三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其治理研究

雷 云 周明磊 王海東 吳 瓊 張 偉 牛瑞宏

（1.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧省沈陽市，110016；2.沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧省撫順市，113122；3.山西省長治市襄垣縣煤炭工業(yè)局，山西省長治市，046000）

三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其治理研究

雷 云1周明磊1王海東1吳 瓊1張 偉2牛瑞宏3

（1.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧省沈陽市，110016；2.沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧省撫順市，113122；3.山西省長治市襄垣縣煤炭工業(yè)局，山西省長治市，046000）

針對晉煤集團(tuán)寺河礦二號(hào)井現(xiàn)采采空區(qū)瓦斯涌出量大且采用“并列雙U”三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過應(yīng)用CFD模擬技術(shù)對采空區(qū)瓦斯分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出不同邊界條件下采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯聚集區(qū)域和采空區(qū)瓦斯引排、抽采可行性研究結(jié)果，從而為該礦制定采空區(qū)瓦斯治理措施提供了科學(xué)依據(jù)。

瓦斯運(yùn)移 數(shù)值模擬 引排 抽采

晉煤集團(tuán)寺河礦二號(hào)井采用綜采放頂煤開采工藝，采空區(qū)遺煤較多，導(dǎo)致現(xiàn)采采空區(qū)瓦斯涌出量大。依據(jù)礦井瓦斯涌出分源預(yù)測法，測出寺河礦15＃煤層回采工作面瓦斯涌出量達(dá)到40m3／min。為了有效控制上隅角和回風(fēng)巷道瓦斯超限，寺河礦二號(hào)井首次在15＃煤層XV1301回采工作面采用國內(nèi)較先進(jìn)的“并列雙U”三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)。該通風(fēng)系統(tǒng)是建立在尾巷治理瓦斯理論的基礎(chǔ)上，利用風(fēng)流加快瓦斯擴(kuò)散和運(yùn)移速度，從而降低局部聚集區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，有效地解決回采面和上隅角瓦斯超限問題。針對“并列雙U”三進(jìn)兩回通風(fēng)方式下采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯聚集區(qū)域的確定及其瓦斯治理研究甚少。鑒于此，作者在理論分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對晉煤集團(tuán)寺河礦二號(hào)井“并列雙U”三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行研究，

得出瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并確定采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯聚集區(qū)域，從而為該礦制定采空區(qū)瓦斯抽采措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 瓦斯運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型

1.1 采空區(qū)氣體流動(dòng)方程

按照滲流力學(xué)的方法，將采場視為連續(xù)的滲流空間，引入空度因子，在孔隙介質(zhì)空間中可直接運(yùn)用質(zhì)量守恒定律和N－S方程，忽略瓦斯引起氣體密度的改變和紊流效應(yīng)，推導(dǎo)出氣體流動(dòng)方程：

式中：ui、uj——滲流速度分量，m／s；

?xi、?xj——在x分量的偏微分；

gi——加速度分量，m／s2；

ρ——?dú)怏w密度，kg／m3；

μ——?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)，kg／（m·s）；

Fi——瓦斯流動(dòng)阻力，Pa／m。

式中：Ci——瓦斯在空隙介質(zhì)中的阻力系數(shù)；

SAi——瓦斯流的上游面積。

1.2 瓦斯在采空區(qū)中的動(dòng)力彌散方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和流體動(dòng)力彌散定律，瓦斯在采場中的動(dòng)力彌散方程為：

式中：C——采空區(qū)內(nèi)瓦斯的質(zhì)量濃度，g／m；

Dij——?jiǎng)恿浬⑾禂?shù)，m2／s；

ui——平均流速向量的分量，m／s；

ICH4——采場瓦斯?jié)舛茸兓试磪R項(xiàng)。

1.3 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移控制微分方程

式中：φ——通用變量；

Γφ——廣義的擴(kuò)散系數(shù)；

Sφ——廣義的源項(xiàng)。

各變量的值見表1。

表1 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移控制微分方程的變量和參數(shù)

2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬

2.1 回采工作面概況

寺河礦二號(hào)井屬晉城煤業(yè)集團(tuán)，主要開采9＃和15＃煤層，礦井相對瓦斯涌出量為25m3／t，絕對瓦斯涌出量為96m3／min，為高瓦斯礦井。XV1301綜采工作面位于15＃煤層一盤區(qū)，為15＃煤層的首采工作面，該綜采工作面采用三進(jìn)兩回通風(fēng)方式。15＃煤層上覆9＃和3＃煤層，煤層間距分別為30m和80m左右。15＃煤層瓦斯含量平均為14.15m3／t，煤層瓦斯含量大。

