基于COMSOL的采空區(qū)埋管抽采參數(shù)優(yōu)化數(shù)值研究*

楊前意，羅伙根，石必明，張雷林，張鴻智

(1. 安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2. 中國神華神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

瓦斯所導(dǎo)致的煤礦安全事故頻繁發(fā)生，對(duì)礦山安全生產(chǎn)帶來巨大威脅，針對(duì)煤礦開采中局部地區(qū)瓦斯積聚，特別是工作面上隅角瓦斯超限所造成的各種問題，采用埋管抽采瓦斯的治理方法，通過采空區(qū)埋管抽采，使得工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆?，達(dá)到國家安全規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及埋管抽采參數(shù)進(jìn)行了大量研究。Matuszewski采用一維模型對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植技捌錅y(cè)試開始對(duì)采空區(qū)的氣流場(chǎng)進(jìn)行研究。劉劍[1]采用三維有限單元法來解算采場(chǎng)瓦斯?jié)舛确植?，同時(shí)介紹了計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序；丁廣驤等[2]通過線性滲流理論以及管路漏流流動(dòng)規(guī)律，建立了采場(chǎng)風(fēng)流參數(shù)計(jì)算的二維數(shù)學(xué)模型；張東明等[3]研究了采空區(qū)瓦斯流動(dòng)分布規(guī)律，并運(yùn)用有限元方法建立了非線性滲流數(shù)學(xué)模型；周愛桃等[4]設(shè)計(jì)了采空區(qū)埋管抽放的技術(shù)方案，建立了采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的數(shù)值計(jì)算模型，并通過FLUENT軟件對(duì)采空區(qū)埋管抽放效果進(jìn)行了模擬；趙宇新[5]研究了綜采工作面及采空區(qū)瓦斯分布情況和運(yùn)移規(guī)律，并分別闡明了煤層賦存條件和開采技術(shù)工藝對(duì)瓦斯涌出量產(chǎn)生的各種影響，建立三維數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)常易造成積聚超限的上隅角瓦斯運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

但是抽采條件下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移復(fù)雜，目前使用的FLUENT軟件無法達(dá)到多物理場(chǎng)耦合模擬，導(dǎo)致相關(guān)抽采參數(shù)設(shè)置不合理[6]，本文在前人的基礎(chǔ)上，以保德煤礦81307工作面采空區(qū)抽采現(xiàn)狀為例，利用COMSOL 多物理場(chǎng)耦合模擬軟件建立采空區(qū)抽采三維模型，采用多孔介質(zhì)稀物質(zhì)流動(dòng)和達(dá)西定律耦合，模擬研究布置間距、抽采負(fù)壓和抽采流量對(duì)治理上隅角瓦斯超限效果的影響，對(duì)抽采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而為采空區(qū)埋管抽采工作提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概況

保德煤礦81307綜放工作面設(shè)計(jì)長2 489.5 m，工作面傾向長240 m，屬厚煤層，平均煤厚為7.3 m，設(shè)計(jì)工作面回采率為93%，工作面回采煤量為518.7萬t。工作面于2018年4月開始回采，通風(fēng)方式為 “偏Y”型，即81307一號(hào)回風(fēng)巷和81307膠帶巷進(jìn)風(fēng)、靠近切眼處聯(lián)巷回風(fēng)，具體通風(fēng)布置方式如圖1所示。

圖1 81307綜放工作面布置示意Fig.1 Schematic diagram of 81307 fully mechanized caving face

2 模擬方案的確定

2.1 模擬方案

為了研究抽采參數(shù)與上隅角瓦斯?jié)舛戎g的關(guān)系，確定最佳的埋管抽采參數(shù)。結(jié)合81307綜放工作面實(shí)際情況，采用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件對(duì)以下4種情況進(jìn)行數(shù)值模擬：①無埋管抽采條件下上隅角瓦斯分布規(guī)律；②埋管布置間距與上隅角瓦斯抽采效果間的規(guī)律；③抽采負(fù)壓與上隅角瓦斯抽采效果間的規(guī)律；④抽采流量與上隅角瓦斯抽采效果間的規(guī)律。分析結(jié)果最終得出最佳采空區(qū)埋管抽采參數(shù)。

