趙莊礦高抽巷抽采負(fù)壓優(yōu)化模擬研究

趙璐璐，楊宏偉，高 宏，錢(qián)志良，韓 兵，馬金魁

(1.晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046605； 2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016； 3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采從安全與環(huán)保角度都具有重要意義。高抽巷對(duì)治理采空區(qū)瓦斯涌出使工作面瓦斯超限具有明顯效果同時(shí)具有避免抽采管路維護(hù)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)瓦斯治理及高抽巷技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[1-5]。婁金?；诓煽諈^(qū)“O”型圈理論對(duì)不同層位上高抽巷的平距對(duì)其與工作面的距離的影響做了探討[6]。李曉泉[7]運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推出高抽巷瓦斯抽采純量與風(fēng)排瓦斯量間的數(shù)值模型，并在工業(yè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上證明了該模型的合理性。李迎超、張英華等[8]學(xué)者利用CFD數(shù)值模擬軟件詳盡闡明了高抽巷的平距和垂距對(duì)瓦斯抽采效果的影響。王成[9]使用數(shù)值方法高抽巷抽采混合流量、負(fù)壓對(duì)抽采效果的影響，并確定了效果最佳的抽采混合流量和負(fù)壓。國(guó)內(nèi)對(duì)于高抽巷的研究主要集中在對(duì)其布置層位以及布置方式的研究，其他諸如抽采負(fù)壓、流量及支護(hù)方面的研究還較少。

本文以趙莊煤礦1309工作面為研究背景，基于覆巖破壞規(guī)律及采空區(qū)煤巖“O”型冒落分布的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及特征，針對(duì)高瓦斯厚煤層中普遍存在的采空區(qū)瓦斯大量涌入工作面，并造成工作面及上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜倪@一難題，總結(jié)出高抽巷的抽采負(fù)壓對(duì)高抽巷抽采效果的影響，為高抽巷治理采空區(qū)及上隅角瓦斯提供優(yōu)化方案。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 高抽巷布置位置理論計(jì)算

高抽巷布置層位不僅影響抽采效果，還會(huì)對(duì)工作面風(fēng)量產(chǎn)生負(fù)面影響。這種情況一般發(fā)生在高抽巷布置在冒落帶時(shí)發(fā)生，布置在該層位時(shí)，高抽巷雖對(duì)上隅角瓦斯涌出的治理起到良好的效果，同時(shí)由于與工作面形成風(fēng)流短路，也會(huì)增加采空區(qū)漏風(fēng)、采空區(qū)遺煤自燃的危險(xiǎn)性。反之，若高抽巷布置層位過(guò)高，布置在裂隙帶之上時(shí)，對(duì)瓦斯的抽采濃度雖高，卻不能分流上隅角瓦斯，兼顧不到上隅角瓦斯治理問(wèn)題。綜合考慮各方面因素，高抽巷布置層位必須在合理范圍內(nèi)，否則不僅制約瓦斯抽采效果，還會(huì)增加其他危險(xiǎn)。頂板走向高抽巷布置如圖1所示，通常用式(1)初步計(jì)算高抽巷布置層位，即距煤層底板的垂距：

h高=h1cosβ+Δh

(1)

式中，h高為高抽巷與煤層頂板垂距，m；h1為冒落帶高度，m；β為煤層傾角，取β=18°；Δh為防止高抽巷破壞保險(xiǎn)高度，這里取Δh=10m。

高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離稱為平距，可由式(2)計(jì)算：

式中，α為回風(fēng)巷附近斷裂角，取α=74°；Δs為高抽巷伸入裂隙帶水平投影長(zhǎng)度，Δs一般為10～25m，這里取Δs=10m。

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得高抽巷布置垂高應(yīng)為25m，高抽巷與回風(fēng)巷的平距應(yīng)為20m。

圖1 頂板走向高抽巷布置示意圖

1.2 基本假設(shè)

在采空區(qū)數(shù)值模擬中，一般近似認(rèn)為采空區(qū)由煤體與巖石組成的多孔介質(zhì)構(gòu)成，為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)計(jì)算模型作出如下假設(shè)：模擬中忽略采空區(qū)遺煤自燃、工作面各種設(shè)備等對(duì)流場(chǎng)的影響；不考慮瓦斯在彎曲下沉帶內(nèi)的滲流和采空區(qū)頂?shù)装迓╋L(fēng)；采空區(qū)多孔介質(zhì)看作是各向同性的介質(zhì)；將采空區(qū)內(nèi)的氣體的流動(dòng)近似視為服從Darcy定律[10]，各組分之間無(wú)化學(xué)反應(yīng)。

