劉 彥 青

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

0 引 言

回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測是回采工作面配風(fēng)量確定以及回采煤層瓦斯抽采設(shè)計(jì)最重要依據(jù)之一，回采工作面煤壁為工作面最主要瓦斯涌出源，工作面煤壁瓦斯涌出預(yù)測對于實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯涌出準(zhǔn)確預(yù)測至關(guān)重要，目前所使用的礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法中開采層瓦斯涌出量計(jì)算公式為半經(jīng)驗(yàn)公式，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測。

為適應(yīng)現(xiàn)階段煤炭行業(yè)精準(zhǔn)化開采發(fā)展趨勢，以實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測為目標(biāo)，眾多研究人員采用數(shù)學(xué)建模、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬等方法對回采工作面煤壁瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[1-2]基于氣固耦合理論對工作面前面煤層應(yīng)力場和瓦斯流場進(jìn)行了模擬分析；程國強(qiáng)等[3]采用區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)格數(shù)值模擬方法的SPH無網(wǎng)格模擬技術(shù)對煤層瓦斯流場進(jìn)行模擬分析；劉世奇等[4]構(gòu)建了CO2注入煤儲層結(jié)構(gòu)演化-流體運(yùn)移-儲存能力THM全耦合數(shù)學(xué)模型，并采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行了模擬分析；文獻(xiàn)[5]基于實(shí)測的單位面積工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度函數(shù)推導(dǎo)建立了整個回采工作面煤壁瓦斯涌出量計(jì)算公式；文獻(xiàn)[6]基于回采工作面瓦斯、風(fēng)量實(shí)測參數(shù)構(gòu)建工作面瓦斯分源計(jì)算數(shù)學(xué)模型，計(jì)算回采工作面煤壁瓦斯涌出量。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者重點(diǎn)研究工作面推進(jìn)過程對工作面煤壁瓦斯涌出影響規(guī)律，工作面推進(jìn)速度的數(shù)量級為10-3～10-4m/s，與靠近工作面煤壁的煤層區(qū)域瓦斯?jié)B流速度較為接近，而且工作面煤壁涌出瓦斯來源于靠近工作面煤壁的煤層區(qū)域，工作面推進(jìn)速度必然影響工作面煤壁瓦斯涌出，當(dāng)工作面推進(jìn)速度較大時，靠近工作面煤壁處的煤層瓦斯不會通過煤層滲流涌出到工作面，而隨采煤機(jī)采落形成塊狀落煤一起被運(yùn)出工作面，工作面推進(jìn)速度較大導(dǎo)致煤壁暴露時間短，煤壁瓦斯涌出量會增大，前人的研究中未考慮過該問題。以往的煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算模型中將煤層瓦斯近似為單一的甲烷氣體成分，而實(shí)際煤層瓦斯中往往還含有一定量的氮?dú)馀c二氧化碳成分，基于上述工作面煤壁前方煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算模型存在的問題，筆者構(gòu)建考慮工作面推進(jìn)動態(tài)過程的回采工作面煤層多組分瓦斯?jié)B流計(jì)算模型，對回采工作面煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

1 回采工作面概況

以鄭州煤電股份有限公司超化煤礦22051綜采工作面為研究對象，工作面通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 22051綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.1 Ventilation system in No.22051 coal face

該工作面為傾斜長壁式一次采全高綜采工作面，采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式，采用底抽巷穿層鉆孔對回采煤層區(qū)域進(jìn)行預(yù)抽，開采煤層傾角為3°～5°，煤層厚度為2.67～3.15 m。為了獲得準(zhǔn)確的22051工作面煤層瓦斯含量，通過鉆孔采集煤樣進(jìn)行瓦斯含量測試及瓦斯組分分析，該工作面煤層處于甲烷帶，回采工作面采煤工藝參數(shù)、煤層賦存參數(shù)、煤工業(yè)分析結(jié)果如下：

采煤工藝綜采采出率/%95工作面長度/m195煤層平均厚度/m2.87煤層滲透率/m23.45×10-16煤孔隙率/%4.6煤的密度/(kg·m-3)1.425×103灰分/%9.76水分/%4.62煤層平均傾角/(°)4.5

