堅(jiān)硬砂巖頂板條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

王 超，魯銳華，張中騰，侯 濤，張雪丹，蒙江波

(1.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 441000；3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；4.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250001)

我國(guó)高瓦斯厚煤層礦井一般采用綜放開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)后采空區(qū)內(nèi)會(huì)遺留大量遺煤，遺煤會(huì)溢散瓦斯氣體，在采空區(qū)內(nèi)自由擴(kuò)散與空氣混合，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有很大威脅。

近年來(lái)，秦躍平等[1]通過(guò)三維試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體分布規(guī)律；王文才等[2]通過(guò)設(shè)置不同孔隙率、風(fēng)量、工作面長(zhǎng)度分析采空區(qū)氧化帶的分布，對(duì)于采空區(qū)安全提供可靠依據(jù)。還有很多學(xué)者[3-9]在治理瓦斯方面做了研究，為防止采空區(qū)內(nèi)瓦斯燃燒，采用注氮、高位抽采、注二氧化碳、均壓通風(fēng)等方法，有效地解決了采空區(qū)內(nèi)燃燒等問(wèn)題。現(xiàn)有的研究一般是在常規(guī)地質(zhì)條件下進(jìn)行的研究，對(duì)硬厚頂板下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究則較少。本文以夏闊坦礦井1007工作面堅(jiān)硬砂巖頂板條件下采空區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT軟件模擬采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律，提出了U+L型通風(fēng)方式，并針對(duì)該特殊地質(zhì)條件下瓦斯抽采提出了防治措施，為類似地質(zhì)條件下礦山安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

1007工作面回采下10煤層，成煤于侏羅紀(jì)，煤層偽頂和直接頂缺失，上覆基本頂為平均總厚度約20.8 m的細(xì)砂巖和石英砂巖，成分以石英、長(zhǎng)石為主，巖層整體性好，堅(jiān)硬難冒落。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤開(kāi)采工藝，走向長(zhǎng)度862 m，傾斜長(zhǎng)度150 m，煤層平均厚度5.5 m，平均傾角13°；工作面相對(duì)瓦斯涌出量16.3 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量57 m3/min。工作面沿傾斜方向上部為1005采空區(qū)，之間留設(shè)10 m區(qū)段保護(hù)煤柱，相鄰1005綜放工作面實(shí)測(cè)正?；夭蓵r(shí)的瓦斯絕對(duì)涌出量平均為20.7 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量4.9 m3/min、抽放瓦斯量15.8 m3/min。1007工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用兩條巷道進(jìn)風(fēng)，一條巷道回風(fēng)的通風(fēng)方式。工作面通風(fēng)系統(tǒng)平面圖見(jiàn)圖1。

在2013年4月8日21時(shí)25分，由于1007綜放面采空區(qū)頂板受壓而大面積垮落，引發(fā)采空區(qū)內(nèi)瓦斯燃燒現(xiàn)象，造成燃燒地點(diǎn)附近的工人輕度燒傷事故。發(fā)生燃燒現(xiàn)象時(shí)工作面推進(jìn)55 m，瓦斯燃燒現(xiàn)象發(fā)生在工作面上隅角以里采空區(qū)內(nèi)。工人燒傷地點(diǎn)距工作面5～10 m。表1為1007工作面上覆巖層屬性及特征。

由于發(fā)生瓦斯燃燒事故，礦井提出優(yōu)化方案并進(jìn)行實(shí)施，將原有的U型通風(fēng)方式改為U+L型通風(fēng)[7]，在1007回風(fēng)巷工作面一側(cè)5 m位置平行施工一條1007進(jìn)風(fēng)巷，使原有的進(jìn)風(fēng)巷改成兩條進(jìn)風(fēng)巷道，形成兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式，同時(shí)在1007回風(fēng)巷道內(nèi)預(yù)埋管道對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采。

圖1 1007工作面通風(fēng)系統(tǒng)平面圖Fig.1 1007 working face ventilation system plan

表1 1007工作面頂板巖層情況Table 1 Roof rock formation of 1007 working face

2 采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

2.1 數(shù)學(xué)模型

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)的多孔介質(zhì)孔隙率不同，采空區(qū)內(nèi)主要由殘煤和垮落巖石組成，開(kāi)采過(guò)后底板遺煤釋放的瓦斯氣體在采空區(qū)漏風(fēng)的影響下，使得空氣、瓦斯、二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w混合在一起，形成復(fù)雜的混合氣體?；旌蠚怏w在自然游離態(tài)比較穩(wěn)定，在不受外部條件影響下難發(fā)生反應(yīng)，因此混合氣體之間相互影響較小。

