基于“U”型下行通風(fēng)的綜放工作面瓦斯治理數(shù)值模擬研究

張增輝，薛彥平

（1.國家能源神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西忻州 036600；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

瓦斯是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)最重要因素之一[1]，綜放開采工藝在高產(chǎn)高效高瓦斯礦井應(yīng)用過程中常因回風(fēng)隅角瓦斯積聚而影響工作面安全生產(chǎn)，而采空區(qū)是主要瓦斯來源，占30%～60%[2]。采空區(qū)屬于塌陷冒頂區(qū)域，無法通過人員直接檢測瓦斯分布參數(shù)，目前只能通過束管采樣的方式測定采空區(qū)瓦斯氣體情況，但束管采樣存在測量數(shù)據(jù)誤差大，測量區(qū)域有限等諸多不利條件。隨著流體流場模擬技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，對采空區(qū)瓦斯分布進(jìn)行數(shù)字模擬成為一種行之有效的技術(shù)手段[3]。保德煤礦綜放工作面由于產(chǎn)量集中，加之采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采間距依據(jù)性不強(qiáng)，回采期間經(jīng)常出現(xiàn)回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)瀕臨超限的問題，嚴(yán)重影響安全高效生產(chǎn)。為此，通過研究綜放工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，多角度數(shù)值模擬不同條件下埋管抽采對回風(fēng)隅角瓦斯運(yùn)移和濃度分布情況的影響，確定最佳采空區(qū)埋管抽采參數(shù)，為有效解決采空區(qū)瓦斯治理提供行之有效的方案和科學(xué)合理的依據(jù)。

1 工作面概況

81308 綜放工作面位于8 號煤二號主、輔運(yùn)大巷以南，井田邊界以北，工作面以東為81307 綜放工作面采空區(qū)，以西為81309 備用工作面。工作面寬240 m，可采長度2 545 m，煤層平均厚度6.4 m，傾角平均4°，平均含夾矸3 層，單層夾矸最大厚度0.8 m，屬于較穩(wěn)定煤層。開采煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面設(shè)計采高3.7 m，放煤高度2.6 m，采放比為1∶0.7，設(shè)計日產(chǎn)量1.3 萬t/d，回采率93%?；夭擅毫繛?67 萬t，設(shè)計回采周期14 個月。工作面區(qū)域煤層原始瓦斯含量5.95 m3/t，采取了預(yù)抽煤層瓦斯的治理措施。工作面采前煤層殘余可解吸瓦斯含量最大3.78 m3/t，采前瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。通過分源預(yù)測法測算并參考鄰近工作面回采期間瓦斯涌出數(shù)據(jù)，工作面鄰近層和開采層通過采空區(qū)涌出的瓦斯量將占工作面瓦斯涌出總量的60%以上。

2 工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型

2.1 數(shù)學(xué)模型建立的基本條件

1）采空區(qū)氣體流動是個復(fù)雜的滲流過程，受制于支護(hù)條件、推進(jìn)速度、采放比例、頂板垮落、采空區(qū)漏風(fēng)等因素?？傮w上看，采空區(qū)內(nèi)氣體可視為恒溫不可壓縮氣體，適用質(zhì)量和動量守恒定律。

2）煤巖充填空間視為各向同性均質(zhì)的含孔隙、裂隙的多孔介質(zhì)，氣體流動服從達(dá)西定律，主要以擴(kuò)散形式運(yùn)移[4]。采空區(qū)內(nèi)氣體為氧氣、氮氣和甲烷組成的混合氣體，不考慮裂隙水；遺煤瓦斯壓力較低，考慮為理想氣體，采空區(qū)氣體流動為等溫過程。

3）采空區(qū)矸石垮落和遺煤充填空間視為各向同性均質(zhì)的含孔隙裂隙的多孔介質(zhì)，遺煤和鄰近煤層連續(xù)釋放瓦斯。

基于上述假設(shè)和基本條件，構(gòu)建符合連續(xù)性方程、動量方程和成分守恒方程的三維空間不可壓縮氣體流動的數(shù)值模型。

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；φ 為各方向上速度矢量或瓦斯體積分?jǐn)?shù)求解變量的通用變量；t 為時間，s；u 為平均流速向量的分量，m/s；Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S 為廣義源項[5]。

