高抽巷+Y型通風工作面采空區瓦斯流場數值模擬研究

張興潤

(山西潞安化工集團 余吾煤業公司, 山西 長治 046103)

瓦斯災害是煤礦最嚴重的災害之一。傳統的U型通風系統不能很好地解決巷道瓦斯超限問題,尤其是工作面上隅角瓦斯濃度常常超標。造成這種現象的最根本原因是采空區漏風流場易引起上隅角瓦斯積聚。基于此問題大量學者提出Y型通風模式并展開相應研究。何滿潮等[1-3]提出在沿空留巷無煤柱開采中使用Y型通風,相比與“U”型通風,可更好地治理上隅角瓦斯超限問題;王炯等[4]提出了一種沿空留巷Y型通風條件下的留巷側現場測量碎脹系數測量方法,基于此確定采空區模型的滲透率等參數,并研究采空區漏風分布規律,但并未提出采空區漏風治理措施;李艷昌[5]和李良偉等[6]分別模擬“一進兩回”和“兩進一回”Y型通風模式,都證明Y型通風可以消除上隅角瓦斯;Qin[7]采用數值模擬分析了采空區瓦斯抽采規律,得出采空區周邊瓦斯更容易被抽采;康建宏等[8]利用Fluent對采空區中高抽巷抽采前后,瓦斯的流場分布進行了研究,從而得到了高抽巷的最佳空間布置位置。范紅偉等[9]提出結合瓦斯抽采與通風模式治理采空區;高茜等[10-12]模擬研究Y型采空區綜放面流場與瓦斯流動規律,并與U型系統通風比較總結出Y型通風特點;同時翟國華等[13-15]針對Y型通風瓦斯運移規律提出采空區埋管和鉆孔等措施綜合治理瓦斯;薛俊華等[16-18]研究不同風量配比對Y型通風采空區瓦斯流動的影響。基于前人研究,采用計算機模擬方法對“高抽巷+Y型通風”及聯合采空區埋管的瓦斯治理模式對采空區瓦斯流場進行分析和研究。

1 采空區流場數學模型

1.1 模型假設

采空區和巷道的實際工況復雜且多變,為便于研究,風流模擬過程中采用以下假設：

1) 忽略綜采工作面和巷道內設備產生的風阻影響。

2) 采空區中不考慮溫度變化影響,組分之間不考慮化學反應。

3) 不計水蒸氣蒸發和瓦斯解吸,同時將固體、氣體的物理性質參數視作常數。

4) 采空區內部區域視為多孔介質區域,滲透率和孔隙率等均符合經驗函數。

1.2 基本控制方程

采空區中的瓦斯運移遵循達西定律。達西定律最初是研究水在巖體中的滲流規律,后被推廣應用到流體在煤巖體及采空區中的運移規律。達西定律：

(1)

式中：q為滲流量;v表示滲流速度;K為多孔介質的滲透率;A為滲透面積;dp表示在dx長度內的壓差;i為水力梯度。

在假設和理論分析的基礎上,研究過程中,煤體的受力屬于固體力學的內容,煤體變形應滿足下面的固體力學平衡方程：

σi,j=Fi

(2)

式中：σ為分量順序,表示為σi,j;Fi為應力張量,表示體積力。

研究過程中,煤體被視為多孔彈性介質,并且具有均勻且各向同性的屬性,則滿足以下的彈性本構關系式：

σi,j=Dijklεi,j-aδijP

(3)

式中：Dijkl為彈性張量;a表示孔隙水壓力系數;εi,j為應變張量;δij是Kronecker符號,當i=j時,值為1,否則為0;P為流體壓力。

2 物理模型構建及參數設定

2.1 工作面概況

余吾煤業N1100工作面位于北風井西翼采區,沿南北方向布置。井下位置：南側為西翼采區5條大巷(自北向南分別為1#回風大巷、輔助運輸大巷、膠帶大巷、進風大巷、2#回風大巷);北側為實體煤;東側為N1101工作面(已采);西側為實體煤。N1100膠帶順槽長1 952 m,回風順槽長1 930 m,高抽巷長1 329 m;回采斜距1 193 m,回采平距1 191 m,切眼斜距328 m,切眼平距326.4 m,工作面可采儲量348.1萬t. N1100工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法,采用MGTY400/930-3.3 D型雙滾筒采煤機,采用“兩進一回”的Y型通風方式。

