统,采空区,沿空留巷,瓦斯运移
近些年,我国综放采煤方法得到了快速发展,但工作面高瓦斯涌出一直是制约综放工作面安全、高效生产的主要因素。澳大利亚Balusu,Wendt和Ren,T.X.使用CFD技术对立井抽放下以及不同工作面通风情况的采空区瓦斯分布进行了模拟[1,2,3];国内王凯对J型通风综放采空区流场与瓦斯运移进行了数值模拟[5];胡千庭对采空区瓦斯流动规律的情况进行了模拟[6]。治理综放开采瓦斯问题主要可采取三个方面的技术措施,即加强通风,加强瓦斯抽放以及综合通风与瓦斯抽放[7],其中加强通风式解决综放面高瓦斯涌出的最基础和最直接的手段,本文以15120高瓦斯综放工作面为例,采取沿空留巷的Y型通风方式,并在沿空留巷的回风巷中打钻孔抽放瓦斯,从而减少上隅角的瓦斯聚集,合理的降低工作面的瓦斯,有利于安全生产。
1 15120工作面基本情况
15120工作面煤层厚度2.5m左右,煤层倾角约为7°,瓦斯绝对涌出量最大33.65m 3/min,平均为33.56m 3/min,相对瓦斯涌出量最大为8.19m 3/t,平均为8.17m 3/t。综放面倾向长151m,走向长584m。该区域煤层较厚,赋存稳定,地质构造简单,适合于综合机械化放顶煤采煤。综合机械化放顶煤开采,工作面平均日产量大概为3000t。
2 建立流体模型
2.1 采空区渗流控制方程
将综放面采空区视为煤岩混合体组成的多孔介质空间,由于松散煤体空隙的时空分布不均匀,漏风源和漏风汇难以确定,松散煤体中的漏风流场十分复杂,将采空区内风流看作不可压缩气体在三维空间的非线性渗流,包括紊流、层流、过渡流。所服从的基本方程为非线性渗流方程,即Bachmat方程,达西定律仅仅是Bachmat方程在低速层流状态下的特例。三维非线性渗流定律公式为[1]:
式中:E—渗透率,m 2;
J—压力坡度;
υ—运动粘性系数,m 2/s;
Dm—平均调和粒径;
V—采动裂隙椭抛带的风速,m/s;
n—采动裂隙椭抛带的孔隙率;
V—渗流速度,m/s;
g—重力加速度,9.81m/s2;
β—多孔介质粒子形状系数。
根据质量守恒定律和流体动力弥散定律,瓦斯在采场中的动力弥散方程为:
式中:c—采空区内瓦斯的质量浓度;g/m 3;
Dij—动力弥散系数的九个分量,m 2/s;
ui—平均流速向量的分量,m/s。
2.2 采空区孔隙率及渗透率
采空区漏风强度和煤体蓄热条件都与孔隙密切相关,但严格说采空区孔隙率应分为二部分考虑:一是松散煤体的孔隙率;二是垮落顶板的孔隙率。松散煤体孔隙率主要影响煤体内部氧的渗透和分布、高温点的深度,垮落顶板的孔隙率主要影响煤体表面散热的快慢和漏风强度。随着工作面向前推进和时间的推移,采空区的空隙率随时发生变化。一般而言,顶板岩层越坚硬,空隙率越大;矿压越大空隙率越小;作用时间越长,孔隙率就越小,反之就越大[8,9,10]。孔隙率为:
式中:Kp—岩石及煤的碎胀系数。
由Blake-Kozeny公式[4],多孔介质的渗透率e为:
式中:Dm—平均调和粒径。
2.3 U型通风工作面采空区模型的建立和边界条件分析
模型的坐标原点为模拟回风巷矩形的中心点,即图1中左边坐标系原点所在位置,x轴由回风端指向进风端,y轴指向顶板,z轴沿着回风巷风流方向。
U型通风工作面进风为速度进口,风量为800m 3/min;Y型通风工作面两进风均为为速度进口,风量分别为600m 3/min,200m 3/min。气体成分的体积分数为甲烷CH4为0.4%,氧气为21%,其余为氮气。一般数据参数设置见表1。
