采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬

羅振敏 郝苗 蘇彬 倪行

摘?要：為研究采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，以貴州某礦P41104工作面為研究對(duì)象，搭建了三維采空區(qū)氣體運(yùn)移綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件，從通風(fēng)風(fēng)速、遺煤氧化升溫和高溫封閉這3個(gè)方面對(duì)U型通風(fēng)方式下的采空區(qū)瓦斯分布情況進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)采空區(qū)通風(fēng)風(fēng)速從1.25 m/s增大到1.50 m/s時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛认陆?%左右，回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛壬仙?%左右，增大通風(fēng)風(fēng)速在一定程度上可以降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，但?duì)采空區(qū)深部空隙率較小的地方基本上沒有起到作用;當(dāng)采空區(qū)局部遺煤氧化升溫后，隨著溫度的升高，瓦斯?jié)舛忍荻纫苍谏仙诓煽諈^(qū)內(nèi)走向上和傾向上瓦斯?jié)舛确植紱]有太明顯的變化;當(dāng)對(duì)采空區(qū)封閉時(shí)間延長時(shí)，采空區(qū)傾向上瓦斯分布梯度逐漸消失，瓦斯受到濃度差的作用，在垂直方向上升較快，當(dāng)封閉時(shí)間長達(dá)3 h后，在各個(gè)方向上的濃度梯度逐漸消失，整個(gè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸罱K趨于平衡狀態(tài);相似實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果基本上吻合。以上結(jié)論為解決綜采工作面瓦斯超限和防止采空區(qū)遺煤氧化升溫的治理提供重要指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：安全科學(xué)與工程;采空區(qū);瓦斯運(yùn)移規(guī)律;通風(fēng)風(fēng)速;氧化升溫;封閉; 中圖分類號(hào)：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）01-0031-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0105開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Experiments and numerical simulation research

on gas migration ingoaf

LUO Zhen-min?1，2，3，4，HAO Miao?1，2，3，4，SU Bin?1，2，3，4 ，NI Xing?1，2，3，4

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.The Western Coal Mine Safety Engineering Research Center of the Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

4.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue，Xian 710054，China）

Abstract：In order to obtain the gas migration laws in the goaf，taking No.P41104 working face of Guizhou Mining Area as the research object，the gas concentration distribution rules parameters in the goaf with U-shape ventilation system were studied from three aspects：wind speed，coal oxidation heating and sealing conditions by setting up the three dimensional gas migration comprehensive experimental platform and using the Fluent numerical simulation software.The results show that with the increase of the wind speed from 1.25 m/s to 1.5 m/s，the gas concentration in the intake airway decreases by about 4%，and return air gas concentration increases by about 2%.Increasing the wind speed can reduce the gas concentration in the goaf to a certain extent，but it has no effect on the area with small air void ratio in the deep part of the goaf.When the coal in the goaf is oxidized，the gas concentration gradient also rises with the increase of temperature，and there is no obvious change along the strike and the tendency in the goaf; with the increase of the sealing time of the goaf，the gas distribution gradient tends to disappear gradually，the gas is affected by the concentration difference and rises rapidly in the vertical direction.When the sealing time is up to 3 hours，the concentration gradient in each direction gradually disappears，and the gas concentration in the whole goaf eventually tends to balance. Similar experiments were in agreement with numerical simulation results.The above conclusions provide a guiding significance for solving the gas over-run of the fully-mechanized coal mining face and preventing the oxidation of the coal in the goaf.Key words：safety science and engineering;goaf;gas migration;wind speed;oxidation heating;sealing