煤層瓦斯壓力與瓦斯組分分析結(jié)果見表1，煤對各種瓦斯組分氣體的吸附解吸常數(shù)測試結(jié)果見表2。

表1 煤層瓦斯壓力、組分含量Table 1 Gas pressure and component content in coal seam

表2 煤的不同組分氣體朗格繆爾吸附常數(shù)Table 2 Langmuir adsorption constants of different gas components of coal

2 工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

工作面進(jìn)回風(fēng)巷掘進(jìn)期間、工作面采掘設(shè)備布置期間，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷兩幫煤層瓦斯涌出使得進(jìn)回風(fēng)巷兩幫形成一定寬度的瓦斯排放帶，同時采動影響下工作面前方煤體應(yīng)力重新分布必然導(dǎo)致工作面煤壁前方煤層滲透率發(fā)生顯著變化，構(gòu)建回采煤層瓦斯涌出過程簡化模型,考慮進(jìn)回風(fēng)巷煤壁瓦斯涌出和工作面前方煤層滲透率變化，煤層厚度遠(yuǎn)小于工作面走向與傾向長度，簡化為考慮工作面走向與傾向兩方向煤層瓦斯?jié)B流的工作面煤壁瓦斯涌出模型，圖2為工作面煤壁瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算物理模型。

圖2 22051工作面煤壁瓦斯涌出過程物理模型Fig.2 Physical model of gas emission from coal wall of No.22051 coal face

2.1 工作面煤壁前方煤層多組分瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型

2.1.1 煤層多組分瓦斯賦存模型

煤層中瓦斯賦存形式為吸附瓦斯與游離瓦斯，文獻(xiàn)[7]中研究表明采用朗格繆爾等溫吸附式描述煤層吸附瓦斯量與瓦斯壓力之間關(guān)系最為準(zhǔn)確，見式(1)。對煤層瓦斯賦存作如下假定：① 煤層瓦斯各組分氣體之間吸附解吸過程互不影響，忽略競爭吸附解吸效應(yīng)；② 不考慮煤層瓦斯吸附解吸過程中熱變化，煤層孔隙-裂隙內(nèi)游離氣體遵循道爾頓混合氣體分壓定律；③ 煤層各處瓦斯吸附解吸過程在瞬間完成。

煤層瓦斯組分比值是不同瓦斯組分的游離量與吸附量之和的比值，且煤層對不同瓦斯組分氣體的吸附解吸能力具有明顯差異，導(dǎo)致煤層瓦斯組分氣體的分壓比值與含量比值不相同?；诒?中煤層瓦斯含量、煤層瓦斯組分占比實(shí)測數(shù)據(jù)和表3中煤的不同組分氣體朗格繆爾吸附常數(shù)測試結(jié)果，根據(jù)煤的朗格繆爾氣體吸附定律、煤層瓦斯質(zhì)量守恒定律，聯(lián)立式(1)—式(3)可求解得到煤層瓦斯中甲烷、氮?dú)?、二氧化碳各組分氣體分壓力，按式(4)計(jì)算各瓦斯組分分壓力在煤層瓦斯總壓中占比，表4為煤層瓦斯各氣體組分分壓計(jì)算結(jié)果。按式(5)計(jì)算煤層孔隙-裂隙內(nèi)游離瓦斯氣體量。

kxpz(z=1,2,3)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Qz為單位體積煤瓦斯組分氣體z的游離狀態(tài)與吸附狀態(tài)含量，m3/m3；az、bz為煤層瓦斯組分z的朗格繆爾等溫吸附常數(shù)，m3/t，MPa-1；pz為煤層瓦斯組分z的分壓力，MPa；ρm為煤的密度，t/m3；W為煤層水分，%；Ad為煤層灰分，%；kx為煤體的孔隙率，%；nz、ng為單位體積煤瓦斯組分z、瓦斯組分g的體積比值；Qg為單位體積煤瓦斯組分氣體g的游離狀態(tài)與吸附狀態(tài)含量，m3/m3；Q為單位體積煤游離狀態(tài)與吸附狀態(tài)瓦斯總含量，m3/m3；mz為瓦斯組分z分壓力在煤層瓦斯總壓中占比值；p為煤層總瓦斯壓力，MPa。