3 采场数值模拟分析
3.1 U型通风采场瓦斯分布规律
3.1.1 工作面倾斜方向瓦斯浓度分布规律
(1)在距工作面较近的采空区内由于风流流动方向是从进风侧向回风侧,瓦斯呈现向回风侧运移的趋势,瓦斯浓度逐渐增大。在上隅角和回风巷则成为整个工作面瓦斯浓度较高的区域。
(2)由图2可以看到:在工作面的回风端瓦斯浓度梯度较大;在工作面进风端瓦斯梯度较小。这主要是由工作面漏风的情况决定的。工作面回风端瓦斯浓度梯度的增加主要是来自采空区气体的流入。
3.1.2 采空区瓦斯浓度分布规律
采空区瓦斯浓度分布规律见图2。从水平方向上看,瓦斯从下隅角往其采空区对角浓度逐渐升高,离工作面越远浓度越大。在采空区内的瓦斯浓度最高区域也是整个采场的瓦斯浓度最高区域,此区域成为实际工作中采空区瓦斯抽放的理想地点;从纵向上看,由于在靠近工作面的采空区上部渗流速度很小,形成一个相对较高浓度的瓦斯区域,这是高位水平抽放瓦斯针对的高瓦斯浓度区。
3.2 Y型通风采场瓦斯分布规律
3.2.1 Y型通风工作面倾斜方向瓦斯浓度分布规律
(1)在距工作面较近的采空区内由于风流流动方向是从进风侧向回风侧,而在Y型通风方式下,由于两条进风巷的风压不同,使得上隅角和回风巷的瓦斯浓度较低,但是瓦斯浓度较高的区域向采空区深部运移的趋势。
(2)由图3、图4和图5可以看到:在工作面的进风巷的瓦斯浓度不一样,这主要是由于两侧风压比例不同决定的,靠近进风压力大的一侧瓦斯浓度梯度较小;工作面瓦斯浓度地主要是Y型通风良好的方式决定的。
3.2.2 Y型通风采空区瓦斯浓度分布规律
采空区瓦斯浓度分布规律见图3。从水平方向上看,瓦斯从上隅角往其采空区中部浓度逐渐升高。在采空区内的瓦斯浓度最高区域也是整个采场的瓦斯浓度最高区域,从纵向上看,由于在采空区深部的瓦斯浓度偏大,这主要是由工作面漏风的情况决定的,此处附近形成一个相对较高浓度的瓦斯区域,为此成为实际工作中采空区瓦斯抽放的高瓦斯浓度区。
3.3 Y型通风和U型通风比较
工作面通风为U型通风系统,该方式巷道布置简单,巷道便于维护,由于其瓦斯流场的特殊性,瓦斯易在上隅角出现积聚现象,常造成工作面上隅角瓦斯浓度超限,给工作面的安全生产一定隐患。
工作面Y型通风方式需要采空区留设一条巷道,巷道的充填、维护工作量较大,但优点较多。两种通风方式的不同,造成采空区瓦斯流场及分布规律不同,两种通风方式采空区瓦斯流场分布见图6所示。相比U型通风,Y型通风方式有以下优点:
(1)由于采空区瓦斯涌入回风巷(岩巷留巷)中,很好的解决上隅角瓦斯浓度超限问题;
(2)工作面风巷和顺槽都处于进风流中,改善了作业环境;
(3)实行沿空留巷可提高煤炭资源的回收率;
(4)工作面实行无煤柱开采,扩大了卸压范围,同时消除了应力集中区域;
(5)工作面通风量相应增加,风排瓦斯能力增强,还可有效控制工作面温度。
4 结论和建议
(1)在工作面瓦斯涌出量较大时,U型通风已经不能满足通风要求时,根据现场的特点,可选用不同的通风系统,采用Y型通风系统降低采空区、回风巷和上隅角瓦斯浓度。
(2)对Y型通风采空区流场的数值模拟结果表明,工作面沿线漏风流方向均指向采空区内部,采空区内漏风流又全部汇入排瓦斯专用巷而无向上隅角的漏风,因此消除了常规U型通风条件下由于采空区瓦斯在上隅角集中涌出而导致的瓦斯超限隐患,上隅角瓦斯问题得以有效解决。
(3)Y型通风条件下,采空区瓦斯随漏风流经回风巷连续排出,避免了采空区后部高浓度瓦斯聚集现象,应针对不同工作面条件,具体分析和掌握其采空区流场和瓦斯运移的变化规律,以便更好地运用Y型通风及其调控技术,特别是进风巷的比例问题。