0?引?言

采空區(qū)是大量游離瓦斯聚集的區(qū)域。采空區(qū)涌出瓦斯占采掘空間瓦斯涌出量的40%左右，有些礦井采空區(qū)涌出瓦斯占到采掘空間總瓦斯涌出量的60%～70% [1]。瓦斯是引起礦井動(dòng)力災(zāi)害的主要因素之一，容易導(dǎo)致煤礦發(fā)生爆炸和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)[2]。采空區(qū)的氣體包括甲烷、空氣以及一氧化碳等其他氣體，以多元混合氣體形式存在，以不同濃度分布在采空區(qū)各個(gè)區(qū)域，受工作面漏風(fēng)流的風(fēng)壓、頂板破壞的沖擊力、瓦斯涌出的動(dòng)力、遺煤自燃的火風(fēng)壓等外力作用，在采空區(qū)內(nèi)部形成不同流動(dòng)、組分濃度以及溫度的瓦斯分布情況[3]。因此掌握采空區(qū)瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律是防治煤礦采煤工作面瓦斯超限、采空區(qū)瓦斯爆炸等問題的關(guān)鍵。

國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究。其中，李樹剛、許滿貴等將采空區(qū)分為自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)3個(gè)區(qū)域，并基于采空區(qū)瓦斯?jié)B流控制方程，應(yīng)用Fluent軟件，模擬研究了采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律[4-6]。胡千庭等采用CFD數(shù)值模擬方法研究了采空區(qū)正常回采的工作面內(nèi)瓦斯的流動(dòng)及其分布的一般規(guī)律[7]。Yuan等研究了不同通風(fēng)系統(tǒng)的采空區(qū)漏風(fēng)流場，得到采空區(qū)流場分布情況[8]。凡永鵬等通過建立采空區(qū)數(shù)值模擬解算模型，研究了“U+I”型工作面在不同進(jìn)風(fēng)量、不同抽采負(fù)壓下的工作面瓦斯?jié)舛?，得出了進(jìn)風(fēng)量和頂板巷抽采負(fù)壓對(duì)工作面瓦斯?jié)舛鹊挠绊慬9]。高建良等通過建立采空區(qū)數(shù)學(xué)模型研究了在不同供風(fēng)量和高抽巷抽采情況下采空區(qū)漏風(fēng)及瓦斯?jié)舛确植记闆r，得到了工作面全程的漏風(fēng)及采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律[10-11]。李俊賢等更進(jìn)一步地研究了“U+I”通風(fēng)系統(tǒng)，加上了抽采瓦斯，研究了復(fù)雜流場下采空區(qū)風(fēng)流流場及瓦斯分布[12]。李英明等對(duì)U型工作面上隅角有無埋管抽采采空區(qū)瓦斯進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比研究[13]。溫良秀、楊明等分別研究了地面鉆孔抽采和不同煤層傾角下的采空區(qū)瓦斯分布情況[14-15];Kang，Hao等分別研究了采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓黾安煽諈^(qū)上隅角的瓦斯分布規(guī)律[16-17]。Balusu等通過建立長壁工作面采空區(qū)流場動(dòng)力模型，研究各種復(fù)雜條件下的采空區(qū)內(nèi)流場分布及瓦斯分布情況[18]。姜華通過搭建小型采空區(qū)氣體滲流相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究采空區(qū)在U型通風(fēng)方式下的漏風(fēng)流場分布規(guī)律[19]。蔣仲安等通過實(shí)驗(yàn)研究了不同風(fēng)速條件下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律及上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律[20]。丁厚成采用相似材料實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)內(nèi)不同通風(fēng)方式下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，獲取U+L型通風(fēng)綜采采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律[21]。李韞華搭建采空區(qū)氣體滲流物理相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)U型通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)遺煤自燃危險(xiǎn)性的影響[22]。魏引尚等通過建立回風(fēng)隅角滯后模型，模擬回風(fēng)隅角處風(fēng)流流場和壓力分布狀況，研究礦井工作面回風(fēng)隅角風(fēng)流流場與其布置方式之間的關(guān)系，并分析回風(fēng)隅角有害氣體積聚的原因[23]。

針對(duì)不同條件下的工作面采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，上述學(xué)者已有了大量研究成果，大部分研究是采用數(shù)值模擬方式。由于采空區(qū)的復(fù)雜性，采空區(qū)流場及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究還存在一些問題，對(duì)于采空區(qū)高溫封閉情況下氣體分布情況的研究還不是很多。針對(duì)貴州礦區(qū)煤層賦存條件，文中擬采用三維采空區(qū)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同風(fēng)速、遺煤升溫及高溫封閉這3種情況下的采空區(qū)瓦斯分布情況進(jìn)行研究，并采用Fluent數(shù)值模擬方

