回采工作面瓦斯抽采系統優化研究

潘文豐

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.潞安集團山西高河能源有限公司，山西長治 046000）

回采工作面瓦斯抽采系統優化研究

潘文豐1,2

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.潞安集團山西高河能源有限公司，山西長治 046000）

利用FLUENT軟件對陽煤集團開元煤礦3號煤層瓦斯抽采系統中的瓦斯流動進行了數值模擬，并以所建立的模型為基礎對開元煤礦瓦斯抽采系統進行了優化設計。研究結果表明，開元煤礦如需達到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管徑需增大至510mm。為礦井制定控制瓦斯災害、提高回采工作面瓦斯抽采率的技術措施提供參考。

數值模擬；抽采；瓦斯

抽采煤層瓦斯[1-7]是防治礦井瓦斯災害的有效方法之一。然而，隨著開元煤礦開采深度的增加，本煤層工作面的瓦斯涌出量較大，經常發生瓦斯超限，同時本煤層與鄰近層的瓦斯抽采率普遍偏低，嚴重制約了瓦斯抽采技術措施的實施，削弱了該方法對礦井瓦斯災害的防治作用。要提高開元煤礦瓦斯抽采技術措施的實施效果，就必須解決回采工作面采動卸壓瓦斯的有效抽采、提高工作面瓦斯抽采率。

1 礦井概況

開元煤礦主采煤層3號煤的相對瓦斯涌出量為15.6 m3/t，各煤層為中—高變質煤層，煤種屬瘦煤、貧煤。3號煤層有弱爆炸性，原煤瓦斯含量為7.15 m3/t~9.82 m3/t，平均瓦斯含量為8.49 m3/t；原煤瓦斯壓力為1.47 MPa，透氣性系數為0.003 1 m2/（MPa2·d）~0.062 2 m2/（MPa2·d），平均0.036 1 m2/（MPa2·d）；鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.005 6 d-1~0.007 5 d-1，平均0.006 4 d-1，屬較難抽放煤層。

2 管網瓦斯流動的數值模擬

利用FLUENT軟件進行流體流動與傳熱模擬計算的流程為首先利用GAMBIT進行流動區域幾何形狀的構建、邊界類型及網格的生成，并輸出用于FLUENT求解器計算的格式，然后利用FLUENT求解器對流動區域進行求解計算，并進行計算結果的后處理。

2.1開元煤礦3805工作面本煤層瓦斯流動的數值模擬方案

開元煤礦3805工作面本煤層瓦斯抽采由地面泵站提供抽采負壓，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立開元3805工作面本煤層瓦斯抽采系統三維計算模型，將坐標原點定在模型的中心。本文直接使用體網格對流體區域進行劃分，先對主管路區域劃分網格，網格尺寸為0.1m，再對瓦斯抽采支管劃分網格，網格尺寸為0.2 m。網格單元和類型分別為Hex/wedge和Cooper。模型網格圖見圖1。

圖1 模型網格圖

對3805工作面瓦斯抽采系統的入口和出口進行邊界條件賦值如表1所示。

表1 各工作面瓦斯抽采系統的入口和出口邊界條件賦值

啟動FLUENT三維雙精度求解器，輸入網格并對其進行檢查，確定網格劃分沒有錯誤。使用默認的3D穩態隱式求解器，選擇k-ε湍流模型。文章假設空氣為不可壓縮流體，且空氣從入口到出口的流動過程中不與外界發生熱交換，可看作是絕熱流體，因此本文沒有求解能量方程。流體材料設定為MATHANE-AIR混合氣體，根據瓦斯混合氣體濃度，設定流體密度為1.26 kg/m3，動力粘度為1.72×e-5kg/(m·s)，操作壓力為101 325 Pa。把收斂準則均設為0.001，設置迭代次數為2 000次，對入口進行初始化后進行迭代求解。經過一定的迭代次數后，結果收斂，求解完成。

2.2模擬結果分析

流體流動的過程中受管壁摩擦阻力及局部阻力的影響，流體入口壓力到出口壓力是遞減的過程，支管進口端的壓力與出口端的壓力與表1中的賦值相同且壓力呈遞減的趨勢，與實際情況相符。

3805 工作面進風巷瓦斯抽采支管的負壓為13.88 kPa，模擬結果顯示，進風巷支管的負壓為14.01 kPa，模擬結果與實際測量數據接近，誤差僅為0.92%，說明本模型所取參數是符合實際的，模擬結果是可信的，以此模型為基礎的其他模型的模擬結果也是可靠的。

實踐證明，流體在管路中流動時，同一截面上的各點的流速是不同的。管路中心處的流速最大，越靠近管壁流速越小，在管壁處等于零。截面上各點速度如圖2所示。

圖2 抽采系統主管路氣體流速

由于圖像是對稱的，因此只對管壁到管路中心這段數據進行擬合，擬合方程式為：V＝165.5x.

