騰暉煤業2-105工作面采空區瓦斯運移規律研究

劉子港

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

0 引言

瓦斯治理工作是礦井通風安全工作最為重要的組成部分，以往的現場工程實踐和研究成果均得出，因工作面上隅角漏風、瓦斯聚集等因素影響，該位置的瓦斯濃度要比其他區域的瓦斯濃度高。然而工作面回采后形成的采空區內部情況十分復雜，相應地其瓦斯運移和分布情況也難以進行直接分析研究。因此，本文通過FLUENT數值模擬方法，首先對綜采工作面上隅角瓦斯運移規律進行模擬分析，并在此基礎上對大直徑鉆孔以孔代巷合理布置方式進行對比研究，為瓦斯抽采工作提供理論依據。

1 工作面基本情況

騰暉煤業2-105綜采工作面地面位于西掌坡村莊北部，多為黃土覆蓋的丘陵地帶。井下位于井田西部的1采區，3條采區大巷前進方向左翼，巷道走向為東西。所開采2號煤層厚度為5.44～4.95 m，平均5.2 m，平均傾角2°。采用U型通風系統，其中2-1051巷承擔著運料進風的任務，2-1052巷承擔著出煤回風的任務。通過分源預測法對礦井瓦斯涌出量預測，2號煤層1采區工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量為30.40 m3/min，如果單單采用本煤層預抽的方式無法解決回采期間的絕對瓦斯涌出量，必須在回采期間采取必要的抽采措施，保證礦井安全生產。

盡管騰暉煤業目前針對開采層采空區已經采取了高位及低位裂隙帶、采空區埋管、鄰近層截抽等綜合抽采方法，但瓦斯抽采效果仍不理想，技術難題仍未攻克。針對開采層采空區，為真正達實現大流量、低負壓瓦斯抽采效果，擬將以孔代巷抽采技術應用于騰暉煤業2-105綜采工作面瓦斯治理當中，以徹底解決現開采層上隅角及采空區瓦斯治理難題，從而保證工作面安全高效地開展回采作業。2-105工作面大直徑鉆孔布置如圖1所示。

圖1 2-105工作面大直徑鉆孔布置示意圖

2 數值模擬方案

工作面回采后形成的采空區內部情況十分復雜，相應地其瓦斯運移和分布情況也難以進行直接分析研究。因此，本文通過FLUENT數值模擬方法，對2-105綜采工作面回采后形成的采空區瓦斯情況進行模擬，再繪制出其內部瓦斯分布云圖，以此對其瓦斯運移和分布情況進行分析研究。

2.1 Fluent模擬軟件

Fluent模擬軟件是可以對復雜形態流體進行模擬，具有廣闊的適用范圍，常被流體、熱傳導等領域作為研究工具使用。此外，C語言是Fluent軟件的編程基礎，因此，該模擬軟件自身的網絡有著靈活、多面的特點，同時還支持非結構網格的使用。

2.2 模型的假設條件與建立

2.2.1 假設的基本條件

1）將采空區中瓦斯涌出假設為溫度恒定且穩定流動的情況。

2）將采空區中瓦斯作為各向同性的理想氣體進行研究。

3）煤巖體中瓦斯流動情況符合達西定律。

4）將采空區中瓦斯流動情況作為湍流情況進行研究。

5）因為同煤層自身透氣性情況相比較，其圍巖自身的透氣性情況要差得多，所以假設頂底板巖層是沒有透氣性的，并且將瓦斯自身的粘結系數假設為一個自然常數。

2.2.2 物理模型的建立

采空區瓦斯運移的研究涉及到計算流體力學、多孔介質、滲流力學等多方面理論，因此建模必須準確合理才能得到科學的研究成果。為提高運算速度、簡化模擬模型，并遵循與現場實際情況相吻合的原則，利用長方體模型對2-105工作面、采空區及各巷道進行建模，并且僅對漏風因素納入研究范圍，其他影響因素不納入本次研究范圍。根據騰暉煤業2-105工作面開采情況，設置采空區長度300 m，其和工作面之間的界面長度180 m，開采高度5.2 m，并且2條順槽均矩形斷面，尺寸為15 m×5.1 m×3.2 m（長×寬×高），并且工作面支架兩端均預留5.1 m寬的無支架支撐區段，據此所建立的模型見圖2。

圖2 工作面與采空區3D物理模型

2.3 網格的劃分

利用該軟件具備的GAMBIT建模程序來對模型網格劃分，將工作面、采空區模型的網格尺寸分別劃分為3、2 m。網格劃分結果如圖3、圖4所示：

圖3 三維模型網格劃分

圖4 工作面、采空區網格劃分

2.4 數值模擬邊界條件

2.4.1 孔隙率的設定

根據前人研究成果，采空區介質的孔隙率同其所處空間位置之間有直接關系，利用煤巖體的碎脹系數可以對采空區煤巖體的孔隙率進行估算。按照O形圈理論，建立如上圖2所示的坐標系，采空區y=0切面上孔隙率在x軸上同工作面之間的距離呈現出如公式1所示的負指數關系：