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

由于采煤工作面存在各種設(shè)備，按實(shí)際尺寸建立幾何模型過程十分復(fù)雜，在設(shè)計(jì)模型時(shí)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。最終設(shè)計(jì)簡化模型偏Y型工作面的尺寸為：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(shí)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并局部加密，如圖2～3所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

圖3 工作面及采空區(qū)模型網(wǎng)格劃分視Fig.3 Work area and goaf model meshing view

工作面模擬時(shí)以2個(gè)進(jìn)風(fēng)巷位置為入口邊界，忽略邊界湍流效應(yīng)，設(shè)計(jì)入口處風(fēng)流風(fēng)速在進(jìn)風(fēng)巷斷面上大小一致，且入口邊界設(shè)定為法向速度場(chǎng)風(fēng)流速度，入口初始風(fēng)量2 200 m3/min。回風(fēng)聯(lián)巷設(shè)置為出口邊界，埋管抽采采用低負(fù)壓抽采簡化為出口邊界。其余三維固體邊界設(shè)置為無通量邊界。開采層和鄰近層絕對(duì)瓦斯涌出量分別為7，10.15 m3/min；采空區(qū)及巷道內(nèi)初始?jí)毫υO(shè)為大氣壓；設(shè)定好模型和參數(shù)后，設(shè)定多孔介質(zhì)稀物質(zhì)流動(dòng)和達(dá)西定律多物理場(chǎng)耦合求解，直至模型計(jì)算收斂為止。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 無埋管抽采條件下

設(shè)定采空區(qū)無埋管抽采，使用COMSOL軟件進(jìn)行求解，最終得到的無抽采下采空區(qū)三維瓦斯分布云圖，如圖4所示。

圖4 無埋管條件下瓦斯分布Fig.4 Gas distribution diagram without buried pipe

無埋管抽采條件下，分析瓦斯?jié)舛仍茍D可以看出：采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S著距離工作面的距離加大而不斷增加。鄰近工作面一側(cè)瓦斯?jié)舛容^低，隨著距離的不斷加大，瓦斯?jié)舛仍絹碓酱?。而在自然堆積區(qū)向壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)的過渡區(qū)域，由于滲透率和孔隙率的改變，該區(qū)域瓦斯?jié)舛妊杆僭龃?，形成了采空區(qū)最高的瓦斯?jié)舛忍荻萚7-9]。

風(fēng)流入口處瓦斯?jié)舛茸畹停拷ぷ髅嫖恢玫牟煽諈^(qū)的自然堆積區(qū)，由于碎脹性系數(shù)大和漏風(fēng)量大導(dǎo)致其濃度較低。采空區(qū)無埋管抽采條件下，漏風(fēng)流從工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)漏向采空區(qū)，從回風(fēng)側(cè)漏回到工作面，此時(shí)的漏風(fēng)流會(huì)攜帶大量的瓦斯。在自然堆積區(qū)內(nèi)，沿工作面風(fēng)流方向，風(fēng)流隨自然堆積區(qū)的漏風(fēng)擾動(dòng)作用越來越小，從圖4中明顯看出自然堆積區(qū)內(nèi)靠近進(jìn)風(fēng)巷的地方被風(fēng)流沖洗作用強(qiáng)，瓦斯?jié)舛鹊?，而靠近回風(fēng)巷和上隅角處區(qū)域受風(fēng)流擾動(dòng)作用小，瓦斯大量積聚。此時(shí)，工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)高達(dá)4.3%，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)為2.2%，>1.0%(國家安全標(biāo)準(zhǔn))，上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葒?yán)重超限，必須進(jìn)行瓦斯治理。