表3 煤層瓦斯各組分分壓計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of gas component pressure in coal seam

為了驗(yàn)證煤層瓦斯賦存模型的可靠性，需要對比煤層瓦斯壓力直接測試值與煤層多組分瓦斯氣體賦存模型計(jì)算結(jié)果之間的相對誤差。為了測得準(zhǔn)確的22051工作面煤層瓦斯總壓，采用穿層鉆孔方式在22051工作面回采區(qū)域布置4個瓦斯壓力測試孔測試煤層瓦斯總壓，煤層瓦斯壓力直接測試值與煤層瓦斯總壓模型計(jì)算結(jié)果，相對誤差小于5%，驗(yàn)證了該瓦斯含量-壓力賦存模型可用于描述22051工作面煤層瓦斯賦存情況。

2.1.2 動態(tài)推進(jìn)過程煤層多組分瓦斯?jié)B流模型

煤層中瓦斯在大裂隙中進(jìn)行非線性滲流，在小裂隙中進(jìn)行線性滲流，22051回采工作面煤層裂隙不發(fā)育，且未進(jìn)行煤層增透等措施，假定煤層內(nèi)部瓦斯流動狀態(tài)近似為線性層流，符合達(dá)西定律[7]，由于該煤層瓦斯由甲烷、氮?dú)?、二氧化?種氣體構(gòu)成，其中甲烷為主要成分，煤層瓦斯密度按式(6)計(jì)算，煤層瓦斯黏度按式(7)計(jì)算，利用式(8)計(jì)算煤層瓦斯涌出速率。

(6)

1.1×10-8(e1.439ρrm-e-1.111(ρcm)1.858)(Mm)0.5×

(7)

(8)

為了模擬計(jì)算在一定推進(jìn)速度條件下的工作面前方煤層瓦斯?jié)B流過程，需要引入移動坐標(biāo)系，以回采工作面下端頭為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系以工作面推進(jìn)速度隨工作面同步移動(圖3)，建立動態(tài)回采條件下工作面煤壁前方煤層多組分瓦斯?jié)B流控制方程，見式(9)。

圖3 工作面引入移動坐標(biāo)系模擬工作面開采推進(jìn)過程Fig.3 Simulation on the mining process of coal face by introducing moving coordinate system

(9)

式中：Vx為工作面推進(jìn)速度，m/d；x為工作面推進(jìn)方向上煤層位置坐標(biāo)值，m；y為工作面傾向方向上煤層位置坐標(biāo)值，m。

2.2 采動影響下工作面前方煤層滲透率分布模型

采動作用下工作面前方煤體滲透率會發(fā)生顯著變化[8]，工作面煤壁前方會出現(xiàn)應(yīng)力三區(qū)，卸壓區(qū)、彈性應(yīng)力區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分布變化必然導(dǎo)致煤體滲透率發(fā)生變化[9-12]，文獻(xiàn)[13]研究表明工作面煤壁前方卸壓區(qū)為滲流開放區(qū)，彈性應(yīng)力區(qū)為滲流屏蔽區(qū)和滲流恢復(fù)區(qū)，原始應(yīng)力區(qū)對應(yīng)于原巖滲流區(qū)，工作面煤壁前方煤體卸壓區(qū)滲透率一般增加2個數(shù)量級以上，滲流屏蔽區(qū)一般為5～8 m，滲流屏蔽區(qū)和滲流過渡區(qū)一般為5～7 m，如圖4所示，忽略采動影響造成的工作面煤壁前方煤層滲透率變化會對計(jì)算結(jié)果造成顯著的誤差。

圖4 回采工作面煤壁前方煤層滲透率變化模型[12]Fig.4 Permeability change model of coal seam in front of coal wall of coal face[12]

利用工作面煤壁前方煤層滲透率變化模型[12]對22051工作面煤壁前方煤層滲透率進(jìn)行設(shè)置，假定22051工作面煤壁前方煤層滲流開放區(qū)范圍為0～8 m，滲流屏蔽區(qū)和滲流過渡區(qū)范圍為8～15 m，假定工作面煤壁前方煤層滲流開放區(qū)內(nèi)煤層滲透率隨距工作面距離變化滿足線性函數(shù)，假定滲流屏蔽區(qū)和滲流過渡區(qū)內(nèi)煤層滲透率隨距工作面距離變化滿足拋物線函數(shù)，工作面煤壁前方煤層滲透率分布按式(10)計(jì)算，將22051工作面原始煤層滲透率代入式(10)可計(jì)算得到工作面煤壁前方滲透率分布曲線，如圖5所示。