式中：φx表示采空區y=0切面上孔隙率在x軸上的變化函數；x表示采空區y=0切面上某一位置x軸坐標值，單位為m；A,B,C表示均大于0的常數（不同采空區數值不同）。

按照O形圈理論，在y軸方向上的孔隙率函數如公式2所示：

式中：φy為在y軸上的孔隙率函數；L為工作面長度，單位為m；y為采空區中部某一位置y軸坐標值，單位為m；D,E為均大于0的常數。

采空區中煤巖孔隙率φ的空間分布函數可由φx、φy乘積表示，即：

2.4.2 采空區高度確定

按照O形圈理論，采空區覆巖具有三帶垮落特征，本文為模擬方便，只考慮冒落帶和斷裂帶。冒落帶最大高度Hm為：

式中：M為工作而采煤高度，單位為m。

導水裂隙帶高度Hf為：

2.4.3 其他設定

1）將工作面瓦斯看作是可以自由流動的區域，并設置其孔隙率數值為0.95。

2）在進風口邊界的條件設定速度入口，速度為2.5 m/s（依據進風量）。

3）瓦斯源項的設定（依據瓦斯不同涌出來源），設置各瓦斯來源部分均為均勻涌出的多孔介質，將其流動屬性設置成PRESTO。

4）出口的邊界條件設定為自由出流。

5）抽采孔直徑0.65 m，抽采孔設置為速度入口（速度為負值，依據抽采流量設定）。

6）設定采空區同工作面之間的交界面為2個interior格式的重疊面，并設定其他面為墻體格式。

3 采空區瓦斯運移數值模擬分析

3.1 U型通風無抽采采空區三維模擬

圖5 和圖6所示為U型通風工作面無抽采系統的采空區瓦斯速度軌跡圖、瓦斯濃度三維分布圖。

圖5 采空區瓦斯速度軌跡

圖6 瓦斯濃度分布圖

通過圖5和圖6可以得出：由于U型通風系統使得工作面兩端頭風壓存在壓差，采空區中瓦斯涌出會匯聚到漏風匯集的上隅角位置處，并且工作面上隅角位置處瓦斯呈現出渦流旋轉狀態，因此工作面上隅

角位置的瓦斯積聚現象最為嚴重且不易消散。

3.2 大直徑U型通風下鉆孔在的三維模擬

對大直徑鉆孔距工作面布置距離L分別為15、25、35、45 m 4種條件下，采空區瓦斯運移情況和工作面上隅角情況分別模擬分析，并且取z=3 m時截面云圖來觀察采空區瓦斯運移情況如圖7所示。

圖7 大直徑鉆孔不同距離條件下采空區瓦斯運移情況

通過圖7可以得出：L為15、25、35、45 m時對應的上隅角瓦斯濃度分別為0.71%、0.56%、0.78%和2.26%。工作面上隅角瓦斯濃度會隨著L值的增大而增大，而且其增大幅度在35～45 m的范圍內最為顯著。這是由于抽采位置向采空區深部轉移之后，工作面上隅角瓦斯抽采效果有所減弱，并且L值超過35 m后，采空區深部漏風風流中的濃度較高瓦斯會匯入回采流當中，這就引起工作面上隅角瓦斯濃度急劇上升。當間距為15～35 m時均可保證上隅角瓦斯不超0.8%，當L為25 m時為最佳距離。

3.3 對單孔、雙孔單系統和雙孔雙抽采系統對比模擬

本節對單孔、雙孔單系統、雙孔雙抽采系統之間抽采效果與規律進行對比分析，模擬結果如圖8所示。

通過圖8可以得出：當L為15、25、35、45 m時，雙孔雙抽采系統上隅角瓦斯濃度分別為單孔單抽采系統上隅角瓦斯濃度的0.44、0.39、0.42、0.46倍，雙孔單抽采系統上隅角瓦斯濃度分別為單孔單抽采系統的1.10、1.18、1.10、1.09倍。就上隅角瓦斯抽采效果而言，雙孔雙抽采系統>雙孔單抽采系統>單孔單抽采系統，因此，本工作面采用雙孔雙抽采系統能達到更好的抽采效果。

圖8 單孔、雙孔單系統、雙孔雙抽采系統上隅角瓦斯濃度

4 結論

1）當鉆孔和工作面之間距離為15～35m時均可保證上隅角瓦斯不超0.8%，并且25 m為最佳距離。

2）通過對單孔、雙孔單系統、雙孔雙抽采系統之間抽采效果模擬結果進行對比分析可知，本工作面采用雙孔雙抽采系統能達到抽采效果。