2.2 采空區(qū)滲透率

采空區(qū)氣體流動，孔隙率和滲透率隨著垮落和充填物質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化，基于Kozeny-Carman 方程，構(gòu)建采空區(qū)滲透率和孔隙率的動態(tài)變化方程。

式中：κ 為滲透率，μm2；Dp為介質(zhì)的粒徑，m；n為介質(zhì)的孔隙率，其大小取決于介質(zhì)碎脹參數(shù)。

采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率受到工作面推進(jìn)長度、傾向長度、頂?shù)装鍘r性及垮落、鄰近煤層及保安煤柱等相關(guān)參數(shù)影響，不同研究人員和不同計算方式確定的參數(shù)有很大差異[6]。

綜放工作面瓦斯涌出主要來自于煤壁、落煤和采空區(qū)[7]。依據(jù)鄰近已采81307 綜放工作面實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)推測，81308 綜放工作面絕對瓦斯涌出量約為16.2 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出約10.9 m3/min。

2.3 邊界條件及物理模型

81308 綜放工作面通風(fēng)方式為“U”型下行通風(fēng)，即81308 1#進(jìn)風(fēng)巷和81308 運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、81308 運(yùn)輸巷靠近切眼處聯(lián)巷回風(fēng)，81308 綜放工作面布置示意圖如圖1。

圖1 81308 綜放工作面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of 81308 fully mechanized caving face

忽略其他因素的影響，僅考慮瓦斯抽采對采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布的動態(tài)影響。參考81307 綜放工作面現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，81308 綜放工作面采空區(qū)“兩道”浮煤厚度約4.3 m，中部采空區(qū)浮煤厚度約1.2 m，采空區(qū)深部距離工作面500 m 處按照壁面處理，采空區(qū)滲流范圍為工作面2 道之間的松散煤巖體以及跨落帶和斷裂帶。在高出煤層一定范圍后的漏風(fēng)量很小，故假定影響滲流的裂隙帶在采空區(qū)范圍內(nèi)各處高度一樣。因此，81308 工作面采空區(qū)物理模型范圍為：工作面長度240 m，采空區(qū)深部距工作面500 m；中部浮煤厚度為1.2 m，“兩道”厚度為4.3 m，將“兩道”煤柱和采空區(qū)深部500 m 設(shè)為漏風(fēng)邊界。以采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)外邦為坐標(biāo)原點，向回風(fēng)側(cè)方向為x 方向，垂直工作面到采空區(qū)深部方向為y 方向。

2.4 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采煤工作面配備型號、尺寸各異的設(shè)備，難以完全按照實際條件建立幾何模型，在設(shè)計模型時理想化參數(shù)條件，忽略采煤工作面各種設(shè)備的影響。將采煤工作面及其進(jìn)回風(fēng)巷都按矩形斷面處理[8-9]。最終設(shè)計簡化模型尺寸為：巷道寬5.2 m，高3.5 m，工作面長240 m，采空區(qū)長500 m，高30 m，同時對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3 模擬結(jié)果

3.1 埋管布置間距對回風(fēng)隅角瓦斯分布規(guī)律影響

采用Fluent 流體數(shù)值模擬軟件對工作面及回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，不同埋管間距下采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖如圖2，不同埋管間距下工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖3。

圖2 不同埋管間距下采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.2 Goaf gas concentration diagrams under different pipe spacings

圖3 不同埋管間距下工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different pipe spacings

通過圖2 和圖3 可知，當(dāng)布置間距為130 m 時，埋管布置間距較大時，有效抽采半徑無法覆蓋回風(fēng)隅角區(qū)域，治理效果差，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.12%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.94%，回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)瀕臨報警值。當(dāng)布置間距小于等于120 m 時，有效抽采半徑覆蓋回風(fēng)隅角區(qū)域，治理效果明顯，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.80%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.70%。綜合考慮巷道條件和經(jīng)濟(jì)效益等因素，建議埋管間距設(shè)置在90～120 m范圍內(nèi)均比較合適。

3.2 抽采流量對回風(fēng)隅角瓦斯分布規(guī)律影響

基于采空區(qū)埋管抽采流量分別為500、600、700 m3/min 條件下，對工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，不同埋管抽采量下的采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖如圖4，不同瓦斯抽采流量下的工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖5。