圖5 22051回采工作面煤壁前方煤層滲透率分布曲線Fig.5 Permeability distribution curve of coal seam in front of coal wall in No.22051 coal face

(10)

式中：k0為回采工作面煤層原始滲透率，m2；K(x)為工作面推進(jìn)方向上煤層位置坐標(biāo)x處煤層滲透率，m2。

3 工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型解算方法

3.1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

圖6為回采煤層瓦斯?jié)B流涌出計(jì)算模型邊界條件設(shè)置和計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分情況，工作面附近煤層瓦斯壓力梯度大，對靠近工作面煤壁區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密?？諝饬鬟^回采工作面期間存在通風(fēng)阻力損失，進(jìn)風(fēng)巷、回采工作面、回風(fēng)巷巷道空間內(nèi)存在一定氣壓差，但巷道內(nèi)絕對氣壓值遠(yuǎn)大于通風(fēng)阻力值，且煤層傾角較小，故進(jìn)風(fēng)巷煤壁、回風(fēng)巷煤壁、回采工作面煤壁處氣壓均取工作面中間位置絕對氣壓值(距進(jìn)風(fēng)巷97.5 m處工作面巷道)，表4為回采工作面煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置具體情況。

圖6 工作面煤壁前方煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of gas seepage calculation area in front of coal wall of coal face

表4 工作面前方煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置Table 4 Setting of boundary conditions for calculating gas seepage in coal seam in front of coal wall of coal face

3.2 輸運(yùn)控制方程離散化處理及解算程序

根據(jù)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分形式，采用基于有限差分法的C-N離散格式對煤層多組分瓦斯?jié)B流偏微分方程進(jìn)行離散化處理，該離散格式能夠保證計(jì)算過程中時刻滿足質(zhì)量守恒定律，解算結(jié)果具有物理真實(shí)性，回采工作面前方煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算區(qū)域內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)瓦斯壓力離散模型如圖7所示，對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號。在節(jié)點(diǎn)瓦斯壓力離散模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建每個節(jié)點(diǎn)構(gòu)建其瓦斯壓力方程，見式(11)，每個節(jié)點(diǎn)的瓦斯壓力方程中均包含相鄰節(jié)點(diǎn)瓦斯壓力，最終形成以整個計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)所有瓦斯節(jié)點(diǎn)為未知量的非線性方程組，通過求解該方程組計(jì)算得到整個計(jì)算區(qū)域瓦斯壓力場，由于方程組系數(shù)矩陣與常數(shù)矩陣均包含方程組所求解未知量，采用迭代法求解方程組，計(jì)算誤差達(dá)到一定精度后完成計(jì)算。

圖7 工作面煤壁前方煤層瓦斯?jié)B流計(jì)算區(qū)域瓦斯壓力節(jié)點(diǎn)離散模型Fig.7 Discrete model of gas pressure node in area of gas seepage calculation in coal seam in front of coal wall of coal face