三進(jìn)兩回通風(fēng)方式即“并列雙U”型通風(fēng)方式是在工作面布置5條巷道，其中3條進(jìn)風(fēng)，2條回風(fēng)，具體布置見圖1。XV13013巷為工作面主進(jìn)風(fēng)巷，亦為工作面主運(yùn)輸巷；XV13011巷為工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷，兩巷間每400m有聯(lián)絡(luò)巷溝通；XV13012巷為工作面主回風(fēng)巷并擔(dān)負(fù)工作面的輔助運(yùn)輸任務(wù)，XV13014巷為工作面輔助回風(fēng)巷，兩巷貫穿整個(gè)工作面并在停采線附近通過聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)流混合，一并匯入盤區(qū)總回風(fēng)巷，XV13015巷為工作面的另一條進(jìn)風(fēng)巷，位于工作面的回風(fēng)側(cè)。

2.2 模型相關(guān)基本假設(shè)

（1）采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，瓦斯視為理想氣體，滲流過程按等溫過程對待。瓦斯在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)符合達(dá)西定律，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合菲克定律。

（2）影響采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布的因素很多，為簡便起見，只考慮在通風(fēng)壓力作用下的采空區(qū)漏風(fēng)和尾巷對其的影響。

圖1 XV1301綜采工作面的通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2.3 模型的建立

為了科學(xué)指導(dǎo)寺河礦二號(hào)井XV1301綜采工作面瓦斯治理工作，現(xiàn)運(yùn)用FLUENT軟件對該采場瓦斯在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)尾巷引排瓦斯和采空區(qū)回風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)尾巷引排瓦斯與抽采相結(jié)合兩種情況下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.3.1 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)巷引排瓦斯的數(shù)值模擬

寺河礦二號(hào)井XV1301綜采工作面采用的三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)，XV13014巷作為專用排瓦斯的尾巷，為了使該巷道更合理高效地排瓦斯，現(xiàn)對該通風(fēng)系統(tǒng)下的現(xiàn)采采空區(qū)高濃度瓦斯分布規(guī)律及瓦斯尾巷排放效果進(jìn)行模擬，結(jié)合本礦回采工作面實(shí)際情況，選取模擬參數(shù)及邊界條件：工作面供風(fēng)量3000m3／min，工作面壓差85.5Pa，向采空區(qū)漏風(fēng)量300m3／min，采空區(qū)向工作面漏風(fēng)量為0m3／min，采空區(qū)涌到工作面的瓦斯量為0m3／min，回風(fēng)隅角后采空區(qū)涌出瓦斯平均濃度小于0.5%，排放位置距切頂后距離30m，排放混合流量300m3／min，排放瓦斯?jié)舛?%，排放純瓦斯量9m3／min。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)30m尾巷引排瓦斯時(shí)，采空區(qū)風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植家妶D2。

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，可以得出綜采工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)距切頂線后30m處的聯(lián)絡(luò)巷引排風(fēng)量500m3／min時(shí)，瓦斯?jié)舛葹?%，由于專用排瓦斯巷瓦斯報(bào)警濃度為2.5%，引排進(jìn)入的瓦斯?jié)舛容^高，所以必須采用通風(fēng)稀釋。采空區(qū)涌入工作面的瓦斯量急劇減小，聯(lián)絡(luò)巷引排風(fēng)量500m3／min時(shí)，回風(fēng)隅角風(fēng)流漏向采空區(qū)，瓦斯?jié)舛刃∮?.5%。

圖2 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)30m尾巷引排瓦斯時(shí)，采空區(qū)風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D

2.3.2 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)尾巷引排瓦斯與抽采相結(jié)合的數(shù)值模擬