2.2 物理模型與網格劃分

根據工程概況對采空區進行簡化建模,采空區為328 m×150 m,其中冒落帶高度為20 m,裂隙帶高度為50 m,巷道斷面為5.4 m×3.8 m,根據實際模擬情況,沿空留巷設計為150 m×5.4 m×3.8 m,設計高抽巷為5 m×3 m×100 m,在次進風水平30 m,豎直35 m位置對裂隙帶進行抽采,分別研究添加單獨采空區瓦斯運移與高抽巷抽采后采空區瓦斯運移規律,模型見圖1. 完整網格包含1 529 848個域單元、105 566個邊界單元和2 936個邊單元。

圖1 模型幾何及網格劃分圖

2.3 求解參數設置

模型參數：瓦斯密度0.716 kg/m3,瓦斯動力黏度1.08×10-5Pa·s,基體等效壓縮率2.18×10-3Pa-1,流體壓縮率1.394 2×10-5Pa-1,煤體密度1 470 kg/m3,自然堆積區孔隙率0.3,載荷影響區孔隙率0.12,穩定壓實區孔隙率0.04,裂隙帶孔隙率0.03,煤體泊松比0.33,煤體初始滲透率0.907×10-15m2,煤體楊氏模量3 000 MPa,煤體瓦斯初始壓力0.31 MPa,標準大氣壓1.01×105Pa,Biot-willis系數0.801.

模型設置工作面瓦斯涌出量為11 m3/min,采空區瓦斯涌出量為25 m3/min,采空區0～50 m,瓦斯平均濃度為0.67%,高抽巷抽采負壓11 kPa. 以此對不同進風情況下采空區瓦斯運移規律進行數值模擬研究。

3 數值模擬結果分析

3.1 沿空留巷采空區流場及瓦斯濃度分布特征

設置3組2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min不同進風量對不抽采情況下采空區流場及瓦斯分布規律進行分析,見圖2.

圖2 不同進風量采空區流場分布圖

對比分析不同進風量下沿空留巷瓦斯分布規律可以發現,采空區流場分布與進風量的大小有直接關系,進風量越大,采空區流場速度越大,流線越密集,不同進風量下采空區流場分布特征相似,瓦斯隨風流從回風巷流出。

不同進風量條件下采空區瓦斯濃度分布見圖3,對比分析可以發現,隨著進風量的不斷增加,靠近工作面采空區瓦斯濃度逐步降低,同時工作面涌出瓦斯也隨風流進入回風巷,降低了工作面的瓦斯濃度。當進風量為2 028 m3/min時,可以看到工作面瓦斯濃度依然很高,而當進風量增大至2 328 m3/min時,工作面瓦斯濃度已降低至安全作業濃度以下,由此可以初步判斷,主進風巷道進風量應不低于2 328 m3/min.

圖3 不同進風量采空區瓦斯場分布圖

不同進風量條件下上隅角瓦斯濃度見圖4,對比分析可以發現,當進風量為2 028 m3/min時,上隅角瓦斯濃度較大,達到了0.7%,當進風量增加至2 328 m3/min,上隅角瓦斯濃度有明顯降低,風量繼續增加,上隅角瓦斯濃度變化不大。綜合考慮經濟效益等因素,沿空留巷采空區主進風風量優選為2 328 m3/min.

圖4 不同進風量下上隅角瓦斯濃度圖

3.2 不同位置高抽巷以及聯合采空區埋管條件下沿空留巷采空區流場分布特征

圖5(a)所示為高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m條件下采空區流場分布圖,可以看到,風流自主進風巷和次進風巷流入后,隨著沿空留巷流至回風巷,采空區內部的流場由于裂隙帶高抽巷的存在,導致高抽巷范圍內流線集中,大量瓦斯從高抽巷被抽出。

圖5 不同位置高抽巷條件下采空區流場分布圖

圖5(b)與圖5(c)所示分別為高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m和水平30 m、垂直50 m聯合埋管條件下采空區流場分布圖,可以看到,風流自主進風巷和次進風巷流入后,隨著沿空留巷流至回風巷,采空區內部的流場由于裂隙帶高抽巷以及采空區埋管的存在,導致高抽巷與采空區埋管范圍內流線集中,大量瓦斯從高抽巷及采空區埋管被抽出。