法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律。

1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1?相似性實(shí)驗(yàn)

1.1.1?實(shí)驗(yàn)對(duì)象及模型設(shè)定

實(shí)驗(yàn)選取貴州某礦P41104綜放工作面為原型，工作面走向布置，面長150 m.采空區(qū)走向長度200 m，采空區(qū)深度400 m，煤層平均厚度7 m，該工作面地表標(biāo)高2 083～1 861 m，煤層傾角平均14°.煤層上覆巖層主要包括泥灰?guī)r、細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖等。

實(shí)驗(yàn)主要是研究不同條件下的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模趯?shí)驗(yàn)過程中要滿足的相似條件有幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似以及動(dòng)力相似。通過計(jì)算確定幾何相似比1∶300，風(fēng)速相似比1∶1，密度相似比1∶1.三維小型相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)所能模擬的實(shí)際模型尺寸為0.8 m×0.5 m×0.6 m（長×寬×高），根據(jù)相似比之間的換算，可以模擬的采空區(qū)尺寸為240 m×150 m×180 m（長×寬×高），根據(jù)換算的尺寸可知，三維相似運(yùn)移實(shí)驗(yàn)臺(tái)符合模擬工作面P41104的采空區(qū)尺寸。

1.1.2?模型鋪設(shè)及測點(diǎn)布置

三維瓦斯運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括5個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)臺(tái)箱體及煤層開采系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、氣體釋放系統(tǒng)、溫度裝置系統(tǒng)、氣體監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)箱體骨架前后由鋼板材料左右由有機(jī)玻璃材料通過螺栓緊固而成，通過箱體左右兩側(cè)可以看出實(shí)驗(yàn)過程中巖層形態(tài)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)箱體底部的中間位置布置有28個(gè)尺寸為0.50 m×0.03 m（長×寬）的條鋼，通過雙螺旋桿進(jìn)行升降條鋼，實(shí)現(xiàn)礦井開采過程，自然形成垮落形態(tài)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備如圖1所示。

為了保證實(shí)驗(yàn)過程安全，采用安全性強(qiáng)而且對(duì)環(huán)境沒有影響的氦氣作為示蹤氣體模擬運(yùn)移規(guī)律[24-25]，所以實(shí)驗(yàn)過程中測取氣體濃度的儀器為氦氣分析儀。實(shí)驗(yàn)鋪設(shè)以及完成過程中，巖層所需要的材料為淀粉、水泥、云母粉。將相似材料按照相似比例逐層鋪好，在每層之間用適量的云母粉進(jìn)行分層，確保層理分明。將溫度傳感器、溫度加熱棒、U型通風(fēng)管、氦氣分析儀等按預(yù)設(shè)位置布置在模型中。實(shí)驗(yàn)臺(tái)鋪設(shè)完成以后對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及底部通氣周圍采用704硅橡膠進(jìn)行密封工作，保證實(shí)驗(yàn)過程中管路的氣密性。

測氣管路位置的布置：為了能夠盡量測取每一處位置的數(shù)據(jù)，在每層主要布置了49個(gè)點(diǎn)，其中在采空區(qū)走向上每隔100 mm布置一個(gè)點(diǎn)，總共布置7個(gè)測氣點(diǎn);在傾向上每隔60 mm布置一個(gè)點(diǎn)，總共布置7個(gè)點(diǎn)。為了能夠反映采空區(qū)垂直高度上瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，共布置有3層測氣點(diǎn)，在

垂直方向上可以觀測溫度源以及封閉對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊?。測氣管路布置平面圖如圖2所示。

1.2?數(shù)值模擬

1.2.1?數(shù)學(xué)模型的建立

為了深入分析，突出研究問題的重點(diǎn)，需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行一些合理的簡化假設(shè)[26-27]

①采空區(qū)內(nèi)氣體為不可壓縮理想混合氣體，其流動(dòng)服從滲流規(guī)律;