3.2 布置間距

研究抽采管布置間距與上隅角瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系，數(shù)值模擬布置間距為80，100，120 m時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。得到采空區(qū)三維瓦斯分布云圖如圖5～7所示。同時(shí)，將瓦斯分布云圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，濃度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同布置間距下瓦斯體積分?jǐn)?shù)Table 1 Gas concentration under different arrangement spacing

圖5 布置間距為80 m時(shí)的瓦斯分布Fig.5 Gas distribution when the arrangement spacing is 80 m

圖6 布置間距為100 m時(shí)的瓦斯分布Fig.6 Gas distribution when the arrangement spacing is 100 m

圖7 布置間距為120 m時(shí)的瓦斯分布Fig.7 Gas distribution when the arrangement spacing is 120 m

由圖5～7和表1可以發(fā)現(xiàn)，上隅角等地的瓦斯體積分?jǐn)?shù)總體上隨著抽采管間的布置間距增大而增大，呈現(xiàn)正相關(guān)。當(dāng)布置間距為120 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.85%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.4%，上隅角和回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超限。這是由于當(dāng)布置間距較大時(shí)，抽采管離上隅角較遠(yuǎn)，埋管抽采對(duì)采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流影響較小，此時(shí)抽采管很難及時(shí)的抽采上隅角處積聚的瓦斯[10]，治理效果差。當(dāng)布置間距等于100 m時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.50%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.35%，抽采管離上隅角距離近，能及時(shí)抽采上隅角處瓦斯，從而達(dá)到治理上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限目的。同時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，埋管間距設(shè)置為100 m最佳。

3.3 抽采負(fù)壓

研究抽采負(fù)壓與上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，數(shù)值模擬抽采負(fù)壓為22，32，42 kPa時(shí)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 抽采負(fù)壓為22 kPa時(shí)的瓦斯分布Fig.8 Gas distribution when the pumping negative pressure is 22 kPa

圖9 抽采負(fù)壓為32 kPa時(shí)的瓦斯分布Fig.9 Gas distribution when the pumping negative pressure is 32 kPa

圖10 抽采負(fù)壓為42 kPa時(shí)的瓦斯分布Fig.10 Gas distribution when the pumping negative pressure is 42 kPa

分析抽采負(fù)壓為22，32，42 kPa的數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抽采負(fù)壓對(duì)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生一定的影響，隨著抽采負(fù)壓的增大，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)減小。將瓦斯分布云圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，具體關(guān)系如表2所示。

表2 不同抽采負(fù)壓下瓦斯體積分?jǐn)?shù)Table 2 Gas concentration under different suction negative pressure

通過表2可以看出，當(dāng)抽采負(fù)壓為22 kPa時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為3.5%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為2.8%。此時(shí)上隅角和回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超限，雖然相比較無抽采條件下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯流向采空區(qū)深部和抽采管處，但是抽采負(fù)壓較低，抽采瓦斯有限，沒有完全解決上隅角瓦斯超限問題。當(dāng)抽采負(fù)壓為32 kPa時(shí)，上隅角體積分?jǐn)?shù)為0.5%，達(dá)到國家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。從整體上來看，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨著抽采負(fù)壓的增大而減小，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。但是隨著負(fù)壓的增大，有可能會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，造成煤炭自燃[11-13]。同時(shí)考慮到礦井實(shí)際生產(chǎn)中加大負(fù)壓，經(jīng)濟(jì)投入加大，因此最佳抽采負(fù)壓可為32 kPa。

3.4 抽采流量

研究抽采流量與上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，數(shù)值模擬抽采流量為500，600，700 m3/min時(shí)上隅角瓦斯分布規(guī)律，結(jié)果如圖11～13所示。同時(shí)將瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行量化，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

圖11 抽采流量為500 m3/min時(shí)的瓦斯分布Fig.11 Gas distribution when the pumping flow rate is 500 m3/min

圖12 抽采流量為600 m3/min時(shí)的瓦斯分布Fig.12 Gas distribution when the pumping flow rate is 600 m3/min

圖13 抽采流量為700 m3/min時(shí)的瓦斯分布Fig.13 Gas distribution when the pumping flow rate is 700 m3/min