(ai,j+bi,j)Pi,j+ai-1,jPi-1,j+ai+1,jPi+1,j+ai,j-1Pi,j-1+ai,j+1Pi,j+1=0

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：Pi,j、Pi-1,j、Pi+1,j、Pi,j-1、Pi,j+1分別為鄰近層計(jì)算區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)(i，j)、節(jié)點(diǎn)(i-1，j)、節(jié)點(diǎn)(i+1，j)、節(jié)點(diǎn)(i，j-1)、節(jié)點(diǎn)(i，j+1)位置處瓦斯壓力平方，待求解量，MPa2；ai+1,j、ai-1,j、ai,j-1、ai,j+1、ai,j、bi,j均為過程中間值，具體計(jì)算公式分別為式(12)—式(17)；Ki,j、Ki-1,j、Ki+1,j、Ki,j-1、Ki,j+1分別為鄰近層計(jì)算區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)(i，j)、節(jié)點(diǎn)(i-1，j)、節(jié)點(diǎn)(i+1，j)、節(jié)點(diǎn)(i，j-1)、節(jié)點(diǎn)(i，j+1)位置處煤層滲透率，m2；Δyi,j為節(jié)點(diǎn)(i，j)處控制體的寬度，m；Δxi,j為節(jié)點(diǎn)(i，j)的控制體的長度，m；yi,j為節(jié)點(diǎn)(i，j)的y方向坐標(biāo)值，m；yi,j+1為節(jié)點(diǎn)(i，j+1)的y方向坐標(biāo)值，m；yi,j-1為節(jié)點(diǎn)(i，j-1)的y方向坐標(biāo)值，m；xi,j為節(jié)點(diǎn)(i，j)的x方向坐標(biāo)值，m；xi+1,j為節(jié)點(diǎn)(i+1，j)的x方向坐標(biāo)值，m；xi-1,j為節(jié)點(diǎn)(i-1，j)的x方向坐標(biāo)值，m。

根據(jù)上述離散方程以及求解條件，利用vb語言編制了解算程序，程序結(jié)構(gòu)流程如圖8所示。

圖8 回采煤層瓦斯?jié)B流解算程序流程Fig.8 Flow chart of calculation program of gas seepage

4 工作面煤壁瓦斯涌出量現(xiàn)場測試

為了對比分析回采工作面煤壁多組分瓦斯氣體涌出數(shù)值計(jì)算模型的現(xiàn)場應(yīng)用誤差分析，需要對回采工作面煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行實(shí)測。

4.1 工作面瓦斯涌出量分源測試方法

采用回采工作面瓦斯涌出分源測試方法能夠?qū)崪y工作面巷道內(nèi)甲烷涌出量與采空區(qū)瓦斯涌出量。生產(chǎn)班期間回采工作面瓦斯涌出源主要包括采空區(qū)、工作面煤壁、回采落煤，采用源測試方法無法區(qū)分計(jì)算工作面煤壁甲烷涌出量與回采落煤瓦斯涌出量，檢修班期間回采工作面瓦斯涌出源為采空區(qū)和工作面煤壁，采用分源測試方法能夠?qū)崪y得到工作面煤壁瓦斯涌出量，因此選擇在檢修班期間實(shí)測回采工作面煤壁瓦斯涌出量。生產(chǎn)班期間割煤產(chǎn)生新暴露煤壁，生產(chǎn)班期間煤壁瓦斯涌出量明顯大于檢修班期間涌出量，選擇夜班生產(chǎn)班結(jié)束之后、早班檢修班剛開始時刻(具體測試時間為8:00—10:00)進(jìn)行測試，測試結(jié)果介于檢修班期間與生產(chǎn)班期間，可近似為工作面煤壁平均瓦斯涌出量。

當(dāng)前養(yǎng)殖形勢和以往有了極大的變化，作為養(yǎng)殖場要順應(yīng)時代的變化，通過自身管理水平的提高，做好精細(xì)化管理，做好生物安全防控體系，減少雞群發(fā)病并嚴(yán)格按照藥物使用規(guī)范的要求合理用藥，做到健康養(yǎng)殖，這樣才能有更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

4.1.1 工作面瓦斯涌出量現(xiàn)場測試

根據(jù)分段測定法原理，在對工作面瓦斯分布情況進(jìn)行測定時，可采取如下5個步驟：

1)將綜采工作面沿傾斜方向劃分為8個區(qū)段，共9個巷道測試斷面，在每個測試斷面內(nèi)，沿綜采工作面推進(jìn)方向依次設(shè)置6個測點(diǎn)，測點(diǎn)1位置距煤壁最近，測點(diǎn)5位置距采空區(qū)最近，測點(diǎn)6位于采空區(qū)淺部，由工作面深入采空區(qū)0.2～0.4 m，如圖9所示。

圖9 22051工作面瓦斯風(fēng)量測點(diǎn)布置Fig.9 Layout of measurement points of gas and air volume in No.22051 coal face