②瓦斯涌入源只考慮采空區(qū)遺煤瓦斯涌出和下鄰近層瓦斯涌出;

③采空區(qū)近似為各向同性，其滲透率不隨時(shí)間變化;

④采空區(qū)內(nèi)瓦斯的密度遠(yuǎn)小于空氣的密度，所以瓦斯在三維空間內(nèi)會(huì)因重力上浮，故在模型中應(yīng)考慮重力效應(yīng)。

采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，根據(jù)上述假設(shè)，流動(dòng)氣體滿足以下基本方程：湍流流動(dòng)方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程。

（2）

式中?ρ為流體密度;k為滲透率;μ為動(dòng)力黏度系數(shù);μt為湍流黏度;Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流能項(xiàng);Gb為浮力產(chǎn)生的湍流能項(xiàng);YM為可壓縮流動(dòng)中耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng);C1ε，C2εC3ε為模型常數(shù);σk，σε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù);Sk，Sε分別為用戶定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)。

2）連續(xù)性方程

式中?ρ為混合氣體密度;t為時(shí)間;為孔隙率;V為多孔介質(zhì)中氣體流動(dòng)速度;q為匯強(qiáng)度;源為正項(xiàng);匯為負(fù)項(xiàng)。

3）動(dòng)量守恒方程

式中?為粘性應(yīng)力張量，對(duì)不可壓縮氣體來說，

=μ（v+vT）;KP為多孔介質(zhì)的滲透率;μ為氣體的動(dòng)力粘度;C2稱為慣性阻力因子。

4）組分質(zhì)量守恒方程

式中?u，v，w為速度矢量分別在x，y，z方向上的分量;Cch4，

ρcch4，Dch4分別為組分S的體積濃度、質(zhì)量濃度和擴(kuò)散系數(shù);S

ch4為微元體的生成率。

1.2.2?幾何模型

根據(jù)采空區(qū)破碎巖體的垮落特征，確定采空區(qū)瓦斯運(yùn)移范圍，采空區(qū)走向長度800 mm，寬度400 mm，總體高度600 mm，其中裂隙帶和下沉彎曲帶總高度480 mm，冒落帶100 mm.沿采空區(qū)走向上，由淺部向深部孔隙率逐漸減小，把模型垮落帶分成3部分，孔隙率分別為0.26，0.24，0.20.沿垂直方向設(shè)為0.15.瓦斯涌出源只考慮采空區(qū)遺煤瓦斯涌出和上下鄰近層瓦斯涌出，涌出方式為均勻涌出。邊界條件的設(shè)定主要考慮進(jìn)出口風(fēng)速，進(jìn)風(fēng)口為空氣，進(jìn)風(fēng)速度模擬了實(shí)驗(yàn)速度，分別為1.25，1.5 m/s.熱源設(shè)置在采空區(qū)冒落帶的自然堆積區(qū)深部，距離荷載區(qū)附近，模擬溫度分別為373，423 K.

2?結(jié)果與分析

2.1?不同風(fēng)速下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r

實(shí)驗(yàn)采用U型通風(fēng)方式，熱源溫度300 K，釋放時(shí)間180 min，調(diào)整工作面風(fēng)速分別為1.25和1.5 m/s時(shí)研究采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。圖3和圖4所示分別為不同風(fēng)速下瓦斯分別沿走向和傾向濃度分布情況。

