W型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律數(shù)值模擬研究

范紅偉

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030031)

我國大部分礦井綜采工作面采用傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式,但是隨著開采強度和開采深度的增加,瓦斯涌出量也隨之增加,容易造成上隅角瓦斯?jié)舛瘸轠1-4]。因此，研究W型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律具有重要的意義。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 假設(shè)條件

為了深入分析,突出研究問題的重點,需要進行一些假設(shè)[5-8]。

1)采空區(qū)近似為各向同性,其滲透率不隨時間變化。

2)采空區(qū)組分運輸中氣體近似為甲烷、氧氣、水蒸氣、二氧化碳和氮氣的混合氣體,氣體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3)采空區(qū)氣體的流動近似為不可壓縮穩(wěn)定滲流。

1.2 控制方程

基于對上述采空區(qū)的基本假設(shè),采空區(qū)內(nèi)的氣體遵循連續(xù)方程、動量方程、組分方程、能量方程,其通用形式如公式(1)所示[9]。

(1)

式中:Γ為廣義擴散系數(shù);φ為通用變量;S為瓦斯源項;ρ為氣體密度,kg/m3;t為時間,s;u為平均流速向量的分量,m/s。

2 物理模型的建立

2.1 建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)采空區(qū)破碎巖體的垮落特征,確定采空區(qū)瓦斯運移范圍,采空區(qū)走向長度360 m,其中裂隙帶20 m、冒落帶18 m。以進風(fēng)巷、工作面的交界面與底板平面相交直線的上頂點為模型的坐標(biāo)原點,x軸指向回風(fēng)側(cè)的方向,y軸指向采空區(qū)深處,z軸指向頂板。物理模型中xyz工作面為208 m×8 m×3 m,采空區(qū)為208 m×360 m×38 m,巷道為4 m×10 m×3 m。

整個模型采用Map劃分為Hexahedron。其中上進風(fēng)巷、下進風(fēng)巷、回風(fēng)巷及工作面設(shè)置Interval size為1;采空區(qū)設(shè)置Interval size為0.5,見圖1所示。

圖1 W型通風(fēng)方式劃分網(wǎng)格模型Fig.1 Meshing model of W-type ventilation

2.2 邊界條件的設(shè)置

兩條進風(fēng)巷邊界條件為VELOCITY-INLET,風(fēng)速都為1.5 m/s, 其氧氣濃度為20.96%,瓦斯?jié)舛葹?%; 回風(fēng)巷邊界條件為OUTFLOW;采空區(qū)為FLUID,工作面與采空區(qū)的分界面INTERIOR,其它面都為WALL。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 W型、U型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯分布對比

在同等條件下,采用FLUET軟件分別模擬了U型和W型通風(fēng)方式下瓦斯?jié)舛确植?見圖2和圖3所示。

2-a 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖

2-b 工作面瓦斯?jié)舛确植季植糠糯髨D圖2 U型采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖Fig.2 Gas concentration distribution in goaf with U-type ventilation

3-a 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖

3-b 工作面瓦斯?jié)舛确植季植糠糯髨D圖3 W型采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖Fig.3 Gas concentration distribution in goaf with W-type ventilation

從模擬的結(jié)果來看:

1)在U型通風(fēng)方式下,從走向方向看,越深入采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫苍酱?距工作面40 m以內(nèi)的自然堆積區(qū),瓦斯?jié)舛容^小為5%左右;在40 m～220 m的載荷影響區(qū),瓦斯?jié)舛冗f增較大;距工作面220 m以外的壓實穩(wěn)定區(qū),形成瓦斯富集區(qū),最高達85%左右。

2)從圖2-b可以看出,從進風(fēng)巷到工作面中部,在新鮮風(fēng)流的作用下,瓦斯?jié)舛群艿?但從工作面中部到回風(fēng)巷,瓦斯?jié)舛仍黾?瓦斯?jié)舛仍?.82%左右,回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗_到1.37%,上隅角的瓦斯?jié)舛雀沁_到了3.84%。

