回采工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

張圣國(guó) 高明濤

(新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東省泰安市，271200)

1 煤礦概述

趙官煤礦生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t／a，開(kāi)拓方式為立井單水平上下山開(kāi)采，通風(fēng)方式為中央并列式，抽出式通風(fēng)方法，目前礦井通風(fēng)量為4585m3／min，礦井等級(jí)孔3.96m2，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為31.66m3／min。1705工作面為本礦井的首采工作面，單斜構(gòu)造，工作面布置如圖1所示。工作面煤層傾角約4°～8°，煤厚平均為1.3m。工作面老頂巖性為灰—深灰色砂巖，厚3.6m，層理發(fā)育，見(jiàn)植物葉化石及較多菱鐵質(zhì)結(jié)核，巖石硬度系數(shù)為5.0；直接頂為灰黑色泥巖，厚度為4.5m，巖石硬度系數(shù)為3.0；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.12～0.2m，灰黑色，參差狀斷口，含炭量較高，具有較高的發(fā)熱量，巖石硬度系數(shù)為2.5。直接底為深灰色粉砂巖，厚度為1.11m，含植物根化石，下部夾細(xì)砂巖薄層，巖石硬度系數(shù)為3.0；老底為淺灰—灰色細(xì)砂巖，厚度為4.84m，致密、堅(jiān)硬，成份以石英為主，長(zhǎng)石次之，巖石硬度系數(shù)為5.0，煤層瓦斯涌出量3～5m3／min。

圖1 1705工作面示意圖

2 瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬

2.1 基本參數(shù)的選擇

瓦斯涌出不均衡系數(shù)1.05；工作面回風(fēng)流中瓦斯的最高允許濃度為1%；工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)量750 m3／min。瓦斯成分中 CO2為 5.356%、CH4為91.758%、N2為2.886%。

2.2 網(wǎng)格劃分

切眼斷面形狀為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為4.5m，高為2.2m；巷道斷面形狀為梯形，上部長(zhǎng)3m，下部長(zhǎng)5m，高為2.2m，利用GAMBIT軟件進(jìn)行工作面模型網(wǎng)格劃分，如圖2所示，圖2從不同角度對(duì)工作面模型網(wǎng)格的劃分進(jìn)行了展示。

圖2 工作面模型網(wǎng)格劃分圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 1705工作面實(shí)測(cè)結(jié)果

趙官煤礦分別在1705上平巷距工作面切眼位置、距切眼上端頭位置及下平巷距工作面切眼位置的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。上平巷各測(cè)點(diǎn)距工作面切眼位置分別為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時(shí)，瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)值 分 別 為 0.07%、0.11%、0.17%、0.23%、0.27%、0.03%、0.35%、0.41%；距切眼上端頭20m、40m、60m、80m位置時(shí)，瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)值分別為0.43%、0.44%、0.46%、0.49%；下平巷各測(cè)點(diǎn)距工作面切眼位置為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時(shí)，瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)值分別為0.53%、0.59%、0.65%、 0.71%、 0.77%、 0.83%、 0.87%、0.92%。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出1705煤巷瓦斯含量較高，上平巷 (進(jìn)風(fēng)側(cè))瓦斯?jié)舛鹊停缕较?(回風(fēng)側(cè))瓦斯?jié)舛雀撸咏趫?bào)警濃度。

3.2 FLUENT模擬結(jié)果

模擬涉及湍流模型、浮力驅(qū)動(dòng)、可壓縮流動(dòng)等。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分。

利用FLUENT軟件模擬1705工作面上平巷100m、200m處巷道斷面瓦斯?jié)舛龋鐖D3、圖4所示。

1705工作面下平巷100m、300m處巷道斷面瓦斯?jié)舛龋鐖D5、圖6所示。

3.3 對(duì)比分析

(1)圖7是1705工作面上平巷、切眼和下平巷相關(guān)點(diǎn)的實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛取膶?shí)測(cè)結(jié)果可以看出，由風(fēng)流的入口到工作面切眼，再到風(fēng)流的出口，瓦斯?jié)舛仁侵饾u增大的，由于通風(fēng)機(jī)的選型合理，在該工作面內(nèi)無(wú)瓦斯超限的地點(diǎn)，同時(shí)還可以看出本工作面瓦斯涌出量很大，在出口處瓦斯?jié)舛葞缀踹_(dá)到超限規(guī)定。

(2)圖8為1705工作面上平巷、切眼和下平巷模擬瓦斯?jié)舛取哪M結(jié)果可以看出，由風(fēng)流的入口到工作面切眼，再到風(fēng)流的出口，瓦斯?jié)舛纫彩侵饾u增大的，就某一斷面而言，瓦斯在巷道上部集中，在巷道底部濃度較低。從這方面可以認(rèn)為模擬結(jié)果是合理的，但其準(zhǔn)確性還需通過(guò)對(duì)比分析才能得出。

(3)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行分析，工作面上平巷距切眼位置100m、200m、300m處各模擬地點(diǎn)誤差分別為0.182%、0.13%、0.1%，切眼內(nèi)距上端頭40m處模擬地點(diǎn)誤差為0.114%；下平巷距工作面切眼100m、200m、300m、400 m處各模擬地點(diǎn)誤差分別為0.051%、0.03%、0.072%、0.054%。

由以上數(shù)據(jù)以及圖7和圖8分析可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定誤差的主要原因是模擬過(guò)程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算以及運(yùn)算速度，將各點(diǎn)瓦斯涌出量按平均值模擬，實(shí)際工作面中各點(diǎn)的斷面形狀存在一定的差異，支護(hù)設(shè)備等也會(huì)導(dǎo)致巷道壁面阻力增加，而模擬過(guò)程中假設(shè)巷道是光滑無(wú)阻力的，而巷道風(fēng)流中實(shí)際存在的物質(zhì)包括CH4、O2、N2、H2O、CO2等氣體，但是在模擬過(guò)程中為了避免氣體成分過(guò)于復(fù)雜而影響空氣流動(dòng)速度只包括CH4、O2、N2。

由此可以看出此次模擬雖然得出的1705工作面中的瓦斯?jié)舛扰c實(shí)際結(jié)果比較吻合，但是模型以及邊界設(shè)置還存在許多應(yīng)該改進(jìn)的地方。

4 結(jié)論

(1)在沿風(fēng)流流動(dòng)方向上，進(jìn)風(fēng)側(cè)的瓦斯隨風(fēng)流向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移，導(dǎo)致回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊脑龃蟆?/p>

(2)在巷道某斷面沿高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使頂板附近的瓦斯?jié)舛雀哂诘装甯浇耐咚節(jié)舛龋@種分布特點(diǎn)適用于整個(gè)工作面。

(3)利用FLUENT模擬工作面瓦斯運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律與現(xiàn)實(shí)情況比較吻合，此種模擬方法對(duì)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

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