3.3 不同位置高抽巷不同抽采時間聯合采空區埋管條件下沿空留巷采空區瓦斯濃度分布特征

圖6(a)為高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m不同抽采時間下瓦斯分布規律,可以看出,當抽采時間50 d時,采空區瓦斯分布出現改變,沿空留巷上方的高抽巷開始對瓦斯分布產生影響,隨著抽采時間的增加,高抽巷附近煤巖層內瓦斯濃度逐步降低,當抽采時間達到200 d時,可以明顯看到瓦斯濃度下降,使區域瓦斯濃度達標。

圖6 不同位置高抽巷不同抽采時間下采空區瓦斯分布圖

圖6(b)和圖6(c)分別為高抽巷水平位置20 m、垂直位置40 m和水平位置30 m、垂直位置50 m聯合采空區埋管不同抽采時間下瓦斯分布規律,可以看出,當抽采時間30 d時,采空區瓦斯分布出現改變,沿空留巷上方的高抽巷及采空區埋管開始對瓦斯分布產生影響,隨著抽采時間的增加,高抽巷附近煤巖層內瓦斯濃度逐步降低,同時采空區內部瓦斯濃度也逐步降低,兩種方式聯合抽采可以明顯使采空區瓦斯濃度下降,使區域瓦斯濃度達標。

模擬結果表明,采用高抽巷及采空區埋管方式對沿空留巷采空區及裂隙帶瓦斯進行抽采,抽采效果更為明顯;對比高抽巷不同位置下采空區瓦斯分布特征,水平位置對瓦斯抽采效果影響不大,高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m時,均比實際高抽巷位置抽采效果好,因此建議高抽巷垂直位置為40～55 m為宜。

4 現場實際效果考察

表1為U型和Y型通風方式下N1100工作面不同位置瓦斯濃度變化。由表1可以看出,改變通風方式后回風順槽瓦斯濃度明顯降低,上隅角瓦斯得到消除。

表1 U型和Y型通風方式下N1100工作面瓦斯濃度變化表

對兩種通風方式下工作面柔模墻抽采量、高抽巷抽采量進行分析。如圖7所示,工作面U型通風方式下采用采空區上隅角懸管抽采上隅角瓦斯,抽采純量平均值為0.80 m3/min,Y型通風方式下采用柔模墻4英寸管抽采采空區瓦斯,抽采純量平均值為0.56 m3/min,較U型通風方式減少0.14 m3/min,近似認為兩種通風方式下采空區抽采純量無變化;工作面U型通風方式下高抽巷抽采純量18.73 m3/min,Y型通風方式下高抽巷抽采純量23.54 m3/min,抽采純量提升4.81 m3/min.

圖7 N1100工作面高抽巷、采空區抽采量變化情況圖

5 結 論

1) “兩進一回”Y型通風系統采空區瓦斯濃度分布規律為：沿走向向采空區深部瓦斯濃度逐漸增大,沿傾向從下向上瓦斯濃度逐漸增大,靠近沿空留巷瓦斯濃度最大。“兩進一回”Y型通風沿空留巷的末端是能位的最低點,漏風向沿空留巷末端流動。在風量分配合理的前提下,采空區瓦斯不會被帶至工作面及上隅角,因此瓦斯不會在上隅角積聚,徹底解決了上隅角瓦斯超限問題。

2) 分別建立進風量在2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min下的采空區瓦斯濃度分布數值模擬。對比分析可以發現,當進風量增大至2 328 m3/min時,工作面瓦斯濃度已經降低至安全作業濃度以下,結合經濟效益判斷,主進風巷道進風量應在2 328～2 628 m3/min.

3) 模擬結果表明,高抽巷聯合采空區埋管治理瓦斯效果更好;高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m時,均比實際高抽巷位置抽采效果好。結合現場實際考察效果Y型通風能夠消除上隅角瓦斯,但高抽巷抽采效果并不是很好,因此建議高抽巷垂直位置為40～55 m為宜。