W型通風方式下采空區瓦斯運移規律數值模擬研究

范紅偉

(山西煤炭職業技術學院,太原 030031)

我國大部分礦井綜采工作面采用傳統的U型通風方式,但是隨著開采強度和開采深度的增加,瓦斯涌出量也隨之增加,容易造成上隅角瓦斯濃度超限[1-4]。因此，研究W型通風方式下采空區瓦斯運移規律具有重要的意義。

1 數學模型的建立

1.1 假設條件

為了深入分析,突出研究問題的重點,需要進行一些假設[5-8]。

1)采空區近似為各向同性,其滲透率不隨時間變化。

2)采空區組分運輸中氣體近似為甲烷、氧氣、水蒸氣、二氧化碳和氮氣的混合氣體,氣體之間不發生化學反應。

3)采空區氣體的流動近似為不可壓縮穩定滲流。

1.2 控制方程

基于對上述采空區的基本假設,采空區內的氣體遵循連續方程、動量方程、組分方程、能量方程,其通用形式如公式(1)所示[9]。

(1)

式中:Γ為廣義擴散系數;φ為通用變量;S為瓦斯源項;ρ為氣體密度,kg/m3;t為時間,s;u為平均流速向量的分量,m/s。

2 物理模型的建立

2.1 建模及網格劃分

根據采空區破碎巖體的垮落特征,確定采空區瓦斯運移范圍,采空區走向長度360 m,其中裂隙帶20 m、冒落帶18 m。以進風巷、工作面的交界面與底板平面相交直線的上頂點為模型的坐標原點,x軸指向回風側的方向,y軸指向采空區深處,z軸指向頂板。物理模型中xyz工作面為208 m×8 m×3 m,采空區為208 m×360 m×38 m,巷道為4 m×10 m×3 m。

整個模型采用Map劃分為Hexahedron。其中上進風巷、下進風巷、回風巷及工作面設置Interval size為1;采空區設置Interval size為0.5,見圖1所示。

圖1 W型通風方式劃分網格模型Fig.1 Meshing model of W-type ventilation

2.2 邊界條件的設置

兩條進風巷邊界條件為VELOCITY-INLET,風速都為1.5 m/s, 其氧氣濃度為20.96%,瓦斯濃度為0%; 回風巷邊界條件為OUTFLOW;采空區為FLUID,工作面與采空區的分界面INTERIOR,其它面都為WALL。

3 數值模擬結果及分析

3.1 W型、U型通風方式下采空區瓦斯分布對比

在同等條件下,采用FLUET軟件分別模擬了U型和W型通風方式下瓦斯濃度分布,見圖2和圖3所示。

2-a 采空區瓦斯濃度分布立體圖

2-b 工作面瓦斯濃度分布局部放大圖圖2 U型采空區瓦斯濃度分布立體圖Fig.2 Gas concentration distribution in goaf with U-type ventilation

3-a 采空區瓦斯濃度分布立體圖

3-b 工作面瓦斯濃度分布局部放大圖圖3 W型采空區瓦斯濃度分布立體圖Fig.3 Gas concentration distribution in goaf with W-type ventilation

從模擬的結果來看:

1)在U型通風方式下,從走向方向看,越深入采空區瓦斯濃度也越大;距工作面40 m以內的自然堆積區,瓦斯濃度較小為5%左右;在40 m～220 m的載荷影響區,瓦斯濃度遞增較大;距工作面220 m以外的壓實穩定區,形成瓦斯富集區,最高達85%左右。

2)從圖2-b可以看出,從進風巷到工作面中部,在新鮮風流的作用下,瓦斯濃度很低;但從工作面中部到回風巷,瓦斯濃度增加,瓦斯濃度在0.82%左右,回風巷內的瓦斯濃度達到1.37%,上隅角的瓦斯濃度更是達到了3.84%。

3)在W型通風方式下,采空區瓦斯在中間回風巷處匯集,且以此為中心成對稱分布,越深入采空區深處瓦斯濃度越大,在采空區深處300 m處瓦斯濃度最高達85%; 在垂直方向下,采空區瓦斯濃度從開采水平到裂隙帶逐步增加,尤其是在裂隙帶瓦斯濃度有較大的增加,形成高濃度瓦斯的富集帶。

4)從圖3-b可以看出,由于在同等條件下W型通風方式的風阻比U型通風方式少,從采空區漏出的瓦斯量也少,工作面的瓦斯濃度較低,只是在中間回風巷內瓦斯濃度有所增加,回風巷內瓦斯濃度為0.27%;其瓦斯濃度高的點在工作面中部風流匯合處,瓦斯濃度在0.76%左右。

3.2 不同類型W型通風方式下采空區瓦斯分布對比

模型仍采用上下巷進風中間巷回風的W型模型,除了風巷位置改變,各參數及邊界條件不變,對上兩條巷進風下面巷回風、下兩條巷進風上面巷回風的W型通風方式進行數值模擬,見圖4所示。

在三種類型W型的分布圖中,將y=8 m、z=3 m兩個平面相交,得到點(0,8,3)至(208,8,3)的直線,如圖5所示,此直線位于工作面與采空區的交界面,同時位于工作面的頂板上方。

從模擬結果來看:

1)從圖4可以看出,下兩條巷進風上面巷回風W型采空區瓦斯濃度分布圖是上兩條巷進風下面巷回風W型采空區瓦斯濃度分布圖在x=0軸的反轉,表明兩種類型的采空區瓦斯濃度分布規律基本相同。

4-a 上兩條巷進風下面巷回風

4-b 下兩條巷進風上面巷回風圖4 不同類型W型采空區瓦斯濃度分布立體圖Fig.4 Gas concentration distribution in goaf with different W-type ventilation

圖5 不同類型W型傾斜方向瓦斯濃度分布圖Fig.5 Gas concentration distribution with different tilt direction of W-type ventilation

2)從圖5可以看出,上兩條巷進風下面巷回風W型的下隅角瓦斯濃度為1.61%,下兩條巷進風上面巷回風W型的上隅角瓦斯濃度為1.57%,都存在瓦斯超限問題;由于上下巷進風中間巷回風W型進回巷壓力差較小,漏風不易漏入采空區深處,其回風隅角瓦斯濃度在0.76%左右。可見,上下巷進風中間巷回風W型通風方式是W型中較好的形式。

4 結論

1)通過對W型與U型通風方式下的采空區運移規律進行了數值模擬,結果表明:U型通風方式下回風巷、上隅角瓦斯濃度超限,回風巷內的瓦斯濃度達到1.37%,上隅角的瓦斯濃度更是達到了3.84%;而W型通風方式下回風巷內瓦斯濃度為0.27%,工作面中部瓦斯濃度在0.76%左右,解決了U型通風方式下上隅角瓦斯超限問題。

2)通過數值模擬發現上下巷進風中間巷回風W型通風方式下的采空區高瓦斯富集帶為距工作面300 m以后的裂隙帶內(18 m～38 m),為提高瓦斯抽采率提高了依據。

3)通過比較三種類型的W型通風方式下采空區瓦斯濃度分布,認為上下巷進風中間巷回風W型通風方式是W型中較好的形式。