氣體在采空區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)中滿足質(zhì)量守恒方程見(jiàn)式(1)。

(1)

動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向的分量；μ為動(dòng)力黏度；p為流體微元體上的壓力；uS、vS、wS為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

遺煤在采空區(qū)內(nèi)殘煤瓦斯涌出量計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：Q為采空區(qū)殘留瓦斯絕對(duì)涌出量，m3/t；δ為采空區(qū)殘煤密度，t/m3；V為落煤開(kāi)始時(shí)的瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(t·min)；C為工作面回采率；LH為抽采瓦斯帶寬度，m；L為工作面總長(zhǎng)度，m；L1為工作面寬度，m；L2為采空區(qū)非穩(wěn)定區(qū)域(25 m左右)；m為煤層開(kāi)采高度，m；u為推進(jìn)速度，m/s。

2.2 物理模型

根據(jù)1007工作面地質(zhì)情況，結(jié)合流體分析軟件ANSYSA模塊里的FLUENT[10-11]來(lái)分析采空區(qū)流場(chǎng)內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)，其中采空區(qū)內(nèi)為不規(guī)則多孔介質(zhì)區(qū)域，利用ICEM CFD對(duì)采空區(qū)流體區(qū)域劃分塊再進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的劃分，結(jié)合FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算分析，采用Multiphase-Eulerian和K-ε控制方程來(lái)模擬多項(xiàng)流組分運(yùn)輸，利用軟件的Phase Coupled SIMPLE計(jì)算流場(chǎng)。工作面長(zhǎng)150 m，采空區(qū)長(zhǎng)100 m，入風(fēng)巷道總風(fēng)速為2 m/s，擬采用1∶3的風(fēng)速配比方式，分別為0.5 m/s和1.5 m/s，采空區(qū)瓦斯涌入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.95 m3/s，出口采用自由逸散。圖2為網(wǎng)格計(jì)算模型。

圖2 網(wǎng)格計(jì)算模型Fig.2 Grid computing model

圖3 瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.3 Gas volume fraction distribution cloud map

根據(jù)以上計(jì)算分析，如圖3所示，截取距離底板Y軸1.5 m處云圖以及Z軸50 m、90 m、135 m處云圖分析，由于靠近工作面的采空區(qū)沒(méi)有被壓實(shí)，導(dǎo)致距工作面20 m內(nèi)的采空區(qū)孔隙率較大，同時(shí)受采空區(qū)漏風(fēng)因素的影響，在靠近1進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)流涌入采空區(qū)內(nèi)，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的氣體進(jìn)行稀釋排出，瓦斯分布云圖呈半圓弧分布，瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均在30%以下。同時(shí)在距煤壁60 m后的采空區(qū)，由于上覆巖層應(yīng)力重新分布，使得采空區(qū)后方容易形成壓密區(qū)域造成孔隙率變小，導(dǎo)致距工作面較遠(yuǎn)的采空區(qū)風(fēng)壓衰減，瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%左右。采空區(qū)排出的瓦斯匯集到工作面巷道內(nèi)，需要加大風(fēng)量來(lái)稀釋瓦斯，因此，在2進(jìn)風(fēng)口處涌入風(fēng)流，有助于工作面內(nèi)的瓦斯匯集到回風(fēng)巷內(nèi)，減小上隅角瓦斯?jié)舛?。采空區(qū)內(nèi)瓦斯隨風(fēng)流匯集在回風(fēng)巷一側(cè)，距回風(fēng)巷道約35 m處瓦斯體積分?jǐn)?shù)濃度超標(biāo)，采空區(qū)上覆頂板為石英砂巖，在垮落過(guò)程中極易撞擊產(chǎn)生火花，容易引發(fā)頂板的大面積垮落造成巷道內(nèi)瓦斯燃燒事故。

利用ANSYS處理軟件監(jiān)測(cè)4條瓦斯體積分?jǐn)?shù)測(cè)線，分別位于進(jìn)風(fēng)巷1、進(jìn)風(fēng)巷2、回風(fēng)巷和采空區(qū)中部，運(yùn)用Origin8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線Fig.4 Gas volume fraction distribution curve

由圖4可知，當(dāng)采空區(qū)距煤壁10 m后，進(jìn)風(fēng)巷1內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增高，但當(dāng)距煤壁90 m以后體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.95左右。采空區(qū)中部瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律與進(jìn)風(fēng)巷1相似；進(jìn)風(fēng)巷2采空區(qū)內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨距煤壁距離的增加而增大，距煤壁60 m時(shí)達(dá)到最大；回風(fēng)巷在距煤壁60 m處瓦斯體積達(dá)到最大。