(4)采用CFD模型模拟Y型通风系统下瓦斯流动规律,可为采空区的瓦斯抽采设计提供依据。
(5)通过风排瓦斯解决工作面、上隅角和采空区瓦斯超限,但是对于高瓦斯工作面来说,采用综合的瓦斯立体抽采方法是最理想和最直接的治理的手段。根据很多矿的综放面抽采经验,采用工作面Y型通风综合瓦斯治理实践和沿空留巷立体抽采卸压瓦斯相结合手段,成功地消除煤层的煤与瓦斯突出危险性,降低了煤层瓦斯含量,使高瓦斯突出危险煤层变为低瓦斯无突出危险煤层,保证工作面高效高产。
参考文献
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赋存及运移规律 篇6
煤矿井下广泛以CO气体作为预报煤炭自燃的指标气体。其变化一直在煤矿安全生产活动中受到高度重视, 特别在煤层有自然发火倾向的矿井更是如此。CO一般是由于煤自热或自燃产生的, 所以当井下出现CO气体或CO气体浓度稳定增长时, 就认为煤炭在自然发火或有自然发火的危险。但一些煤层中天然赋存CO气体, 而非煤炭揭露出来后氧化所致, 因此如果不能掌握煤岩层中CO的赋存规律, 就会造成煤炭自燃火灾的误报, 对预报和防治煤炭自然发火造成不利影响。因此, 准确研究煤层中原生CO的赋存及涌出规律, 对于煤矿安全生产非常必要。
西川煤矿每个工作面回采期间均在上隅角检测到CO气体, 且浓度稳定, 而西川煤矿没有发生过煤层自然发火现象。因此可判定, 西川煤矿工作面回采期间CO主要来自于煤层和顶板岩层中原始赋存的CO。因此, 应分别对西川煤矿煤层及顶板岩层中的气体进行分析研究, 总结西川煤矿煤系地层原生CO的赋存及涌出规律。
1 煤层中CO含量
1.1 CO含量测定
在西川煤矿938清水仓掘进工作面、1110切眼、1109回风顺槽和回风延伸迎头处施工孔径42 mm (煤电钻) 钻孔, 每个地点采集1个煤样进行现场和实验室解吸。现场解吸与实验室解吸量累加, 可得到煤样罐中煤样解吸的CO总量。
1.2 测试结果与分析
将煤样的现场解吸、实验室解吸结果和气体成分测试结果进行汇总分析, 得到各个采样点煤样的解吸体积, CO解吸浓度及煤样罐煤样的质量等值, 计算得出单位质量煤体中CO的含量, 计算结果见表1。
从表1中可看出, 4个采样地点的煤层中均含有CO, 且每个地点的CO含量不相同。其中, CO含量最大值为487.79×10- 6m3/t, 地点为1109回风顺槽右帮距迎头60m处[1]。
2 顶板岩层中CO含量
西川煤矿在采掘过程中出现CO超标现象, 经研究表明, CO除了来自原始煤层中, 还有部分CO可能来自于煤层顶底板。因此, 判断在顶板岩层中也可能存在原生CO。为给煤矿井下安全生产提供准确可靠的信息, 应制定相应方案来测定顶底板岩层中是否含有原生CO。如含有, 则应确定其浓度, 以便更加准确地预测预报工作面回采期间CO的涌出量[2]。
2.1 顶板岩层中CO浓度的测定
顶板岩层中的CO不同于煤层中CO。由于顶板岩石不同于煤体, 不具有多孔结构, 因此CO是以游离状态赋存在顶板储气层中。顶板岩层中CO含量主要通过顶板岩层中的CO气体浓度指标来衡量。
顶板岩层中气体的采集是通过施工钻孔至顶板岩层中, 然后封孔, 待孔内气体压力稳定后, 采集气体至气样袋中。将采集的气体送至实验室测定CO浓度, 按照采集气样顺序测定各气样袋中CO气体的浓度。最终取气样袋中浓度最大值作为顶板岩层中CO气体的浓度[3]。
