綜放工作面上隅角埋管抽采治理瓦斯的極限能力研究

張 倩，栗 磊，栗 偉

(1.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046204；2.潞安集團 瓦斯研究院，山西 長治 046204；3.潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

瓦斯抽采是高瓦斯、突出礦井回采工作面瓦斯治理的主要手段，而上隅角埋管抽采是回采工作面瓦斯抽采方式中較為常用的方式之一，也是治理上隅角瓦斯較為有效的方式[1-4]。綜放工作面通風(fēng)加上隅角埋管抽采方式治理瓦斯的極限能力有多大，本文通過數(shù)值模擬方式進行了研究。

1 工作面概況

7601工作面為五陽煤礦76采區(qū)首采工作面，地面標(biāo)高+884～+917 m，井下標(biāo)高+518～+431 m，開采3號煤層，煤種為瘦煤，平均煤厚6.14 m，平均傾角4°，煤塵具有爆炸性，為III類不易自燃煤層；工作面傾斜長187 m，走向長度2 260 m，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，全部垮落法管理頂板。工作面布置為U型通風(fēng)方式，配風(fēng)量2 000 m3/min；在回風(fēng)巷中布置了D400 mm抽采管對工作面回風(fēng)上隅角進行瓦斯抽采，混合抽采流量80 m3/min。

2 物理模型的建立、網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬邊界條件

2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

基于7601工作面采場的實際幾何尺寸，建立相應(yīng)數(shù)值模擬物理模型(見圖1)，物理模型的具體參數(shù)見表1。

模型中回風(fēng)巷布置抽放管對工作面上隅角進行瓦斯抽采，插管直徑0.4 m，插管中心離巷道底板高2.25 m，利用GAMBIT進行了網(wǎng)格劃分。

圖1 7601工作面數(shù)值模擬的物理模型

表1 工作面物理模型參數(shù) m

部位名稱工作面采空區(qū)支架部分進回風(fēng)巷抽風(fēng)管幾何大小x×y×z187×4×3187×200×40187×2×34×20×3d=0.4

2.2 數(shù)值模擬邊界條件

進風(fēng)巷的面邊界設(shè)置為VELOCITY_INLET，回風(fēng)巷和上隅角抽采風(fēng)管的邊界設(shè)置為OUTFLOW，將采空區(qū)和支架部分設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域。

2.3 工作面瓦斯涌出構(gòu)成

采用單元法對7601綜放工作面瓦斯涌出量及涌出構(gòu)成進行測定，得出：工作面瓦斯涌出總量為17.508 m3/min。其中：落煤瓦斯涌出量為3.648 m3/min，占總瓦斯涌出量的20.8%；采空區(qū)瓦斯涌出量為3.79 m3/min，占總瓦斯涌出量的21.6%；工作面煤壁瓦斯涌出量為10.07 m3/min，占總瓦斯涌出量57.6%。

2.4 綜放工作面瓦斯涌出源相設(shè)置

根據(jù)以上實測計算可知，7601工作面采空區(qū)瓦斯涌出占總量的21.6%左右，采落煤占20.8%，煤壁占57.6%。瓦斯涌出源相設(shè)置位置為：支架上方和煤壁瓦斯涌出源相設(shè)置在距支架和煤壁0.3 m內(nèi)均勻涌出，采空區(qū)瓦斯涌出源相設(shè)置在采空區(qū)底板1 m內(nèi)均勻涌出。通過編譯自定義函數(shù)UDF，實現(xiàn)在FLUENT運算過程中的加載調(diào)用，瓦斯涌出源相見表2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

7601綜放工作面目前通風(fēng)條件為：進風(fēng)量2 000 m3/min，瓦斯?jié)舛?.07%；回風(fēng)量1 920 m3/min，瓦斯?jié)舛?.68%；回風(fēng)上隅角抽排流量為80 m3/min，抽排瓦斯平均濃度為2.5%。由圖2采場瓦斯分布等值線可以看出：進風(fēng)巷、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扰c現(xiàn)場實測相同，數(shù)值模擬中上隅角插管抽排平均瓦斯?jié)舛葹?.65%，與現(xiàn)場實測值2.5%相差較小，說明數(shù)值模擬各參數(shù)設(shè)置合適，數(shù)值模擬結(jié)果可信度較高。

表2 7601工作面當(dāng)前情況瓦斯涌出源項

圖2 7601工作面采場瓦斯分布等值線

為了研究上隅角埋管抽采治理瓦斯的極限能力，將工作面進風(fēng)量調(diào)整為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的最大風(fēng)量2 880 m3/min，上隅角埋管抽采混量設(shè)為工作面低負壓系統(tǒng)所能達到的較大值220 m3/min，工作面瓦斯涌出量由23 m3/min間隔3 m3/min增大到44 m3/min，工作面瓦斯涌出比例不變進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果匯總見表3。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果匯總

由表3可以看出，隨著工作面瓦斯涌出總量由23 m3/min增大到44 m3/min，工作面上隅角瓦斯?jié)舛纫灿赏咚褂砍隹偭繛?3 m3/min時的0.7%升高到瓦斯涌出總量為44 m3/min時的1.4%；回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葎t由0.6%升高到1.1%；當(dāng)工作面瓦斯涌出總量為29 m3/min時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.9%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.8%；當(dāng)工作面瓦斯涌出總量為32 m3/min時，回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛?%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.84%，達到報警值。故在7601綜放工作面實際條件下，在上隅角抽排量增大到220 m3/min，進風(fēng)量增大到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的最大允許風(fēng)速4 m/s對應(yīng)的2 880 m3/min時，風(fēng)排加上隅角抽排治理工作面瓦斯的最大能力為工作面瓦斯涌出總量29 m3/min，上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛入S工作面瓦斯涌出總量的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛入S工作面

由圖3可以看出， 7601綜放工作面上隅角瓦斯?jié)舛入S工作面瓦斯涌出總量的增加呈線性升高，關(guān)系函數(shù)為y=0.098 2x+0.601 8，其中y為回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛龋瑇為工作面瓦斯涌出總量；回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛纫搽S工作面瓦斯涌出總量的增加呈線性升高，關(guān)系函數(shù)為w=0.067 4x+0.564 3，其中w為回風(fēng)巷平均瓦斯?jié)舛取?/p>

4 結(jié) 語

通過對五陽煤礦7601工作面瓦斯分布進行數(shù)值模擬，得出：上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛入S工作面瓦斯涌出總量的增加呈線性升高；工作面采用U型通風(fēng)方式、進風(fēng)量為2 880 m3/min、上隅角混合抽采量為220 m3/min時，工作面最大瓦斯治理能力為29 m3/min。通過數(shù)值模擬研究，為回采工作面選用上隅角埋管抽采提供了理論和數(shù)據(jù)支持，使工作面瓦斯治理更具科學(xué)性。