1.3 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

本文對(duì)趙莊煤礦1309工作面高抽巷瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，平均風(fēng)量2475m3/min，平均絕對(duì)瓦斯涌出量59.19m3/min。按照現(xiàn)場(chǎng)條件以及數(shù)值模擬的要求，對(duì)采空區(qū)的幾何模型作出簡(jiǎn)化處理。采空區(qū)高度設(shè)為47m，走向長(zhǎng)300m，傾向長(zhǎng)190m。對(duì)運(yùn)順、回順、高抽巷及工作面部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，模型共劃分382630個(gè)網(wǎng)格單元，簡(jiǎn)化后的幾何模型及其尺寸如圖2所示。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

1.4 模型參數(shù)及邊界條件

FLUENT數(shù)值模擬中，主要遵循三大基本守恒定律，即能量、動(dòng)量、質(zhì)量的守恒，基于這三大定律的控制方程[11]建立數(shù)學(xué)模型。

盡管采空區(qū)內(nèi)部的空隙是非連續(xù)的，但在不違背氣體滲流規(guī)律的前提下，可近似認(rèn)為冒落帶和裂隙帶的煤、巖具有多孔介質(zhì)的性質(zhì)，采空區(qū)可建立為多孔介質(zhì)模型。采空區(qū)多孔介質(zhì)內(nèi)煤巖的冒落壓實(shí)大致按照“O”型圈分布，根據(jù)采空區(qū)非均質(zhì)模型[12]，確定采空區(qū)冒落煤、巖在x和y兩個(gè)方向的碎脹系數(shù)分布函數(shù)：

Kp(x，y)=Kp，min+(Kp，max-Kp，min)e-a1d1(1-e-ξa0d0)

(3)

式中，ξ為控制模型分布形態(tài)的調(diào)整數(shù)，取0.233；Kp，max為初始冒落碎脹系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取1.5；Kp，min為冒落巖石壓實(shí)時(shí)的碎脹系數(shù)，取1.2；a0、a1分別為距離固壁和工作面的衰減率，分別取0.27m-1、0.037m-1；d0、d1分別為點(diǎn)(x，y)與固壁和工作面l邊界的距離，m。

采空區(qū)孔隙度n為：

n=1-1/Kp

(4)

式中，Kp為采空區(qū)冒落煤巖碎脹系數(shù)分布函數(shù)，跟采空區(qū)內(nèi)的位置有關(guān)，無(wú)因次。將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)后，采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率近似為n[13]。

模擬選用壓力基隱式穩(wěn)態(tài)求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型。流體區(qū)域材料選用甲烷—空氣混合氣體，多孔介質(zhì)固體設(shè)置為1309工作面煤樣的具體參數(shù)。運(yùn)順處的入口邊界條件設(shè)置為速度入口，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，風(fēng)速設(shè)為2.5m/s；氣體組分為：O2體積分?jǐn)?shù)占21%，N2體積分?jǐn)?shù)占79%；回風(fēng)順槽和高抽巷出口邊界條件均設(shè)置為壓力出口。工作面和高抽巷與采空區(qū)的交界面均設(shè)置為內(nèi)部界面。除運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、高抽巷的進(jìn)出口及交界面的邊界條件外所有邊界條件都設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壁面。

將采空區(qū)、工作面、巷道視為多孔介質(zhì)，并采用UDF程序分別定義采空區(qū)多孔介質(zhì)的粘性阻力損失系數(shù)、慣性阻力損失系數(shù)、孔隙率和瓦斯質(zhì)量源相等，數(shù)值運(yùn)算時(shí)將其加載到主程序中，使數(shù)值模擬更加貼近現(xiàn)場(chǎng)。采空區(qū)內(nèi)部各處的瓦斯涌出分布情況很難進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和測(cè)定，模擬中將采空區(qū)內(nèi)瓦斯的涌出近似視為各處均勻涌出，計(jì)算方法如下：

式中，Qs為模型瓦斯涌出源項(xiàng)，kg/(m3·s)；Qg為瓦斯涌出量，取51.99m3/min；ρg為瓦斯密度，取0.7167kg/m3；Vg為瓦斯質(zhì)量源項(xiàng)所占體積，m3。由上式可得采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度為2.32×10-7kg/(m3·s)，設(shè)置該值為采空區(qū)多孔介質(zhì)瓦斯涌出源項(xiàng)。

