回采工作面瓦斯運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

張圣國 高明濤

(新汶礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山東省泰安市，271200)

1 煤礦概述

趙官煤礦生產(chǎn)能力為90萬t／a，開拓方式為立井單水平上下山開采，通風(fēng)方式為中央并列式，抽出式通風(fēng)方法，目前礦井通風(fēng)量為4585m3／min，礦井等級孔3.96m2，礦井絕對瓦斯涌出量為31.66m3／min。1705工作面為本礦井的首采工作面，單斜構(gòu)造，工作面布置如圖1所示。工作面煤層傾角約4°～8°，煤厚平均為1.3m。工作面老頂巖性為灰—深灰色砂巖，厚3.6m，層理發(fā)育，見植物葉化石及較多菱鐵質(zhì)結(jié)核，巖石硬度系數(shù)為5.0；直接頂為灰黑色泥巖，厚度為4.5m，巖石硬度系數(shù)為3.0；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.12～0.2m，灰黑色，參差狀斷口，含炭量較高，具有較高的發(fā)熱量，巖石硬度系數(shù)為2.5。直接底為深灰色粉砂巖，厚度為1.11m，含植物根化石，下部夾細(xì)砂巖薄層，巖石硬度系數(shù)為3.0；老底為淺灰—灰色細(xì)砂巖，厚度為4.84m，致密、堅硬，成份以石英為主，長石次之，巖石硬度系數(shù)為5.0，煤層瓦斯涌出量3～5m3／min。

圖1 1705工作面示意圖

2 瓦斯運動規(guī)律模擬

2.1 基本參數(shù)的選擇

瓦斯涌出不均衡系數(shù)1.05；工作面回風(fēng)流中瓦斯的最高允許濃度為1%；工作面進風(fēng)風(fēng)量750 m3／min。瓦斯成分中 CO2為 5.356%、CH4為91.758%、N2為2.886%。

2.2 網(wǎng)格劃分

切眼斷面形狀為長方形，長為4.5m，高為2.2m；巷道斷面形狀為梯形，上部長3m，下部長5m，高為2.2m，利用GAMBIT軟件進行工作面模型網(wǎng)格劃分，如圖2所示，圖2從不同角度對工作面模型網(wǎng)格的劃分進行了展示。

圖2 工作面模型網(wǎng)格劃分圖

3 實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

3.1 1705工作面實測結(jié)果

趙官煤礦分別在1705上平巷距工作面切眼位置、距切眼上端頭位置及下平巷距工作面切眼位置的瓦斯?jié)舛冗M行了實際測量。上平巷各測點距工作面切眼位置分別為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時，瓦斯?jié)舛葘崪y值 分 別 為 0.07%、0.11%、0.17%、0.23%、0.27%、0.03%、0.35%、0.41%；距切眼上端頭20m、40m、60m、80m位置時，瓦斯?jié)舛葘崪y值分別為0.43%、0.44%、0.46%、0.49%；下平巷各測點距工作面切眼位置為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時，瓦斯?jié)舛葘崪y值分別為0.53%、0.59%、0.65%、 0.71%、 0.77%、 0.83%、 0.87%、0.92%。從實測結(jié)果可以看出1705煤巷瓦斯含量較高，上平巷 (進風(fēng)側(cè))瓦斯?jié)舛鹊?，下平?(回風(fēng)側(cè))瓦斯?jié)舛雀?，接近于報警濃度?/p>

3.2 FLUENT模擬結(jié)果

模擬涉及湍流模型、浮力驅(qū)動、可壓縮流動等。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分。

利用FLUENT軟件模擬1705工作面上平巷100m、200m處巷道斷面瓦斯?jié)舛龋鐖D3、圖4所示。

1705工作面下平巷100m、300m處巷道斷面瓦斯?jié)舛?，如圖5、圖6所示。

3.3 對比分析

(1)圖7是1705工作面上平巷、切眼和下平巷相關(guān)點的實測瓦斯?jié)舛取膶崪y結(jié)果可以看出，由風(fēng)流的入口到工作面切眼，再到風(fēng)流的出口，瓦斯?jié)舛仁侵饾u增大的，由于通風(fēng)機的選型合理，在該工作面內(nèi)無瓦斯超限的地點，同時還可以看出本工作面瓦斯涌出量很大，在出口處瓦斯?jié)舛葞缀踹_到超限規(guī)定。

(2)圖8為1705工作面上平巷、切眼和下平巷模擬瓦斯?jié)舛?。從模擬結(jié)果可以看出，由風(fēng)流的入口到工作面切眼，再到風(fēng)流的出口，瓦斯?jié)舛纫彩侵饾u增大的，就某一斷面而言，瓦斯在巷道上部集中，在巷道底部濃度較低。從這方面可以認(rèn)為模擬結(jié)果是合理的，但其準(zhǔn)確性還需通過對比分析才能得出。

(3)通過對實測結(jié)果與模擬結(jié)果進行分析，工作面上平巷距切眼位置100m、200m、300m處各模擬地點誤差分別為0.182%、0.13%、0.1%，切眼內(nèi)距上端頭40m處模擬地點誤差為0.114%；下平巷距工作面切眼100m、200m、300m、400 m處各模擬地點誤差分別為0.051%、0.03%、0.072%、0.054%。

由以上數(shù)據(jù)以及圖7和圖8分析可知，模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定誤差的主要原因是模擬過程中為了簡化計算以及運算速度，將各點瓦斯涌出量按平均值模擬，實際工作面中各點的斷面形狀存在一定的差異，支護設(shè)備等也會導(dǎo)致巷道壁面阻力增加，而模擬過程中假設(shè)巷道是光滑無阻力的，而巷道風(fēng)流中實際存在的物質(zhì)包括CH4、O2、N2、H2O、CO2等氣體，但是在模擬過程中為了避免氣體成分過于復(fù)雜而影響空氣流動速度只包括CH4、O2、N2。

由此可以看出此次模擬雖然得出的1705工作面中的瓦斯?jié)舛扰c實際結(jié)果比較吻合，但是模型以及邊界設(shè)置還存在許多應(yīng)該改進的地方。

4 結(jié)論

(1)在沿風(fēng)流流動方向上，進風(fēng)側(cè)的瓦斯隨風(fēng)流向回風(fēng)側(cè)運移，導(dǎo)致回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊脑龃蟆?/p>

(2)在巷道某斷面沿高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使頂板附近的瓦斯?jié)舛雀哂诘装甯浇耐咚節(jié)舛龋@種分布特點適用于整個工作面。

(3)利用FLUENT模擬工作面瓦斯運動分布規(guī)律與現(xiàn)實情況比較吻合，此種模擬方法對瓦斯?jié)舛阮A(yù)測具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

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