寺河礦二號(hào)井采用發(fā)電的方式利用抽采的瓦斯，而瓦斯發(fā)電對抽采瓦斯純量和濃度都有較高要求，而采空區(qū)瓦斯抽采是保障瓦斯純量和濃度的主要途徑，所以提出回風(fēng)側(cè)尾巷引排與抽采相結(jié)合治理現(xiàn)采采空區(qū)的方法，為了更經(jīng)濟(jì)高效地抽采高濃度瓦斯，現(xiàn)通過數(shù)值模擬分析采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，模擬參數(shù)及邊界條件：工作面供風(fēng)量300m3／min，工作面壓差85.5Pa，向采空區(qū)漏風(fēng)量360 m3／min，采空區(qū)向工作面漏風(fēng)量為0m3／min，漏風(fēng)從采空區(qū)帶到工作面的瓦斯量為0m3／min，回風(fēng)隅角后采空區(qū)瓦斯平均濃度小于0.5%，排放位置（切頂后距離）30m、抽放位置65m，排放混合流量300m3／min、抽放混合流量50m3／min，排放瓦斯?jié)舛?%、抽放瓦斯?jié)舛?5%，排放純瓦斯量6m3／min、抽放純瓦斯量7.5m3／min。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)尾巷引排和抽采結(jié)合時(shí)，采空區(qū)風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植家妶D3。

圖3 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)尾巷引排和抽采結(jié)合時(shí)，采空區(qū)風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，綜采工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)距切頂處后30m的聯(lián)絡(luò)尾巷引排瓦斯，同時(shí)65m處的聯(lián)絡(luò)巷抽采時(shí)，工作面后方第一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷引排風(fēng)量300m3／min，瓦斯?jié)舛葹?%左右；后方聯(lián)絡(luò)巷抽采混合量50m3／min，瓦斯?jié)舛冗_(dá)15%。采空區(qū)的瓦斯不再涌入到工作面，引排風(fēng)量中的瓦斯?jié)舛?%左右。

3 結(jié)語

（1）通過對寺河礦二號(hào)井XV1301綜采工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)30m尾巷引排瓦斯的數(shù)值模擬，分析得出該方法在配風(fēng)量充足時(shí)能解決回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，但在實(shí)際回采過程中由于開采強(qiáng)度加大、配風(fēng)量不足及礦壓顯現(xiàn)等因素可能會(huì)導(dǎo)致回風(fēng)隅角超限。

（2）通過對XV1301綜采工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)尾巷引排和抽采瓦斯結(jié)合的數(shù)值模擬，分析得出當(dāng)聯(lián)絡(luò)巷引排風(fēng)量300m3／min時(shí)，瓦斯?jié)舛葹?%左右；后方聯(lián)絡(luò)巷抽采混合量50m3／min，瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)15%；可以確定該方法在確保回風(fēng)巷道和回風(fēng)隅角瓦斯不超限的同時(shí)還能保障瓦斯發(fā)電所需的瓦斯純量和濃度。

（3）采用數(shù)值模擬軟件分別對XV1301綜采工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)尾巷引排瓦斯和采空區(qū)回風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)尾巷引排瓦斯與抽采相結(jié)合兩種情況下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬研究，分析得出XV1301綜采工作面采空區(qū)在現(xiàn)通風(fēng)條件下，采用在回風(fēng)側(cè)尾巷引排與抽采瓦斯相結(jié)合的方法更科學(xué)合理。

［1］ 李守國.采空區(qū)瓦斯涌出運(yùn)移分布規(guī)律分析［J］.煤礦安全，2006（11）

［2］ 苗惠東.并列雙U型通風(fēng)方式在高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯治理中的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2011（8）

［3］ 盧倩，李霞，朱耀杰.兩進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng)鄰近層瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）

Research on gas migration law in gob with"three－intake－two－return"ventilation system and its control

Lei Yun1，Zhou Minglei1，Wang Haidong1，Wu Qiong1，Zhang Wei2，Niu Ruihong3
（1.Shenyang Institute of China Coal Research Institute，Shenyang，Liaoning 110016，China；2.Polytechnic School of Shenyang Ligong University，F(xiàn)ushun，Liaoning 113122，China；3.Coal Industry Bureau of Xiangyuan County，Changzhi，Shanxi 046000，China）

Aiming at the characteristics of large gas emission rate in mining gob and using"parallel two U－shape""three－intake－two－return"ventilation system in No.2well in Sihe Mine of Jincheng Anthracite Mining Group，the paper adopts the CFD simulation technology to conduct a numerical simulation on gas distribution in gob，and obtains the high－concentration gas accumulation regions under different boundary conditions and the feasible research results of gas draining and extracting in the gob，which provide scientific basis for the mine to make the gob gas control measures.

gas migration，numerical simulation，draining，extracting

TD712.5

A

雷云（1986－），男，寧夏銀川人，助理研究員，煤炭科學(xué)研究總院碩士研究生在讀，現(xiàn)在煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院瓦斯安全研究所從事瓦斯安全研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）