利用截面流速的擬合方程式，對3805工作面瓦斯抽采支管瓦斯流量進行計算，可得支管瓦斯流量為：

根據實測數據，3805工作面進風巷支管瓦斯流速為15.103m3/min，模擬結果與實測結果的誤差為0.6%。

3 管網選線優化設計

利用礦井網絡圖論理論，把礦井瓦斯抽采系統進行簡化，可得到5-a所示的抽采系統簡圖，再經過計算分析，根據礦井抽采網絡內瓦斯流動的基本規律，可以繪制如圖5-b的抽采網絡圖。該網絡圖僅含有一條樹，余樹含有10個獨立回路(圖中箭頭所標注的方向為回路瓦斯流動方向)。圖中，A為地面管段；B為總回風井；C為東二皮帶巷；D為九號煤回風下山；E為二水平回風大巷；F為3805進風226 mm PE管路；G為3805回風226 mm PE管路；H為七采區回風巷；I為9405回風226 mm管路；J為9405進風226 mm管路；K為八采區回風巷；L為3710進風巷；M為3710回風巷；N為9801回風226 mm管路；O為9801進風226 mm管路；P為9804回風226 mm管路；Q為9804進風226 mm管路；S為瓦斯抽采巷；T為二水平回風巷。

抽采管網決定著抽采阻力的大小，抽采阻力大，系統性能低；抽采阻力小，系統性能高。隨著煤炭的不斷開采，開元煤礦本煤層瓦斯抽采管路不斷延伸，本煤層抽采管路阻力不斷增大。根據開元煤礦各工作面風排瓦斯量及抽采瓦斯量，如果開元煤礦實現本煤層瓦斯抽采率達到40%的目標，本煤層瓦斯抽采主管流量需達到125 m3/min，支管瓦斯混合量需達到30m3/min，表2為圖5中各回路的總阻力。

圖5 瓦斯抽采系統簡圖及網絡圖

表2 本煤層瓦斯抽采各回路阻力

3.1模擬方案

由于9801工作面本煤層瓦斯抽采系統管路最長，抽采阻力最大，因此選取此工作面作為數值模擬對象，如果某一管徑能夠滿足此工作面提高瓦斯抽采率所需要的流量要求，就能夠滿足其他工作面對管徑的要求。因此針對開元煤礦主管路阻力過大的問題，提出如表3中的管徑優化方案。

表3 開元煤礦瓦斯抽采系統管徑優化方案

表4為工作面瓦斯抽采系統的入口和出口邊界條件賦值。

表4 工作面瓦斯抽采系統的入口和出口邊界條件賦值

3.2模擬結果分析

如前所述，如果開元煤礦實現本煤層瓦斯抽采率達到40%的目標，本煤層瓦斯抽采主管流量需達到125 m3/min，支管瓦斯混合量需達到30m3/min。

通過流速可以對管路橫截面積進行積分運算，得到不同主管管徑條件下9801工作面主管路及支管管路瓦斯流量，如表5所示。

表5 不同主管管徑條件下9801工作面主管管路及支管管路瓦斯流量

在抽采系統管路進口與出口邊界條件確定后，隨著管徑的增大，流體流量不斷增加，開元煤礦要實現本煤層瓦斯抽采率40%的目標，需將主管路管徑由420mm增大為510 mm。

4 結論

通過計算瓦斯抽采系統各管段阻力，簡化了礦井瓦斯抽采系統并建立了抽采系統網絡圖，利用FLUENT對開元煤礦瓦斯抽采系統中的瓦斯流動進行了數值模擬研究，并以此模型為基礎對開元煤礦瓦斯抽采系統進行了優化設計。研究結果表明，開元煤礦如達到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管徑需增大至510mm。

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（編輯：楊鵬）

Optim ization on Gas Drainage System on Working Face

PAN W en feng1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Shanxi Gaohe Energy Co.,Ltd.,Lu'an Group,Changzhi 046000,China)

FLUENTwas used to simulate the gas flow in the gas drainage system in No.3 coal seam in Kaiyuan Mine,Yangcheng Coal Group.Based on the established model,the gas drainage system was optimized.The resultsshow that the diameterofmain pipe should increase to510mm in order tomeet the requirement of gas extraction rate of 40%in Kaiyuan Mine.The study could provide reference for gas controland improvementofgasextraction rateon theworking face.

numericalsimulation;gas drainage;gas

TD712.6

A

1672-5050（2016）06-048-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.015

2016-04-27

潘文豐(1984-)，男，山西晉城人，在讀工程碩士，工程師，從事安全工程研究工作。