3)在W型通風(fēng)方式下,采空區(qū)瓦斯在中間回風(fēng)巷處匯集,且以此為中心成對稱分布,越深入采空區(qū)深處瓦斯?jié)舛仍酱?在采空區(qū)深處300 m處瓦斯?jié)舛茸罡哌_85%; 在垂直方向下,采空區(qū)瓦斯?jié)舛葟拈_采水平到裂隙帶逐步增加,尤其是在裂隙帶瓦斯?jié)舛扔休^大的增加,形成高濃度瓦斯的富集帶。

4)從圖3-b可以看出,由于在同等條件下W型通風(fēng)方式的風(fēng)阻比U型通風(fēng)方式少,從采空區(qū)漏出的瓦斯量也少,工作面的瓦斯?jié)舛容^低,只是在中間回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛扔兴黾?回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.27%;其瓦斯?jié)舛雀叩狞c在工作面中部風(fēng)流匯合處,瓦斯?jié)舛仍?.76%左右。

3.2 不同類型W型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯分布對比

模型仍采用上下巷進風(fēng)中間巷回風(fēng)的W型模型,除了風(fēng)巷位置改變,各參數(shù)及邊界條件不變,對上兩條巷進風(fēng)下面巷回風(fēng)、下兩條巷進風(fēng)上面巷回風(fēng)的W型通風(fēng)方式進行數(shù)值模擬,見圖4所示。

在三種類型W型的分布圖中,將y=8 m、z=3 m兩個平面相交,得到點(0,8,3)至(208,8,3)的直線,如圖5所示,此直線位于工作面與采空區(qū)的交界面,同時位于工作面的頂板上方。

從模擬結(jié)果來看:

1)從圖4可以看出,下兩條巷進風(fēng)上面巷回風(fēng)W型采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D是上兩條巷進風(fēng)下面巷回風(fēng)W型采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D在x=0軸的反轉(zhuǎn),表明兩種類型的采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律基本相同。

4-a 上兩條巷進風(fēng)下面巷回風(fēng)

4-b 下兩條巷進風(fēng)上面巷回風(fēng)圖4 不同類型W型采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖Fig.4 Gas concentration distribution in goaf with different W-type ventilation

圖5 不同類型W型傾斜方向瓦斯?jié)舛确植紙DFig.5 Gas concentration distribution with different tilt direction of W-type ventilation

2)從圖5可以看出,上兩條巷進風(fēng)下面巷回風(fēng)W型的下隅角瓦斯?jié)舛葹?.61%,下兩條巷進風(fēng)上面巷回風(fēng)W型的上隅角瓦斯?jié)舛葹?.57%,都存在瓦斯超限問題;由于上下巷進風(fēng)中間巷回風(fēng)W型進回巷壓力差較小,漏風(fēng)不易漏入采空區(qū)深處,其回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛仍?.76%左右。可見,上下巷進風(fēng)中間巷回風(fēng)W型通風(fēng)方式是W型中較好的形式。

4 結(jié)論

1)通過對W型與U型通風(fēng)方式下的采空區(qū)運移規(guī)律進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明:U型通風(fēng)方式下回風(fēng)巷、上隅角瓦斯?jié)舛瘸?回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗_到1.37%,上隅角的瓦斯?jié)舛雀沁_到了3.84%;而W型通風(fēng)方式下回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.27%,工作面中部瓦斯?jié)舛仍?.76%左右,解決了U型通風(fēng)方式下上隅角瓦斯超限問題。

2)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)上下巷進風(fēng)中間巷回風(fēng)W型通風(fēng)方式下的采空區(qū)高瓦斯富集帶為距工作面300 m以后的裂隙帶內(nèi)(18 m～38 m),為提高瓦斯抽采率提高了依據(jù)。

3)通過比較三種類型的W型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?認為上下巷進風(fēng)中間巷回風(fēng)W型通風(fēng)方式是W型中較好的形式。