長壁工作面采空區氣體流動場瓦斯運移規律研究與實踐

許盛運 李國君

(遼寧鐵法能源有限責任公司, 遼寧 112700)

近年來, 計算流體力學 (CFD) 技術已應用于煤礦安全的許多領域。澳大利亞、英國、南非等國家利用計算流體力學 (CFD) 數值模擬, 結合現場情況, 已經開展了大量的工作面瓦斯、粉塵等方面的研究工作, 為煤礦災害防治提供了理論依據。

1 采空區瓦斯流動分布規律的CFD 模擬研究

采空區瓦斯流動特征是復雜的, 它受多種因素的影響, 包括通風、瓦斯密度、浮力, 以及采空區滲透等等。針對鐵法礦區的具體情況, 本文研究選擇了礦區兩個具有代表性的長壁工作面, 即大興礦N1405、曉明礦N2410 工作面, 建立了三維CFD 模型, 對工作面采空區瓦斯流動和分布規律進行了模擬, 在此基礎上研究了瓦斯流動運移對地面垂直鉆井布井位置和抽采方式的影響。

1．1 大興礦N1405 工作面CFD 模擬研究

大興礦N1405 工作面的有效走向長度為570m,傾斜長度為150m。煤層傾角南西向, 最大傾角15°, 最小2°, 平均8．5°。煤層厚度在2．1～2．7m之間, 一般為2．55m, 瓦斯涌出量預計, 上煤組瓦斯含量為11～27m3/t , 瓦斯壓力為98～401．8 ×104Pa。根據N1403 工作面瓦斯涌出量實際測定,實際為11．6m3/t。全負壓U 型通風, 配風量600～900m/min。現場資料顯示, 正常回采期間采空區瓦斯涌出量約為30～50m3/min (500～1000l/s) , 抽采瓦斯采用井下埋管、頂板鉆孔及地面采空區井相結合的方式, N1405 工作面布置了三口地面垂直鉆井。

根據現場N1405 工作面的基本情況, 建立了三維CFD 模型, 并進行了解算。表1 給出工作面CFD模型基本參數及邊界條件, 圖1 和2 分別給出工作面CFD 模型幾何特征。模型包括了三個地面垂直鉆井, 其布置方式按實際位置確定。

1．2 N1405 工作面CFD 數值模擬結果

利用以上CFD 數值模型, 對N1405 工作面推進到距開切眼600m 位置時采空區氧氣及瓦斯的分布情況進行了模擬研究, 模擬結果表明：

(1) 采空區進風順槽側氧氣濃度由工作面至開切眼呈遞減趨勢, 尤其是在采空區瓦斯涌出量較低(300l/s) 的情況下, 在工作面后進風順槽側100～200m 范圍內基本維持在15%左右的高濃度氧氣;

表1 大興礦N1 采區405 工作面模型CFD 模型基本參數及邊界條件

圖1 工作面CFD 模型幾何特征- 平面圖

圖2 工作面CFD 模型幾何特征- 立體圖

(2) 工作面開切眼處氧氣濃度基本維持在10%左右, 表明工作面進風順槽側開切眼處存在漏風情況;

(3) 回風側氧氣濃度沿開切眼至上隅角氧氣濃度呈遞減趨勢, 直至工作面回風流;

(4) 采空區瓦斯沿回風側匯集, 并沿上隅角方向漸呈上升趨勢, 沿回風側形成瓦斯富集帶, 濃度達80%以上;

(5) 3 口地面垂直鉆井的孔底位置基本落在瓦斯富集帶內, 有利于抽采高濃度瓦斯, 整體上, 1號地面井瓦斯抽采濃度將低于2 號和3 號地面井;

(6) 采空區瓦斯沿開采水平至頂板冒落裂隙帶呈上升趨勢, 沿工作面采空區深部, 形成瓦斯富集帶;

(7) 隨著工作面的推進和采空區面積的增大,高濃瓦斯富集帶會隨之擴大, 在采空區回風側后部進行瓦斯抽采是有利的;

(8) N1405 工作面屬于俯采, 采用地面垂直鉆井對抽放采空區瓦斯控制非常有利; 孔位布置非常重要, 除了鉆井間距和回風側距離, 孔底距回采煤層的垂直距離也是決定能否抽采高濃度瓦斯的重要參數, 孔底距回采煤層太近, 將降低抽采瓦斯濃度, 增加采空區漏風強度, 引發采空區遺煤自燃;

(9) 在低瓦斯涌出情況下, 工作面采空區自惰情況差, 采空區始終處于高濃度氧氣狀態, 尤其是采空區兩側和工作面開切眼處, 具備自燃發火的供氧條件;