從圖3可以看出，當(dāng)工作面巷道通風(fēng)風(fēng)速為1.25 m/s時(shí)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植际艿铰╋L(fēng)的影響。沿采空區(qū)走向，瓦斯?jié)舛扔蓽\部到深部逐漸增大，靠近淺部的瓦斯?jié)舛扔兴档?。在走向上，瓦斯?jié)舛确植挤譃?個(gè)區(qū)間段，100～300 mm之間瓦斯?jié)舛绕骄?，濃度?4%左右，在300 mm以后瓦斯?jié)舛瘸噬仙厔?，最終瓦斯?jié)舛冗_(dá)到80%左右。發(fā)生這種濃度分布的原因主要是靠近工作面的采空區(qū)淺部，由于垮落時(shí)所造成的空隙空間比較大，這部分區(qū)域的孔隙率相比采空區(qū)深部大，在正常通風(fēng)條件下，從工作面進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)稀釋了淺部的瓦斯?jié)舛?，降低了瓦斯?jié)舛?，隨著采空區(qū)走向上距離的變大，空隙空間受到礦壓作用在采空區(qū)深部已經(jīng)被嚴(yán)重壓實(shí)，由于采空區(qū)深部壓實(shí)所引起的孔隙度越來越小，離工作面相對(duì)較遠(yuǎn)，進(jìn)去采空區(qū)的漏風(fēng)基本上很難到達(dá)該區(qū)域，所以對(duì)這部分區(qū)域基本上沒有影響。在傾向上，沿傾向20 mm到260 mm之間氣體濃度梯度不大，而在260 mm到回風(fēng)巷之間的濃度逐漸變大。分析原因是由于在漏風(fēng)的影響下，隨著進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流流向回風(fēng)巷，風(fēng)流帶走了淺部的大量瓦斯，導(dǎo)致采空區(qū)回風(fēng)巷上隅角的瓦斯?jié)舛让黠@高于進(jìn)風(fēng)巷濃度。

從圖3和圖4對(duì)比中可以看出，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速變大時(shí)，采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛容^之前正常通風(fēng)情況下相比有所降低，進(jìn)風(fēng)巷以及周圍的瓦斯?jié)舛扔休^明顯的下降，在進(jìn)風(fēng)巷處的瓦斯?jié)舛认陆盗?%左右，相應(yīng)情況下回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛壬仙?%左右。隨著采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量變大，過多的風(fēng)流會(huì)稀釋更多的瓦斯?jié)舛?，改變通風(fēng)風(fēng)速可以有效降低采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛?而在采空區(qū)深部沿走向的瓦斯?jié)舛炔]有發(fā)生較明顯的變化?；仫L(fēng)巷處瓦斯?jié)舛壬叩脑蚴怯捎谕L(fēng)后在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)巷瓦斯在受漏風(fēng)的作用下，瓦斯向采場的回風(fēng)巷流動(dòng)，隨風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷。當(dāng)通風(fēng)量越大時(shí)，漏風(fēng)就越大，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的濃度差也越大。

經(jīng)過相似比之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)實(shí)驗(yàn)圖3中距回風(fēng)巷20 mm曲線圖進(jìn)行放大，除了相應(yīng)的位置擴(kuò)大300倍以外，對(duì)實(shí)驗(yàn)所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放3倍與現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)進(jìn)行相比較。通過圖5可以看出，相似實(shí)驗(yàn)所測取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本趨勢與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢基本相似，瓦斯分布趨勢也基本符合現(xiàn)場規(guī)律，隨著采空區(qū)的深入，瓦斯?jié)舛纫沧兇?，通過對(duì)通風(fēng)情況下的對(duì)比，證明了相似實(shí)驗(yàn)的可靠性。

圖6所示為不同風(fēng)速下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D，通過對(duì)不同風(fēng)速下的采空區(qū)瓦斯?jié)舛葘?duì)比分析可以得出，增大通風(fēng)風(fēng)速對(duì)采空區(qū)深部空隙率較小的地方基本上沒有起到作用。該模擬所展現(xiàn)的瓦斯分布規(guī)律與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)基本吻合。

2.2?遺煤氧化升溫后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)高溫時(shí)，分別對(duì)熱源設(shè)置溫度300，373，473 K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖7為在不同溫度下采空區(qū)底層沿走向上的瓦斯?jié)舛确植迹?/p>

隨著溫度的升高，熱源周圍的瓦斯?jié)舛仍谏仙仙奶荻入S著溫度的升高而變大，當(dāng)熱源的溫度為473 K時(shí)，熱源處的濃度比之前溫度為300 K時(shí)上升了5%左右。濃度升高的原因是溫度升高后，加劇了分子的熱運(yùn)動(dòng)，加速了分子的擴(kuò)散，并運(yùn)移到采空區(qū)頂部，所以采空區(qū)頂層瓦斯?jié)舛让黠@上升。