2.2 测定结果及分析
将现场采集的938清水仓岩层气样 (1#、2#) 和1109回风顺槽岩层气样 (3#) 带回实验室测定其CO浓度。测试结果如表2所示。
表2实测顶板岩层气体中CO的浓度百分号采样点气样袋编号气体中CO的浓度938清水仓1#0.003 572#0.008 831109回风顺槽3#0.002 86
由表2可知, 1#、2#气样虽来自同一地点, 但测得1#气样袋CO浓度明显低于2#气样袋的CO浓度, 主要是因为封孔过程中, 孔内原有空气被密封至孔内。1#气样袋内气体是由空气和岩层气体组成, 2#气样袋气体则来自于钻孔周围岩层的气体, 该部分气体才是顶板岩层中的真实气体成分。因此选取2#气样袋测得的CO气体浓度作为顶板岩层中真实的CO气体浓度[4]。
实验测试结果表明, 西川煤矿顶板岩层中均存在CO, 且不同地点CO浓度不一样, 其中, CO浓度最高值为0.008 83%, 地点为938清水仓。
3 西川煤矿煤岩层中原生CO赋存及涌出
3.1 工作面上隅角CO气体来源分析
通过对西川煤矿1108工作面和1107工作面上隅角进行气样采集, 并将采集完毕的气样带回实验室进行解吸, 利用气相色谱分析法测出解析气体中原生CO的浓度。此外结合1108工作面的平面图和剖面图分析了回采工作面上隅角CO气体的来源。因此, 根据以上分析, 可得到以下结论:
a) 回采工作面CO有3个来源:煤层在采掘过程中涌出的CO气体、岩层因受采动影响从裂隙中涌出的CO气体及煤自热氧化产生的CO气体;
b) 通过对工作面上隅角CO气体浓度的测定及对其来源分析, 知道工作面上隅角一直存有CO, 且其值基本不变, 没有明显升高趋势, 说明这里的CO气体并不是煤炭自燃产生的, 而是煤岩层中释放出来的原生CO;
c) 西川煤矿1108 工作面上隅角CO的本底浓度为0.00 001 567%, 如超过该浓度, 即需引起相关注意;1107工作面上隅角CO本底浓度为0.00 004 267%, 如超过该浓度, 即需引起相关注意。
3.2 工作面回采过程中原生CO涌出量计算
通过分析可知, 西川煤矿工作面回采过程中有煤系地层原生CO涌出。为了确定西川煤矿工作面回采期间相对CO涌出量及回风流中原生CO的本底浓度, 本项目提出了一种西川煤矿工作面回采期间相对CO涌出量的计算方法。
工作面相对CO涌出量可通过式 (1) 计算:
式 (1) 中, q采为采场相对CO涌出量, m3/t;k1为围岩CO涌出系数, 西川煤矿CO涌出主要来自顶板岩层, 取1.2;k2为CO涌出不均衡系数, 取1.5;Wco为煤层CO含量, m3/t。
选择在1109回风顺槽右帮距迎头60 m处实测的CO含量最大值487.79×10-6m3/t进行计算。则西川煤矿工作面回采期间相对CO涌出量为:
西川煤矿工作面日产量为3 800 t/d, 则工作面绝对CO涌出量为:878.022×10-6m3/t×3 800 t÷ (24×60min) =2.317×10- 3m3/min。
回采工作面风量为900 m3/min, 则回采工作面回风流中CO浓度为:
工作面上隅角CO浓度理论上要明显高于该值, 实际上在测试的西川煤矿1107和1108工作面上隅角气样数据中, 也确实证实了这一点:1107工作面上隅角CO浓度为0.000 042 67%, 1108工作面上隅角CO浓度为0.000 015 67%。
由计算得出的西川煤矿工作面回采期间回风流中CO浓度可确定:西川煤矿工作面回风流中原生CO本底浓度为0.000 025 7%, 如检测超出该浓度, 即需引起相关注意, 采取一定的防火措施[5]。