圖4 不同埋管抽采量下采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Goaf gas concentration diagrams under different gas drainage amount of buried pipe

圖5 不同抽采流量下的工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different gas drainage flow

通過圖4 和圖5 可知，抽采流量越大，工作面及回風(fēng)隅角瓦斯的治理效果越好。在抽采流量為500 m3/min 條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.1%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.04%；在抽采流量為600 m3/min條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.68%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.59%；在抽采流量為700 m3/min 條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.32%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.28%?？紤]到瓦斯抽采流量越大，采空區(qū)漏風(fēng)越嚴(yán)重，易造成采空區(qū)遺煤自燃[10-11]，建議抽采流量為600 m3/min，并采取一定的安全措施。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

保德煤礦81308 綜放工作面2019 年5 月開始回采，采用“U”型下行通風(fēng)，配風(fēng)量2 100 m3/min，沿81308 輔運(yùn)巷設(shè)置1 趟DN800 mm 抽采主管，運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷之間通過聯(lián)巷或煤柱螺旋鉆孔設(shè)置DN800 mm 抽采支管。在間距大于100 m 的聯(lián)巷中間施工大孔徑螺旋鉆孔布置抽采支管，保證抽采支管間距在70～120 m 之間。為確保采空區(qū)瓦斯抽采安全，采取了自動監(jiān)控和人工監(jiān)控自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的安全措施，并在距最近在用抽采支管口100 m 范圍內(nèi)安設(shè)自動噴粉抑爆裝置。

4.1 抽采參數(shù)與回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

1）抽采量是回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.8%，實測最大值超過1%；抽采量在610 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.4%左右，實測最大值0.6%；抽采量在680 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.24%左右，實測最大值0.42%。

2）埋管間距為回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨埋管間距增大而增大，在間距70～120 m 范圍內(nèi)，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在±0.18%的范圍內(nèi)波動。2019 年4 月至11 月期間，抽采參數(shù)及回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計圖如圖6。

圖6 抽采參數(shù)及回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計圖Fig.6 Statistics of drainage parameters and return air corner gas concentration

4.2 抽采參數(shù)與回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

1）抽采量是回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.6%，實測最大值超過0.92%；抽采量在610 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.3%，實測最大值0.5%；抽采量在680 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.18%左右，實測最大值0.36%。

2）埋管間距為回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨埋管間距增大而增大，在間距70～120 m范圍內(nèi)，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)在±0.11%的范圍內(nèi)波動。2019 年4 月至11 月期間，抽采參數(shù)及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計圖如圖7。

圖7 抽采參數(shù)及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計圖Fig.7 Statistics of drainage parameters and return air flow gas concentration

81308 綜放工作面現(xiàn)場長達(dá)7 個月的試驗結(jié)果與數(shù)字模擬分析結(jié)果基本吻合，證明采取的數(shù)字建模方式是科學(xué)的、可靠的，具有超前指導(dǎo)礦井未來綜放工作面采空區(qū)埋管抽采參數(shù)的科學(xué)價值。

5 結(jié) 語

1）高瓦斯綜放工作面“U”型通風(fēng)條件下，回風(fēng)隅角瓦斯治理尤為關(guān)鍵。通過建立采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型，模擬不同抽采參數(shù)條件下工作面及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布狀況，可為合理選擇回風(fēng)隅角瓦斯治理措施提供依據(jù)。

2）保德煤礦綜放工作面在“U”型下行通風(fēng)條件下，依據(jù)模擬結(jié)果并通過現(xiàn)場試驗，采取合理的采空區(qū)埋管抽采參數(shù)有效解決了回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯超限問題。在類似煤層瓦斯賦存及開采條件下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和采空區(qū)防滅火等因素，埋管抽采間距為100 m，抽采量為580～610 m3/min。3）抽采量是影響工作面回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯積聚的主控因素。隨著工作面瓦斯涌出量的增大，若繼續(xù)采取采空區(qū)埋管抽采的治理措施，勢必需相應(yīng)增大抽采量，這樣將對采空區(qū)防滅火帶來不利影響。屆時，建議采取綜合瓦斯治理措施。