由表3知，當(dāng)抽采流量為500 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為2.1%，回風(fēng)流面瓦斯體積分?jǐn)?shù)為1.5%；當(dāng)抽采流量為600 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.50%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.35%，達(dá)到國家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)抽采流量為700 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.34%，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.2%。由此可見，上隅角等地的瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨著抽采流量的增大而減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，抽采流量加大，低瓦斯體積分?jǐn)?shù)區(qū)域不斷向采空區(qū)深部和上部擴(kuò)散。抽采流量越大，上隅角瓦斯的治理效果越好，但是瓦斯抽采流量越大，越容易導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)，采空區(qū)自燃“三帶”變大[14]，煤炭易自燃。綜合考慮保德煤礦現(xiàn)有抽采泵設(shè)備和經(jīng)濟(jì)效益等實(shí)際情況，抽采流量為600 m3/min時(shí)，治理效果最佳。

表3 不同抽采流量下瓦斯體積分?jǐn)?shù)Table 3 Gas concentration under different pumping flow rates

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 施工方案

本次以保德煤礦81307工作面為試驗(yàn)對(duì)象，采用采空區(qū)埋管抽采瓦斯的方法，治理上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限問題。試驗(yàn)設(shè)置的采空區(qū)埋管抽采的參數(shù)為布置間距100 m、抽采負(fù)壓32 kPa、抽采流量600 m3/min。

試驗(yàn)過程中由于要收集采空區(qū)和回采工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)情況，因此在采空區(qū)采用提前鋪設(shè)束管。共采集2018年5～7月這3個(gè)月份的進(jìn)風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)、工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)、回風(fēng)隅角流瓦斯體積分?jǐn)?shù)和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)以此考察采空區(qū)埋管抽采治理上隅角瓦斯的效果。

4.2 效果考察

經(jīng)過監(jiān)測(cè)，整理出在設(shè)計(jì)的埋管抽采參數(shù)下81307工作面的5～7月份的瓦斯體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。為了便于研究埋管抽采對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的影響，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用曲線圖來分析瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。工作面、回風(fēng)流及上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)如圖14～16所示。

圖14 81037工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.14 Gas concentration of 81037 working face

圖15 81037回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.15 81037 return airflow gas concentration

圖16 81037上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.16 Gas concentration of the upper corner of 81037

通過圖14～16可以看出，采空區(qū)埋管抽采瓦斯后，81307工作面的瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降明顯。進(jìn)風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)期間穩(wěn)定在0.1%左右，這是由于進(jìn)風(fēng)流不經(jīng)過采空區(qū)，埋管抽采影響較小。工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.3%左右，回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.35%左右，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.5%左右，小于1%，達(dá)到國家安全標(biāo)準(zhǔn)。采空區(qū)埋管抽采瓦斯，由于抽采管內(nèi)外壓差較大，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低，工作面漏風(fēng)量下降，從而風(fēng)流攜帶的瓦斯在上隅角處積聚的量也會(huì)下降，達(dá)到治理上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限問題的效果[15]。

5 結(jié)論

1)合理的采空區(qū)埋管抽采參數(shù)可以改變采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)規(guī)律，減小采空區(qū)內(nèi)瓦斯含量，降低上隅角處瓦斯體積分?jǐn)?shù)。模擬結(jié)果顯示81307工作面采空區(qū)埋管抽采布置間距為100 m、抽采負(fù)壓為32 kPa、抽采流量為600 m3/min時(shí)，安全和經(jīng)濟(jì)效益最佳。

2)現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)，顯示采用模擬得到的抽采參數(shù)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)降至0.5%左右，可以有效解決上隅角瓦斯超限問題。

3)對(duì)比分析數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用COMSOL進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合模擬可以及時(shí)、準(zhǔn)確的獲得采空區(qū)埋管抽采最佳參數(shù)，治理上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限問題，節(jié)省施工時(shí)間，保障生產(chǎn)安全，同時(shí)節(jié)約了資源，提高效益。