圖8為不同溫度下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部遺煤氧化升溫后，瓦斯?jié)舛确植嫉内厔莶]有發(fā)生明顯的運(yùn)移，較之前相比，分布趨勢基本一致。

2.3?封閉后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r

調(diào)節(jié)溫控儀使溫度達(dá)到473 K時(shí)，關(guān)閉蠕動(dòng)泵，對(duì)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行封閉，用硅橡膠對(duì)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行密閉處理。圖9所示是不同封閉時(shí)間下采空區(qū)內(nèi)沿走向的瓦斯?jié)舛确植肌?/p>

可以看出，當(dāng)采空區(qū)發(fā)生遺煤氧化升溫并進(jìn)行封閉后，整個(gè)采空區(qū)氣體濃度不再受漏風(fēng)的影響，隨著封閉時(shí)間的延長，采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛壬仙^快，而采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛仍跀U(kuò)散的作用下緩慢減小。

封閉1.5 h后，采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛壬仙?0%，封閉3 h后，采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛壬仙?/p>

37%，當(dāng)對(duì)采空區(qū)封閉5 h后，采空區(qū)深部的瓦斯

濃度在濃度差的作用下，從原來的80%下降到61%，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛然具_(dá)到平衡狀態(tài)，整個(gè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛炔钶^小，最終濃度達(dá)到61%.產(chǎn)

生這種狀態(tài)的原因是當(dāng)進(jìn)回風(fēng)巷道封閉后，沒有漏風(fēng)流影響采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，加上之前采空區(qū)存在的瓦斯?jié)舛炔?，采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛认驕\部運(yùn)移，導(dǎo)致淺部瓦斯?jié)舛壬仙^快，最終上升到濃度差很小，在溫度的影響下，下層的瓦斯?jié)舛纫蚕虿煽諈^(qū)上層運(yùn)移。

圖10所示為封閉情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D，當(dāng)采空區(qū)封閉后，采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛壤^續(xù)上升，沿走向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛缺仍跍\部瓦斯?jié)舛纫咭恍?，但趨勢不明顯。傾向上，封閉后進(jìn)風(fēng)口不再漏風(fēng)，采空區(qū)內(nèi)沒有風(fēng)流，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷之間的濃度差逐漸消失。

2.4?相似實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

選取特定條件下相似實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖11所示分別為不同風(fēng)速、遺煤氧化升溫和采空區(qū)封閉180 min的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。

可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬所反映的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律基本一致，局部位置存在微小差別，主要是由于實(shí)驗(yàn)過程中相似材料鋪設(shè)與Fluent模擬中參數(shù)的設(shè)置存在一定誤差，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程采用氦氣代替瓦斯氣體，因?yàn)楹夂屯咚箽怏w的密度存在一定大小差異，以及實(shí)際過程中不可能做到完全密封，總體上實(shí)驗(yàn)與模擬間的差異在可接受的合理范圍之內(nèi)。

3?結(jié)?論

1）隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，漏風(fēng)量變大，采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛容^之前正常通風(fēng)情況下相比有所降低，進(jìn)風(fēng)巷以及周圍的瓦斯?jié)舛认陆?%左右，相應(yīng)情況下回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛壬仙?%左右。改變通風(fēng)風(fēng)速可以有效降低采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛?但對(duì)采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛确植紱]有產(chǎn)生影響。

2）當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部遺煤在漏風(fēng)影響下，發(fā)生氧化升溫后，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r與常溫比并沒有明顯改變。在遺煤氧化升溫的位置瓦斯?jié)舛认啾容^之前升高了2%左右，周圍瓦斯?jié)舛扔行》壬?，在傾向上，瓦斯?jié)舛仁艿铰╋L(fēng)的影響，在上隅角處瓦斯?jié)舛缺容^高，在垂直方向上受到升浮作用的加劇，瓦斯氣體在采空區(qū)頂部的濃度升高。

3）對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封閉后，整個(gè)采空區(qū)氣體濃度不再受漏風(fēng)的影響，隨著封閉時(shí)間延長，采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛妊杆偕仙?，而采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛仍跀U(kuò)散的作用下緩慢下降，當(dāng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封閉5 h后，采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯?jié)舛然具_(dá)到平衡狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]?趙洪寶，潘衛(wèi)東，汪?昕.開采薄煤層采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（S2）：440-443.ZHAO Hong-bao，PAN Wei-dong，WANG Xin.Numerical simulation on distribution of gas concentration in goaf under condition of mining thin coal seam[J].Journal of China Coal Society，2011，36（S2）：440-443.