4 结语
通过对西川煤矿煤系地层原生CO赋存及涌出规律的分析, 准确分析出西川煤矿煤层及顶底板CO赋存情况, 计算出工作面回采期间CO涌出量、回风流中CO本底浓度和出上隅角CO本底浓度, 确定了西川煤矿各采掘工作面涌出点原生CO的涌出量, 对煤层自然发火的预测预报工作提供了可靠依据, 对煤矿安全生产具有十分重要的意义。
参考文献
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赋存及运移规律 篇7
煤炭是我国能源的主体。在我国一次性能源生产和消费结构中, 煤炭资源约占70%, 预计到2020年国内煤炭需求将维持在3.0Gt以上, 至2050年仍将占50%以上[1]。矿井构造是控制煤系形态、位态和体态的首要地质因素[2], 在煤矿生产过程中, 矿井断裂构造的发育、分布、组合和演化是矿井地质研究中最为突出的问题[3]。
在各种地质条件中, 矿井构造发育的随机性、隐蔽性和模糊性[4]等特点, 不仅直接制约、影响机械化生产的效率, 而且还会引起片帮、冒顶、瓦斯突出[5]及矿井突水等灾害, 又是影响矿井安全的重要因素。
林南仓井田隶属于蓟玉煤田[6], 矿井地质构造具多期次、多性质、多方向、多级别和多序次等特点, 不同时期的褶皱、断层及岩浆岩均较发育。但矿井已开采区实见构造与矿井精查勘探阶段揭露的构造在发育规律、展布特征上存在明显的不协调性, 严重影响矿井采掘工程的布设与煤炭资源的开采。
1 区域地质概况
1.1 区域构造
蓟玉煤田位于燕南赋煤地区中部, 在伴随水平挤压背景下, 基底结晶岩系与盖层形成马兰峪背斜。自三叠纪以来, 地质构造形成了众多不同方向和不同变形机制的复杂构造图像[7,8], 如图1所示。
1.2 区域地层
隶属于燕山南麓含煤区, 主要地层分布在奥陶系、石炭系、二叠系及第四系[4]。从构造意义上说, 含煤地层仅保存在规模较大且开阔的向斜中, 在蓟玉煤田具有明显的向斜构造控煤特征[9], 如图2所示。
1.3 岩浆岩
蓟玉煤田岩浆岩主要发育在林南仓向斜西部与下仓向斜, 李庄子向斜内零星分布, 整体上火山碎屑岩间歇沉积达80~120 m。如图3所示。根据粒度分布的纵横向变化规律, 可将本区火山碎屑岩划分为三期七次喷发, 每期喷发粒度由粗变细[10]。
2 矿井地质特征
从系统收集的井田275条断层可知:主要断层基本沿林南仓向斜两翼方向展布。走向以NW、NWW向为主, 其次为NE、NEE向。倾向主要以SSW为主, 仅有少量倾向NNE。落差大于1 m的占90.9%, 其中落差超过4 m的占29.1%, 超过了井田内各主要开采煤层平均厚度, 严重影响了煤层的连续性与完整性。
井田正断层的倾角普遍较逆断层大, 特别是落差大于1.5 m的正断层更为明显, 如图4所示。井田已采区断层倾角与落差之间呈正相关关系。断层落差与水平延伸长度呈正线性回归关系。
以12煤为研究对象, 经1~3次趋势面以及残差分析显示:井田断裂构造具有多期性, 岩浆岩侵入体的紧密伴生性, 垂向延伸的差异性等多种地质特点。
3 岩浆岩侵入特征
岩浆岩主要分布于井田内的西~西北部, 如图5所示。侵蚀范围约占井田面积的2/5, 具有明显的选择性, 主要侵入煤层向上倾斜一侧或上倾煤层中, 形状多呈岩墙、岩床及岩脉;岩性主要为辉绿岩、安山岩, 其次为玄武岩, 局部为煌斑岩。