2)對每個巷道測試斷面的尺寸進(jìn)行測定，計(jì)算巷道測試斷面面積。

3)對每個巷道測試斷面內(nèi)1—6測點(diǎn)均進(jìn)行瓦斯?jié)舛葴y定，對每個巷道測試斷面內(nèi)1—5測點(diǎn)平均風(fēng)速測定。

4)巷道測試斷面內(nèi)測點(diǎn)6處瓦斯?jié)舛冉茷樵摐y試斷面處采空區(qū)漏風(fēng)流瓦斯?jié)舛取?/p>

5)根據(jù)瓦斯平衡方程與風(fēng)量平衡方程，計(jì)算每個區(qū)段的采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量。

4.1.2 工作面瓦斯涌出量分源測算方法數(shù)學(xué)模型

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

由質(zhì)量守恒定律可得，綜采工作面各區(qū)段勢必遵循瓦斯平衡方程、風(fēng)量平衡方程，結(jié)合式(18)—式(22)得到式(23)，式(23)是以各區(qū)段采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量3個物理量為未知求解量的相互獨(dú)立方程，將實(shí)測數(shù)據(jù)代入式(23)可求解得到各區(qū)段采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量。

(23)

4.2 工作面煤壁瓦斯涌出量現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件選擇分別于2018年3月2日、4月7日、5月11日、6月22日開展工作面瓦斯涌出量現(xiàn)場測試工作，并計(jì)算工作面煤壁瓦斯涌出量，同時實(shí)測了構(gòu)建工作面煤壁瓦斯涌出簡化模型所需數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 22051工作面煤壁瓦斯涌出量實(shí)測結(jié)果Table 5 Measured results of gas emission from coal wall of No. 22051 coal face

5 工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型現(xiàn)場應(yīng)用

為了對比分析回采工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型的現(xiàn)場應(yīng)用誤差，在對回采工作面煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行實(shí)測的基礎(chǔ)上，采用工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型模擬計(jì)算工作面煤壁瓦斯涌出量，對比模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果，以確定工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型的現(xiàn)場實(shí)用性。

5.1 工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型模擬計(jì)算

為了設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型的邊界條件，需測試工作面煤壁瓦斯涌出量現(xiàn)場實(shí)測期間工作面中間位置絕對氣壓，選取在2018年3月2日、4月7日、5月11日、6月22日4個時刻實(shí)測了工作面中間位置絕對氣壓，分別為101.83、99.91、98.29、97.65 kPa。

回采工作面每日的實(shí)際推進(jìn)速度存在差異，工作面煤壁瓦斯涌出取決于煤壁前方煤層瓦斯賦存狀況，煤壁前方煤層瓦斯賦存狀況與近期一段時間內(nèi)工作面回采進(jìn)尺密切相關(guān)。第t天工作面瓦斯涌出情況取決于第t天工作面前方煤壁瓦斯分布，第t天工作面前方煤壁瓦斯分布主要取決于第t天工作面推進(jìn)度、第t-1天工作面前方煤壁瓦斯分布(作為第t天工作面前方煤壁瓦斯分布的初始條件)，而第t-1天工作面前方煤壁瓦斯分布取決于第t-1天工作面推進(jìn)度、第t-2天工作面前方煤壁瓦斯分布，依次類推，第t天工作面煤壁瓦斯涌出情況與第t天之前一段時期內(nèi)的工作面推進(jìn)度密切相關(guān)，因此采用一段時期內(nèi)工作面推進(jìn)度的平均值作為工作面日推進(jìn)度進(jìn)行模擬計(jì)算。為了對比分析工作面煤壁瓦斯涌出數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，需要以工作面實(shí)際日推進(jìn)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以某一時間周期計(jì)算工作面日平均推進(jìn)速度，見式(24)，第t天工作面平均推進(jìn)速度為最近一個計(jì)算周期內(nèi)的工作面總推進(jìn)度除以總時間，平均推進(jìn)速度計(jì)算周期分別取10、15、20、25、30、35、40 d，分別對不同計(jì)算周期條件下2018年3月2日、4月7日、5月11日、6月22日這4 d的平均推進(jìn)速度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 不同計(jì)算周期條件下22051工作面日推進(jìn)速度計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation result of daily mining speed of No.22051 coal face under different calculation periods

(24)