為確定高抽巷的合理抽采負(fù)壓，方案設(shè)置高抽巷平距為20m，垂距為25m，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為2.5m/s，工作面供風(fēng)量為2475m3/min，而抽采負(fù)壓分別為15kPa、20kPa、30kPa，3組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以考察高抽巷不同抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采效果的影響。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 無(wú)抽采條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

1309工作面不采用瓦斯抽采措施下的采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖3所示。圖3中左上圖顯示了整個(gè)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律；右上圖選取了z=2m的橫截面，并在x=50m、150m、250m處選取采空區(qū)內(nèi)部?jī)A向方向縱截面；左下圖為z=2m的橫截面；右下圖取y=187m的走向方向縱截面。從圖3中可以看出，整個(gè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊刈呦蚍较?y軸正方向)逐漸升高，在上隅角附近達(dá)到最高，在不采用瓦斯抽采技術(shù)的前提下，1309工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸罡呖蛇_(dá)18%，嚴(yán)重影響工作面的安全回采。

圖3 無(wú)抽采條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/p>

選取采空區(qū)內(nèi)部x=10m、z=1.5m沿傾向方向的直線為特征線，考察采空區(qū)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿傾向的變化規(guī)律如圖3所示。可以看出，采空區(qū)內(nèi)回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛容^高(190m處)，將近20%，這部分瓦斯會(huì)在工作面回采過(guò)程中會(huì)隨著頂板周期來(lái)壓不斷涌向上隅角，對(duì)工作面回采造成潛在的威脅。而工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)則只有3%。工作面方向上前100m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛壬叻炔淮?，?00～160m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛妊杆偕仙?60～190m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛壬仙厔?shì)又歸于平緩，這是由于采空區(qū)中部氣體流動(dòng)速率較低，瓦斯集中釋放而不隨風(fēng)流移動(dòng)，“滯留”在采空區(qū)中部，而采空區(qū)兩端風(fēng)流流動(dòng)快，能及時(shí)帶走遺煤釋放出來(lái)的瓦斯，因此瓦斯?jié)舛壬仙徛?/p>

工作面由于兩端風(fēng)流存在壓差，致使工作面向采空區(qū)存在一定程度的漏風(fēng)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)速率最高為0.12m/s，集中于0～13m范圍內(nèi)，越靠近采空區(qū)中部，風(fēng)速急劇降低；風(fēng)流在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)流入工作面，風(fēng)流速度較進(jìn)風(fēng)側(cè)明顯降低，集中于180～190m范圍內(nèi)，最大風(fēng)速為0.04m/s。采空區(qū)氣體在進(jìn)回風(fēng)側(cè)風(fēng)流的帶動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)移，而正是由于采空區(qū)漏風(fēng)的作用，致使部分高濃度瓦斯會(huì)被帶入工作面。

2.2 抽采負(fù)壓對(duì)抽采效果的影響

高抽巷在平距20m、垂距25m，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為2.5m/s，工作面供風(fēng)量為2475m3/min時(shí)，瓦斯抽采負(fù)壓分別為10kPa、20kPa、30kPa的數(shù)值模擬的結(jié)果如圖4—6所示。從圖中可以看出，采空區(qū)內(nèi)上隅角附近受高抽巷抽采的影響，瓦斯?jié)舛容^低，抽采負(fù)壓的增大會(huì)導(dǎo)致上隅角附近瓦斯?jié)舛鹊慕档停鴮?duì)采空區(qū)其他區(qū)域影響較小，而影響范圍會(huì)隨著抽采負(fù)壓的增加而擴(kuò)大。說(shuō)明采空區(qū)內(nèi)距離高抽巷越近的區(qū)域，瓦斯?jié)舛茸兓娇欤兓荻仍酱?，高抽巷瓦斯抽采技術(shù)對(duì)上隅角瓦斯的治理作用顯著。