推测井田内的岩浆岩为地壳内的岩浆岩在NE~SW向水平挤压作用, 沿着深部断裂于晚侏罗世期穿过奥灰充填于NE~NNE向的F2、F8等张性断裂及F20逆断层等侵入于煤系地层中, 对井田内的煤层赋存特征、煤质、瓦斯赋存等产生较大的影响, 严重制约着煤矿安全、高效生产。
4 矿井构造复杂程度评价
采用网格覆盖法, 以12煤层的采掘工程平面图为基础, 将研究区划分为58个单元。依次按500 mm×500 m至62.5 mm×62.5 m划分为若干个小网格统计含断层迹线的网格数, 如图6所示。断裂构造分维的高值 (大于1.0) 条带总体上呈NE与NW向展布, 与井田断裂的优势方向是一致的, 多分布在大断层区域, 其中包含了岩浆岩侵入地区, 这也说明了岩浆岩侵入与断裂构造之间存在着密切的关系。
以已采区西二、西一采区及东一采区为基础、把分维值和其含有断裂构造的块段数、密度、强度系数等散点分析:井田断裂分维值与构造单元的含断裂块段数基本上呈指数曲线分布, 而断层密度、断层长度及断层强度系数与断层分维值之间呈线性关系, 且相关系数都较大。因此, 研究区断裂构造的复杂程度评价受众多因素影响。
5 结论
(1) 林南仓井田隶属于蓟玉煤田, 经历海西-印质期、燕山期及喜山期等多期构造应力场, 形成了复杂构造现状。复杂程度分布较为复杂, 与井田的煤层倾角变异系数呈正相关关系, 主要是受到断层的影响。
(2) 岩浆岩于晚侏罗世侵入具有选择性, 在水平挤压作用沿着深部断裂向地表侵入煤系地层中, 对井田内的煤层赋存特征煤质、瓦斯赋存等产生较大的影响, 严重制约着煤矿安全、高效生产。
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赋存及运移规律 篇8
两进一回Y型通风系统可以在采煤工作面的上、下巷同时进风, 而其中的副进风巷在采空区的部分变为回风巷, 并在巷旁充填支护。这种形式的工作面通风方式不仅可以从根本上解决上隅角瓦斯积聚问题, 而且运煤、各种管道、设备都在新风中, 在回风巷中没有轨道、管路及电缆等, 大大提高了回风巷的安全性。研究表明, Y型通风工作面能位最低点是留巷的末端 (而U型通风工作面上隅角是能位最低点) , 因此不会产生上隅角瓦斯积聚现象, 如果主、副进风巷风量分配合理, 两进一回Y型通风方式完全可以解决上隅角瓦斯浓度超限问题。
1 工作面基本情况
在15120回采工作面的上、下端各设1条进风道, 另在采空区一侧设回风道, 形成Y型通风, 如图1所示。15120工作面煤层厚度2.5 m左右, 煤层倾角约为7°, 绝对瓦斯涌出量最大33.65 m3/min, 平均为33.56 m3/min, 相对瓦斯涌出量最大为8.19 m3/t, 平均为8.17 m3/t。综放工作面倾向长151 m, 走向长584 m。该区域煤层较厚, 赋存稳定, 地质构造简单, 适合于综合机械化放顶煤采煤。
2 建立流体模型
2.1 采空区渗流控制方程
将综放工作面采空区视为煤岩混合体组成的多孔介质空间, 由于松散煤体孔隙的时空分布不均匀, 漏风源和漏风汇难以确定, 松散煤体中的漏风流场十分复杂。将采空区内风流看作不可压缩气体在三维空间的非线性渗流, 包括紊流、层流、过渡流。所服从的基本方程为非线性渗流方程, 即Bachmat方程, 达西定律仅仅是Bachmat方程在低速层流状态下的特例。三维非线性渗流定律公式为[2,3]
式中:E为渗透率, m2;J为压力坡度;ν为运动黏性系数, m2/s;Dm为平均调和粒径;v为采动裂隙椭抛带的风速, m/s;n为采动裂隙椭抛带的孔隙率;v为渗流速度, m/s;g为重力加速度, 9.81 m/s2;β为多孔介质粒子形状系数。