式中：T為日平均值計(jì)算周期，d，取值為30 d；Vt為第t天工作面平均推進(jìn)速度，m/d；dh為第h天工作面實(shí)際推進(jìn)度，m。

將表1、表7、表8中回采工作面瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)、工作面氣壓實(shí)測值、工作面推進(jìn)速度實(shí)測值代入工作面煤壁多組分瓦斯氣體涌出數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。圖10為工作面煤壁前方煤層瓦斯壓力分布數(shù)值模擬結(jié)果，工作面煤壁瓦斯壓力明顯大于進(jìn)回風(fēng)巷煤壁瓦斯壓力。不同工作面參數(shù)條件下煤壁瓦斯涌出量數(shù)值模擬結(jié)果匯總見表7。

圖10 工作面煤壁前方煤層瓦斯壓力分布模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of gas pressure distribution in coal seam in front of coal wall

表7 不同工作面日推進(jìn)速度計(jì)算周期條件下工作面煤壁瓦斯涌出量模擬結(jié)果Table 7 Simulated results of gas emission from coal wall of coal face under different calculation periods of daily mining speed of coal face

5.2 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與計(jì)算模型模擬結(jié)果對比分析

將表6中不同回采時刻工作面煤壁瓦斯涌出量實(shí)測結(jié)果與表10中不同工作面日推進(jìn)速度計(jì)算周期條件下工作面煤壁瓦斯涌出量模擬結(jié)果進(jìn)行對比，工作面日推進(jìn)速度計(jì)算周期為25～35 d時，4次現(xiàn)場測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間相對誤差均在10%以內(nèi)(圖11)，研究表明22051工作面在當(dāng)前開采條件和煤層瓦斯賦存滲流條件下，工作面煤壁瓦斯涌出量數(shù)值計(jì)算模型中的工作面平均日推進(jìn)速度的最佳計(jì)算周期為25～35 d，工作面回采進(jìn)尺狀況對工作面煤壁前方煤層瓦斯?jié)B流運(yùn)移具有重要影響作用，工作面煤壁瓦斯涌出取決于為25～35 d工作面的回采進(jìn)尺狀況，同時也說明工作面煤壁瓦斯涌出存在時間累加與延遲效應(yīng)，如果一段時間內(nèi)工作面回采進(jìn)尺很小，突然增大推進(jìn)速度，工作面煤壁瓦斯涌出量也不會突然間增加很大。

圖11 不同計(jì)算周期條件下工作面煤壁瓦斯涌出量實(shí)測與模擬結(jié)果相對誤差Fig.11 Relative errors between measured and simulated results of gas emission from coal wall of coal face under different calculation periods

6 結(jié) 論

1)以22051綜采工作面為研究對象，考慮了工作面推進(jìn)速度和采動影響對工作面煤壁瓦斯涌出的影響，通過引入移動坐標(biāo)系和采動影響下工作面前方煤層滲透率分布模型，構(gòu)建了工作面動態(tài)推采期間工作面煤壁多組分瓦斯氣體涌出數(shù)值計(jì)算模型，采用有限差分法編制解算程序，可用于模擬計(jì)算回采工作面煤壁瓦斯涌出量。

2)以瓦斯平衡方程、風(fēng)量平衡方程為基礎(chǔ)構(gòu)建工作面瓦斯涌出量分源計(jì)算數(shù)學(xué)模型，實(shí)測了工作面煤壁瓦斯涌出量。

3)對比分析了22051工作面煤壁瓦斯涌出量數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果，研究表明，工作面煤壁瓦斯涌出存在時間累加與延遲效應(yīng)，該工作面煤壁瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型中工作面平均日推進(jìn)速度參數(shù)值應(yīng)該由工作面25～35 d的實(shí)際推進(jìn)度計(jì)算得到，該工作面煤壁瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型中的工作面平均日推進(jìn)速度參數(shù)取值的最佳計(jì)算周期為25～35 d，工作面回采進(jìn)尺狀況對工作面煤壁前方煤層瓦斯?jié)B流運(yùn)移具有重要影響作用，該工作面在當(dāng)前開采條件和煤層瓦斯賦存滲流條件下，工作面煤壁瓦斯涌出量取決于25～35 d的工作面回采進(jìn)尺狀況。