(10) 靠近工作面上方的頂板冒落裂隙帶, 瓦斯濃度和供氧可能具備瓦斯燃燒條件, 應采取足夠的安全措施。

圖3 分別給出工作面后50m, 100m, 200m,300m 和400m 位置沿工作面傾向 (橫跨采空區) 頂板瓦斯濃度的模擬變化曲線。結果顯示, 工作面后100m 內采空區瓦斯濃度變化較大, 50m 內瓦斯濃度不超過10%; 尤其是采空區進風側, 該區域瓦斯運移主要受工作面通風影響; 工作面后100m 采空區中部瓦斯濃度變化逐漸趨于穩定并升高, 受風壓影響減小, 濃度逐漸達到60%, 可以看到, 高濃度瓦斯沿回風巷側逐漸形成, 有利于地面井(孔) 的抽采。

圖3 采空區不同位置沿工作面傾向(橫跨采空區) 頂板瓦斯濃度變化曲線

圖4 采空區中間沿工作面走向 (工作面至切眼)頂板不同高度瓦斯濃度變化曲線

圖4 分別給出采空區中間沿工作面走向 (工作面至切眼) 頂板不同高度 (0m, 10m, 20m 和30m)瓦斯濃度變化模擬曲線。結果顯示, 在工作面后100m, 頂板30m 范圍內瓦斯濃度變化還是較大的,瓦斯運移主要受工作面通風影響, 濃度較低, 不利于頂板孔抽采; 150m 后頂板瓦斯濃度趨于穩定,濃度可達70%以上, 有利于地面井 (孔) 的抽采。分析模擬結果顯示, 利用地面井抽采采空區卸壓瓦斯, 鉆井宜布置在靠近回風側30～80m, 距切眼(第一口井) 50m 范圍內, 有利抽采高濃度瓦斯。

2 曉明礦N2 采區410 工作CFD 模擬研究

2．1 曉明礦N2 采區410 工作面地質條件及模型建立

曉明礦N2410 工作面的有效走向長度為1386m, 長度為194m。煤層厚度一般為2．54m。全負壓U 型通風, 配風量1100～1500m3/min。現場資料顯示, 正常回采期間采空區瓦斯涌出量約為30m3/min (500l/s) 以上。抽采瓦斯采用井下埋管,頂板及穿層鉆孔及地面采空區鉆井相結合的方式,值得注意的是, N2410 工作面回采第一階段為俯采, 而第二階段為仰采。

表2 曉明礦N2 采區410 工作面模型CFD 模型基本參數及邊界條件

根據現場情況, 建立了N2410 工作面三維CFD模型, 模擬工作面推進至距切眼500m 位置第一階段俯采以及第二階段時工作面及采空區氧氣和瓦斯分布情況。表2 給出工作面CFD 模型基本參數及邊界條件。該模擬的主要目的是分析對比工作面開采走向在俯采或仰采時采空區氧氣和瓦斯的運移規律。

圖5 給出了N24102 工作面CFD 模型幾例特征及計算網格方式。本模型采用了約30 萬個計算單元。模型包括了1 個地面垂直轉孔, 其布置方式按實際位置確定。

圖5 N2410 工作面CFD 模型幾何特征及計算網格劃分

2．2 N2410 工作面CFD 數值模擬結果

2．2．1 第一階段： 工作面走向俯采

在工作面走向俯采, N2410 工作面CFD 數值模擬結果表明：

(1) 采空區瓦斯沿回風側匯集, 沿采空區高位區域形成瓦斯富集帶, 濃度可達90%以上;

(2) 地面垂直鉆井的孔底位置落在瓦斯富集帶內, 優于405 地面井布置方式, 更有利于抽采高濃度瓦斯 (可達90%以上) ;

(3) 410 工作面屬于俯采, 回風順槽高于進風順槽20m 以上; 有利于地面垂直鉆井抽采采空區瓦斯;

(4) 采空區瓦斯沿回風側采空區深部高位點匯集, 對工作面幾上隅角瓦斯管理更為有利;

(5) 工作面采空區自惰情況較好, 有利于抑制采空區自發火。

2．2．2 第二階段： 工作面走向仰采

在工作面走向仰采時, 模擬結果表明：

(1) 采空區瓦斯雖然沿回風側匯集, 沿采空區深部中間區域形成較小的高濃度瓦斯富集帶;

(2) 地面垂直鉆井的孔底位置落在瓦斯富集帶邊緣, 不利于地面垂直鉆孔抽采采空區瓦斯;

(3) 受通風、空氣和瓦斯密度的影響, 與走向俯采時相比, 采空區瓦斯沿回風側向工作面和上隅角匯集, 極易造成瓦斯超限, 對瓦斯管理極為不利;

(4) 工作面上方的頂板冒落裂隙帶, 聚積的瓦斯可能具備燃燒條件, 且更接近工作面;