采空区可以看作是由垮落的岩块组成的非均匀孔隙介质, 气体在采空区流动的微分方程式如下:
式中:k为采空区渗透系数;I为源汇项, g/ (m3·s) 。
根据质量守恒定律和流体动力弥散定律, 瓦斯在采场中的动力弥散方程为
式中:c为采空区内瓦斯的质量浓度, g/m3;Dij为动力弥散系数的9个分量, m2/s;ui为平均流速向量的分量, m/s。
2.2 采空区孔隙率及渗透率
采空区漏风强度和煤体蓄热条件都与孔隙密切相关, 但严格说采空区孔隙率应分为两部分考虑:一是松散煤体的孔隙率;二是垮落顶板的孔隙率。松散煤体孔隙率主要影响煤体内部氧的渗透和分布、高温点的深度, 垮落顶板的孔隙率主要影响煤体表面散热的快慢和漏风强度。随着工作面向前推进和时间的推移, 采空区的孔隙率随时发生变化。一般而言, 顶板岩层越坚硬, 孔隙率越大;矿压越大孔隙率越小;作用时间越长, 孔隙率越小, 反之就越大[4,5,6]。孔隙率计算式为
式中Kp为岩石及煤的碎胀系数。
由Blake-Kozeny公式[2], 多孔介质的渗透率为
2.3 Y型通风工作面采空区模型的建立和边界条件分析
模型的坐标原点为模拟回风巷矩形的中心点, 即图2中左边坐标系原点所在位置, x轴由回风端指向进风端, y轴指向顶板, z轴沿着回风巷风流方向。
U型通风工作面进风为速度进口, 风量为800 m3/min;Y型通风工作面两进风均为速度进口, 风量分别为600, 200 m3/min。气体成分中CH4的体积分数为0.4%, O2的体积分数为21%, 其余为N2。一般数据参数设置见表1。
3 采场数值模拟分析
3.1 U型通风采场瓦斯分布规律
3.1.1 工作面倾斜方向瓦斯浓度分布规律
1) 在距工作面较近的采空区内, 由于风流流动方向是从进风侧向回风侧, 瓦斯呈现向回风侧运移的趋势, 瓦斯浓度逐渐增大。在上隅角和回风巷则成为整个工作面瓦斯浓度较高的区域。
2) 由图3可以看到, 在工作面的回风端瓦斯浓度梯度较大, 在工作面进风端瓦斯梯度较小, 这主要是由工作面漏风情况决定的。工作面回风端瓦斯浓度梯度的增加主要是因为来自采空区气体的流入。
3.1.2 采空区瓦斯浓度分布规律
采空区瓦斯浓度分布规律见图3。从水平方向上看, 瓦斯从下隅角往其采空区对角浓度逐渐升高, 距工作面越远浓度越大。在采空区内的瓦斯浓度最高区域也是整个采场的瓦斯浓度最高区域, 此区域成为实际工作中采空区瓦斯抽放的理想地点;从纵向上看, 由于在靠近工作面的采空区上部渗流速度很小, 形成一个相对较高浓度的瓦斯区域, 这是高位水平抽放瓦斯针对的高瓦斯浓度区。
3.2 Y型通风采场瓦斯分布规律
3.2.1 Y型通风工作面倾斜方向瓦斯浓度分布规律
1) 在距工作面较近的采空区内, 由于风流流动方向是从进风侧向回风侧, 而在Y型通风方式下, 由于两条进风巷的风压不同, 使得上隅角和回风巷的瓦斯浓度较低, 但有瓦斯浓度较高的区域向采空区深部运移的趋势。
2) 由图4—6可见, 在工作面进风巷的瓦斯浓度不一样, 这主要是由于两侧风压比例不同决定的, 靠近进风压力大的一侧瓦斯浓度梯度较小;工作面瓦斯浓度梯度的变化主要是Y型通风方式决定的。
3.2.2 Y型通风采空区瓦斯浓度分布规律
采空区瓦斯浓度分布规律见图4。从水平方向上看, 瓦斯从上隅角往其采空区中部浓度逐渐升高。在采空区内的瓦斯浓度最高区域也是整个采场的瓦斯浓度最高区域;从纵向上看, 由于在采空区深部的瓦斯浓度偏大, 这主要是由工作面漏风情况决定的, 此处附近形成一个相对较高浓度的瓦斯区域, 成为实际工作中采空区瓦斯抽放的高瓦斯浓度区。