[2]?曹?偈，孫海濤，戴林超，等.煤與瓦斯突出動(dòng)力效應(yīng)的模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，47（1）：113-120，154.CAO Jie，SUN Hai-tao，DAI Lin-chao，et al.Simulation research on dynamic effect of coal and gas outburst[J].Journal of China University of Mining & Technology，2018，47（1）：113-120，154.

[3]?車?強(qiáng).采空區(qū)氣體三維多場耦合規(guī)律研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2010.CHE Qiang.Study on coupling law of mixed gas three-dimensional multi-field in goaf[D].Beijing：China University of Mining and Technology，Beijing，2010.

[4]李樹剛.綜放開采圍巖活動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（6）：809-810.LI Shu-gang.Gas migration law and its control under the influence of surrounding rock activity in fully-mechanized caving mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（6）：809-810.

[5]李樹剛，張?偉，鄒銀先，等.綜放采空區(qū)瓦斯?jié)B流規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（2）：1-3，7.

LI Shu-gang，ZHANG Wei，ZOU Yin-xian，et al.Study on numerical simulation of gas seepage regularity in gob of fully mechanized caving face[J].Mining Safety & Environmental Protection，2008，35（2）：1-3，7.

[6]許滿貴，林海飛，潘紅宇.綜采采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及抽采研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，25（2）：6-9.XU Man-gui，LIN Hai-fei，PAN Hong-yu.

Numerical study of gas migration in mechanized mining gobJournal of Hunan University of Science and Technology（Natural Science Edition），2010，25（2）：6-9.

[7]胡千庭，梁運(yùn)培，劉見中.采空區(qū)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的CFD模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（7）：719-723.HU Qian-ting，LIANG Yun-pei，LIU Jian-zhong.CFD simulation of goaf gas flow patterns[J].Journal of China Coal Society，2007，32（7）：719-723.

[8]YUAN Li-ming，Smith.Computational fluid dynamics study on the ventilation flow paths in olongwall gobs[C]//Proceedings of the 11th U.S./North American Mine Ventilation Symposium，University Park，PA，2006.

[9]凡永鵬，穆曉剛，師?超.“U+I”型采煤工作面瓦斯抽采與浮煤自燃耦合研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（5）：96-102.FAN Yong-peng，MU Xiao-gang，SHI Chao.Study on coupling between gas drainage and spontaneous combustion of float coal on “U+I” type coal mining working face[J].Journal of Safety Science and Technology，2017，13（5）：96-102.

[10]高建良，劉明信，徐?文.高抽巷抽采對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的影響研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，34（2）：141-145.GAO Jian-liang，LIU Ming-xin，XU Wen.Influence study on high-position extraction tunnel on air-leakage law in goaf[J].Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2015，34（2）：141-145.

[11]高建良，孫望望.J型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)與瓦斯?jié)舛确植家?guī)律研究[J].煤炭工程，2018，50（1）：132-136.GAO Jian-liang，SUN Wang-wang.Study on air leakage and gas concentration distribution law in working face goaf with J type ventilation system[J].Coal Engineering，2018，50（1）：132-136.

[12]李俊賢，邢玉忠，王進(jìn)尚.U+L+高位鉆孔組方式下采空區(qū)漏風(fēng)和瓦斯運(yùn)移規(guī)律相似模擬[J].煤礦安全，2013，44（5）：7-10.LI Jun-xian，XING Yu-zhong，WANG Jin-shang.Similar simulation on air leakage in goaf and gas migration law under the type of U+L+high level borehole group[J].Safety in Coal Mines，2013，44（5）：7-10.