3 現(xiàn)場(chǎng)采取措施方案應(yīng)用

為了解決工作面回風(fēng)巷開(kāi)采過(guò)程中瓦斯?jié)舛冗^(guò)高導(dǎo)致燃爆事故，設(shè)計(jì)采用偏Y型負(fù)壓式通風(fēng)，且在回風(fēng)順槽內(nèi)布置瓦斯抽采管道對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采。方案設(shè)計(jì)如圖5所示。

采用ICEM CFD對(duì)采空區(qū)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)性劃分，分別劃分為不同的孔隙率，進(jìn)風(fēng)巷采用1∶3的配風(fēng)方式通風(fēng)，在采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)40 m、60 m、90 m處預(yù)埋瓦斯抽采管道，瓦斯抽采管道布置圖如圖6所示。

圖5 方案設(shè)計(jì)Fig.5 Scheme design

圖6 網(wǎng)格計(jì)算模型Fig.6 Grid computing model

圖7 瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.7 Gas volume fraction distribution cloud map

采用優(yōu)化方案分析偏Y型負(fù)壓式通風(fēng)，工作面仍然采用風(fēng)量配比為1∶3的方式進(jìn)行通風(fēng)，在進(jìn)風(fēng)巷1道口處風(fēng)量較大，在靠近工作面的采空區(qū)孔隙率較大，該區(qū)域被進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)流把瓦斯氣體帶到采空區(qū)后方，在采空區(qū)75 m左右瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到55%。由于風(fēng)流在不規(guī)則的多孔介質(zhì)中有能量損耗，所以在采空區(qū)深部瓦斯體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)，在采空區(qū)10～50 m范圍內(nèi)由于管道的抽采，使得這一區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低，在回風(fēng)巷側(cè)后方40 m內(nèi)避免瓦斯爆炸事故發(fā)生。通過(guò)在回風(fēng)巷道內(nèi)安裝預(yù)埋抽采管道進(jìn)行瓦斯抽采，使得深部瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低，采空區(qū)上部的瓦斯可以在地面打鉆孔抽采釋放，這樣可以避免在采空區(qū)回風(fēng)巷道側(cè)瓦斯事故的發(fā)生。通過(guò)抽采措施的實(shí)施，使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)趨向線性分布，同時(shí)也減少了事故的發(fā)生。

利用ANSYS后處理軟件監(jiān)測(cè)4條瓦斯體積分?jǐn)?shù)測(cè)線，分別位于進(jìn)風(fēng)巷1、進(jìn)風(fēng)巷2、回風(fēng)巷和采空區(qū)中部，運(yùn)用Origin8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8所示。

由圖8可知，進(jìn)風(fēng)巷1呈二次函數(shù)增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)速率比未采取措施前要緩慢，在回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯減小，60 m內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于40%，由于在回風(fēng)巷道內(nèi)預(yù)埋有瓦斯抽采管道，所以采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)總體呈減小趨勢(shì)。隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)得到可觀的控制，對(duì)于工作面的安全生產(chǎn)和工人的身體健康提供保障，盡可能避免瓦斯燃爆事故的發(fā)生。將現(xiàn)行U形通風(fēng)方式改為U+L形通風(fēng)方式，構(gòu)成兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式，據(jù)礦方介紹與實(shí)測(cè)證明，在回風(fēng)巷的上隅角不易于瓦斯集聚，既有利于安全開(kāi)采，又有利于消除瓦斯燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線Fig.8 Gas volume fraction distribution curve

4 結(jié) 論

1) 提出了U+L型通風(fēng)方式，并且在回風(fēng)巷道預(yù)埋抽采管道，工作面采取優(yōu)化方案后回風(fēng)巷抽采管道內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)為50%左右，在靠近回風(fēng)巷一側(cè)采空區(qū)深部瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯降低。在開(kāi)采過(guò)程中，巷道預(yù)埋管道與工作面同步進(jìn)行，使得工作面后方垮落的采空區(qū)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)減小，為采空區(qū)瓦斯處理提供了很好的方法。

2) 通過(guò)對(duì)比分析回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)，得出未采取措施的回風(fēng)巷側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯超標(biāo)，在采空區(qū)內(nèi)頂板垮落容易產(chǎn)生火花，這樣導(dǎo)致在距工作面不遠(yuǎn)處的回風(fēng)巷道內(nèi)發(fā)生瓦斯燃燒事故，采用在回風(fēng)巷道內(nèi)預(yù)埋抽采管道后，采空區(qū)深部瓦斯被抽采釋放，這樣采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低，這樣極大地避免瓦斯燃燒事故的發(fā)生。