3.3 Y型通风和U型通风比较
工作面通风为U型通风系统, 该方式巷道布置简单, 巷道便于维护, 由于其瓦斯流场的特殊性, 瓦斯易在上隅角出现积聚现象, 常造成工作面上隅角瓦斯浓度超限, 给工作面的安全生产带来一定隐患。
工作面Y型通风方式需要在采空区留设1条巷道, 巷道的充填、维护工作量较大, 但优点较多。两种通风方式的不同, 造成采空区瓦斯流场及分布规律不同, 见图7。
相比U型通风, Y型通风方式有以下优点:
1) 由于采空区瓦斯涌入回风巷 (岩巷留巷) 中, 较好地解决了上隅角瓦斯浓度超限问题;
2) 工作面风巷和运输巷都处于进风流中, 改善了作业环境;
3) 实行沿空留巷可提高煤炭资源的回采率;
4) 工作面实行无煤柱开采, 扩大了卸压范围, 同时消除了应力增高区域;
5) 工作面通风量相应增加, 风排瓦斯能力增强, 还可有效控制工作面温度;
6) 综放工作面采用Y型通风系统, 可以使矿井的总阻力降低, 节约主通风机运行费用。
3.4 现场实测值与模拟分析
1) 由图8可见, 在距工作面回风巷40 m内, 瓦斯浓度变化不明显, 基本在2%以内波动;到了距工作面40~120 m, 瓦斯浓度开始增大;在120~150 m瓦斯浓度呈激增状态。
2) 从观测结果看, 距工作面40 m内, 瓦斯浓度较低, 且变化不大;距工作面40~120 m内, 瓦斯浓度较高, 且呈激增状态。形成这一现象的原因主要是由于在40 m范围内, 采空区漏风大, 大量瓦斯在漏风作用下流向采空区深部。到了距离工作面40 m后, 漏风急剧减小, 再加上采空区前部涌来的瓦斯, 从而形成了瓦斯聚积、浓度增大的状态。
3) 通过对图8和图4的分析对比, 模拟结果与监测结果在瓦斯浓度变化趋势上是一致的。
4 结论和建议
1) Y型通风采空区流场的数值模拟结果表明:沿走向向采空区深部瓦斯浓度增大, 沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大, 靠近沿空留巷瓦斯浓度最大。工作面沿漏风流方向均指向采空区内部, 采空区内漏风流又全部汇入排瓦斯专用巷而无向上隅角的漏风, 因此消除了常规U型通风条件下由于采空区瓦斯在上隅角集中涌出而导致的瓦斯浓度超限隐患, 上隅角瓦斯浓度超限问题得以有效解决。
2) 在工作面瓦斯涌出量较大, U型通风已经不能满足通风要求时, 根据现场的特点, 可采用Y型通风系统降低采空区、回风巷和上隅角瓦斯浓度。
3) Y型通风条件下, 合理进风量不仅可有效控制沿空留巷漏风, 稀释沿空留巷内的瓦斯, 而且对工作面通风效果有重要影响。因此应针对不同工作面条件, 具体分析采空区流场和瓦斯运移的变化规律, 以更好地运用Y型通风及其调控技术。
4) 瓦斯涌出量较小的工作面, 可以通过风排瓦斯解决工作面、上隅角和采空区瓦斯浓度超限问题, 但是对于高瓦斯工作面来说, 采用综合的瓦斯立体抽采方法是最理想和最直接的治理手段。根据多个矿井综放工作面抽采经验, 采用以沿空留巷形式Y型通风系统和立体抽采卸压瓦斯相结合手段, 成功地消除煤层的煤与瓦斯突出危险性, 降低了煤层瓦斯含量, 使高瓦斯突出危险煤层变为低瓦斯无突出危险煤层, 保证工作面高效高产。
参考文献
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