圖4 抽采負(fù)壓10kPa

圖5 抽采負(fù)壓20kPa

圖6 抽采負(fù)壓30kPa

不同抽采負(fù)壓下在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)y=187m、z=1.5m的走向觀測(cè)線上的瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)如圖7所示。通過(guò)比較分析得出：隨著高抽巷抽采負(fù)壓的增大，采空區(qū)各處瓦斯?jié)舛染饾u降低，上隅角附近的低瓦斯?jié)舛葏^(qū)域由不存在逐漸擴(kuò)大到47m，而采空區(qū)深部的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域則由175m縮小到70m，抽采負(fù)壓為30kPa時(shí)，采空區(qū)內(nèi)各處的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最低，低瓦斯?jié)舛葏^(qū)域最大(47m)，高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域最小(70m)。隨著抽采負(fù)壓的升高，工作面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在不斷降低，小于20kPa時(shí)降低速度較快，大于20kPa時(shí)降低速度緩慢且趨于平穩(wěn)，如圖8所示。抽采負(fù)壓從10kPa增加到20kPa的過(guò)程中，上隅角瓦斯?jié)舛扔?.35%減小到0.25%，僅降低了0.1%；回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)從0.24%減小到0.19%，也只降低了0.05%。這說(shuō)明抽采負(fù)壓的增大雖然會(huì)對(duì)上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛扔薪档妥饔?，但幅度較小，其控制因素主要在于工作面的供風(fēng)量。以上兩個(gè)圖中的曲線從一方面顯示了抽采負(fù)壓的增大會(huì)增強(qiáng)瓦斯抽采的效果，體現(xiàn)了增加抽采負(fù)壓的優(yōu)越性。

圖7 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)

圖8 上隅角及回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)

隨著高抽巷抽采負(fù)壓的增加，瓦斯抽采純量在逐漸升高，但由于抽采混合流量的大幅提高，瓦斯抽采濃度卻在逐漸降低，瓦斯抽采純量的這一變化趨勢(shì)，從另一個(gè)角度體現(xiàn)了提高抽采負(fù)壓對(duì)于增強(qiáng)采空區(qū)瓦斯抽采效果的優(yōu)越性，如圖9所示。抽采負(fù)壓為10kPa時(shí)，瓦斯抽采濃度最高(20%)，瓦斯抽采純量最低(37.5m3/min)；抽采負(fù)壓為30kPa時(shí)，瓦斯抽采濃度最低(11.5%)，瓦斯抽采純量最高(44.22m3/min)；抽采負(fù)壓為20kPa時(shí)高抽巷瓦斯抽采濃度為18.7%，此時(shí)是曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：抽采濃度在抽采負(fù)壓低于20kPa時(shí)降低趨勢(shì)平緩，高于20kPa時(shí)則迅速降低，相反，抽采純量在抽采負(fù)壓低于20kPa時(shí)上升較快，高于20kPa時(shí)上升趨勢(shì)平緩?？梢?jiàn)，高抽巷抽采負(fù)壓為20kPa時(shí)，無(wú)論是瓦斯抽采濃度還是純量都處于較高的值。

圖9 高抽巷瓦斯抽采濃度及純量

綜上所述，考慮到預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)，高抽巷抽采負(fù)壓不能太大。權(quán)衡抽采效果與安全考慮同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可以確定，1309工作面高抽巷合理的抽采負(fù)壓為20kPa，此時(shí)不僅高抽巷的瓦斯抽采濃度和純量較高，工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛容^低，而且引起的采空區(qū)漏風(fēng)也相對(duì)較小，可以更好地治理采空區(qū)瓦斯。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

1309工作面高抽巷抽采負(fù)壓調(diào)整為20kPa 后，通過(guò)光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀檢測(cè)高抽巷抽采濃度，上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?個(gè)月時(shí)間里的濃度值，并計(jì)算平均值，分別與模擬值進(jìn)行對(duì)比。

由數(shù)值模擬結(jié)果的分析可知，1309工作面高抽巷在各最佳抽采參數(shù)的瓦斯抽采純量為43.61m3/min，抽采濃度為18.95%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.25%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.2%。1309工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：高抽巷瓦斯抽采純量平均為43.93m3/min，抽采濃度平均為11.2%，通過(guò)高抽巷一段時(shí)間的抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.4%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.38%，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的差距較小，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，因此，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)1309工作面高抽巷各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是可行的。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析計(jì)算得1309工作面高抽巷布置垂高應(yīng)為25m，高抽巷與回風(fēng)巷的平距應(yīng)為20m。

2)不同抽采負(fù)壓下模擬結(jié)果顯示，1309工作面高抽巷的在抽采負(fù)壓為20kPa時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛葴p小到0.25%，回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)減小到0.19%，高抽巷瓦斯抽采濃度為18.7%。在保證抽采效果的同時(shí)可避免漏風(fēng)增加采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)20kPa下高抽巷瓦斯抽采純量平均為43.93m3/min，驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。