[13]李英明，楊明東，付永剛.U型工作面上隅角埋管瓦斯抽采數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013（12）：16-22.LI Ying-ming，YANG Ming-dong，F(xiàn)U Yong-gang.Numerical simulation of gas drainage in corner tunnels on u-shaped working face[J].China Safety Science and Technology，2013，9（12）：16-22.

[14]溫良秀，高?科，劉?劍.地面鉆孔抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及自然發(fā)火的影響數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，45（3）：6-10.WEN Liang-xiu，GAO Ke，LIU Jian.Numerical simulation for the effect of surface borehole extraction on gas migration and spontaneous combustion[J].Mining Safety & Environmental Protection，2018，45（3）：6-10.

[15]楊?明，張?帆.煤層傾角對(duì)采空區(qū)流場及瓦斯分布的影響研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（11）：34-40.YANG Ming，ZHANG Fan.Study on influence of coal seam dipangle to the air flow field and gas distribution in goaf[J].Journal of Safety Science and Technology，2014，10（11）：34-40.

[16]KANG Xue，CHEN Chang-hua，TENG Ren-chong，et al.Computational fluid dynamics and its application in gas control of goaf[J].Applied Mechanics and Materials，2011，52-54：1274-1278.

[17]HAO Tian-xuan，LIU Meng.Study on gas flow law in goaf of Huangling No.1 mine fully-mechanized face[J].Advanced Materials Research，2014，1010-1012：1548-1553.

[18]Balusu R，Deguchi G，Holland R，et al.Goaf gas flow mechanics and development of gas and sponcom control strategies at a highly gassy mine[J].Child：Care，Health & Development，2015，41（1）：160-165.

[19]姜?華.采空區(qū)氣體滲流相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.JIANG Hua.The development and application of experimental platform for similar simulation of goaf gas seepage[D].Xian：Xian University of Science and Technology，2013.

[20]蔣仲安，蔣江林，王洪勝，等.礦井綜放工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42（3）：5-11，16.JIANG Zhong-an，JIANG Jiang-lin，WANG Hong-sheng，et al.Experimental study on gas migration law in goaf area of fully mechanized caving coal face[J].Mining Safety & Environmental Protection，2015，42（3）：5-11，16.

[21]丁厚成.U+L型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2012，21（6）：192-198.DING Hou-cheng.Numerical simulation and experiment research on gas migration in goaf under U+L type ventilation[J].Journal of Nature Disasters，2012，21（6）：192-198.

[22]李韞華.U型工作面采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)自然發(fā)火的影響[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（1）：32-37.LI Yun-hua.Effect of leakage on spontaneous combustion at goaf of U-shape working face[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2015，35（1）：32-37.

[23]魏引尚，任卓晨，張志鵬，等.U型回采工作面回風(fēng)隅角布置方式對(duì)風(fēng)流流場的影響研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（4）：508-514.WEI Yin-shang，REN Zhuo-chen，ZHANG Zhi-peng，et al.Effect of layout on the flow field at return corner of U-type working face[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2017，37（4）：508-514.

[24]崔益源.基于示蹤氣體測量技術(shù)的采空區(qū)漏風(fēng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2018.Cui Yi-yuan.Research on air leakage of gob based on tracer gas measurement technology[D].Beijing：China University of Mining and Technology（Beijing），2018.

[25]文?虎，姜?華，翟小偉，等.三維采空區(qū)漏風(fēng)模擬相似材料模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41（3）：31-34，50.WEN Hu，JIANG Hua，ZHAI Xiao-wei.Design of 3D similar simulation model system for goaf air leakage[J].Mining Safety & Environmental Protection，2014，41（3）：31-34，50.

[26]宋?鈺.采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.SONG Yu.The experimental and numerical simulation research of the gas migration rules in goaf[D].Xian：Xian University of Science and Technology，2014.

[27]李曉飛.煤層雙重孔隙模型及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的數(shù)值模擬研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2017.LI Xiao-fei.Research on numerical simulation about double porosity model of coal seam and gas migration in goaf[D].Beijing：China University of Mining and Technology，Beijing，2017.