(5) 采空區一定深度區域始終處于高濃度氧氣狀態, 自惰情況差, 尤其是采空區兩側, 具備遺煤自燃的供氧條件。

2．3 地面垂直鉆孔瓦斯抽采的CFD 模擬

利用以上CFD 模型, 研究了地面垂直鉆井布孔位置和抽采方式對采空區瓦斯抽采影響。2．3．1 N1采區405 工作面地面垂直鉆井瓦斯

給出在工作面采空區瓦斯涌出量為500l/s 時采用單一鉆孔或多個鉆孔在不同抽采強度 (混合流量) 下采空區瓦斯的分布情況, 模擬結果表明：

(1) 采空區深部 (靠近開切眼附近) 地面井1瓦斯抽采濃度較低, 在抽采混合流量100l/s (6m3/min) 時, 可以達到較好的抽采效果;

(2) 抽采流量在200l/s 以上時, 瓦斯抽采濃度會較大幅度降低, 并增加采空區富氧帶和空氣涌入深度;

(3) 工作面采空區中部地面井2 瓦斯抽采效果較好, 在同樣抽采強度 (混合流量200l/s 即12m3/min) 條件下, 瓦斯抽采濃度較高, 可達到70%以上;

(4) 距工作面一定距離 (150～200m) 的淺部地面井3 瓦斯抽采效果較好, 更利于上隅角瓦斯管理, 但應嚴格控制抽采強度, 不宜超過200l/s 以上, 以防增加采空區富氧帶和空氣涌入深度;

(5) 與無地面垂直鉆孔抽采瓦斯相比較, 地面鉆孔的利用改變了采空區局部瓦斯分布, 將上隅角高濃度瓦斯向采空區深部移動, 有利于降低上隅角瓦斯濃度; 即便是采空區深部鉆孔抽采, 也會影響上隅角瓦斯積聚。

(6) 采用多個鉆孔中等抽采流量同時抽采, 尤其是深淺部鉆孔聯合抽采, 可在采空區內形成較寬區域的低壓帶, 優于采用單一鉆孔高強度集中抽采。

除抽采流量 (混合流量) 變化外, 模擬結果表明類似以上結論：

(1) 嚴格控制抽采流量, 以防增加采空區富氧帶和空氣涌入深度; 聯合抽采單孔強度高于12m3/min 時, 采空區富氧帶和空氣涌入深度會增加;

(2) 應盡量采用多個鉆孔中等抽采流量同時抽采, 尤其是深淺部鉆孔聯合抽采;

N1405 工作面地面垂直鉆井瓦斯現場考察結果表明, 鉆井混合流量6．11m3/min, 純量4．21m3/min, 平均濃度瓦斯70%, 與以上CFD 模擬結果較吻合。

2．3．2 N2采區410 工作面地面垂直鉆井抽采瓦斯

N2采區410 工作面布置了2 口地面垂直鉆井,第一口鉆井距切眼約110m, 距回風順槽70m, CFD模擬分析表明, 由于工作面采用走向俯采, 地面垂直鉆井的孔底位置落在瓦斯富集帶內, 有利于抽采高濃度瓦斯 (可達70～90%) ; 第二口鉆井距切眼約800m, 由于煤層傾角的變化, 工作面變為仰采,采空區瓦斯的分布規律不同于初期俯采; 利用CFD模型, 對工作面第二階段開采走向仰采時地面垂直鉆孔進行了模擬。模擬結果表明：

(1) 模型中地面垂直鉆井的孔底位置落在瓦斯富集帶邊緣, 不利于地面垂直鉆井抽放采空區瓦斯; 抽采瓦斯濃度將低于第一口鉆井; 第二口鉆井實際布置位置靠近采空區中線, 較模型中孔位為宜;

(2) 與無地面垂直鉆井抽采時相比, 地面垂直鉆井抽放采空區瓦斯可以將上隅角高瓦斯向采空區深部移動, 有利于降低上隅角瓦斯超限, 但影響幅度有限;

(3) 地面垂直鉆井抽采大大增加采空區富氧帶和空氣涌入深度。

3 結論

計算流體力學 (CFD) 模擬已經成為一種必要的技術手段, 用于研究采空區瓦斯、自然發火及長壁工作面粉塵等現象及其控制措施, 其應用日益廣泛并在實踐中得到很好的驗證。

采空區瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要來源, 采空區深部是瓦斯的富集區, 掌握采空區瓦斯瓦斯運移規律, 特別是高瓦斯工作面, 對制定采取合理的瓦斯抽排管理措施, 對提高工作面的生產安全, 提高瓦斯資源利用, 具有特別重要的意義。

針對鐵法礦區的具體情況, 本分析研究選擇了本礦區兩個具有代表性的長壁工作面, 即大興礦N1405 工作面、曉明礦N2410 工作面, 建立了三維CFD 模型, 對工作面采空區瓦斯流動和分布規律進行了的模擬, 在此基礎上, 研究了瓦斯流動和分布規律對地面垂直鉆井布孔位置和抽采方式的影響。

CFD 模擬揭示了長壁工作面采空區瓦斯運移多方面的本質運移規律, 模擬結果對本分析研究的現場實踐和具體瓦斯抽采方法, 尤其是采空區地面鉆井抽采技術相關參數優化設計, 具有重要的指導意義。