高瓦斯綜放工作面低位高抽巷瓦斯治理數(shù)值模擬研究

張麗娜，劉先新，宋 博，李澤天，王明遠(yuǎn)

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，太原 030024；2.山西煤礦安全培訓(xùn)中心，太原 030012)

在煤炭開采過程中，礦井瓦斯涌出、工作面瓦斯涌出、上隅角瓦斯嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)，特別是大采高綜放工作面采煤厚度大、推進(jìn)速度快、絕對瓦斯涌出量高；同時(shí)，大采高工作面采動擾動影響大，鄰近層和采空區(qū)瓦斯容易涌入工作面，極易造成工作面在回采期間瓦斯積聚以及上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限，給工作面瓦斯治理工作造成了嚴(yán)重的困擾。隨著綜放工作面生產(chǎn)能力的提高和瓦斯治理技術(shù)的不斷優(yōu)化，形成了預(yù)先抽采、埋管抽采、鉆孔卸壓抽采、高抽巷抽采等抽排措施[1]。由于不同技術(shù)措施在應(yīng)用過程中受到實(shí)際環(huán)境多因素的影響，抽采效果往往達(dá)不到預(yù)期的理想效果，很多技術(shù)參數(shù)等細(xì)節(jié)性問題需要優(yōu)化完善[2]。其中，高抽巷相對于其他幾種抽采方式，具有抽采負(fù)壓大、輻射范圍廣、抽采效率高、管路維護(hù)簡易等優(yōu)點(diǎn)，在一些備受瓦斯困擾的礦井得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前，高抽巷的研究主要集中在高抽巷不同層位的空間分布參數(shù)和抽采技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，馬恒等人[5]、靳曉華等人[6]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比分析，系統(tǒng)研究高抽巷層位布置對于瓦斯抽采效果的影響，最終確定了高抽巷最優(yōu)的平距和垂距布置參數(shù)。此外，劉佳佳等[7]和屈昀等[8]通過Fluent數(shù)值模擬研究抽采負(fù)壓對瓦斯抽采效果的影響，隨著高抽巷抽采負(fù)壓的增加，抽采純量和混合抽采量逐漸增加，而抽采率卻隨著時(shí)間逐漸減小，即瓦斯抽采濃度隨著抽采負(fù)壓增加先到達(dá)一個(gè)峰值再逐漸減小。因此，選擇峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的抽采負(fù)壓作為合理的抽采參數(shù)是瓦斯高效抽采的基礎(chǔ)。同樣，王成等[9]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，得出高抽巷抽采頂板瓦斯正常期最優(yōu)的抽采負(fù)壓，為礦井高抽巷參數(shù)設(shè)置提供了科學(xué)依據(jù)。李迎超等[10]借助Fluent軟件研究了高抽巷空間參數(shù)與抽采參數(shù)之間的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水平距離為64 m、抽放高度為11 m時(shí)的抽放效果最佳。郝光生等[11]則是利用低位高抽巷有效地解決了工作面上隅角瓦斯超限問題。大量研究表明，由于礦井綜放工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜以及多方面因素影響，設(shè)置合理的抽采負(fù)壓與優(yōu)化高抽巷層位布置對礦井瓦斯高效抽采有著決定性的作用。

本研究重點(diǎn)分析不同層位高抽巷沿采場垂直高度、采場走向深度及傾向長度的瓦斯流動規(guī)律及瓦斯分布規(guī)律。以上隅角瓦斯?jié)舛群统椴蓾舛茸鳛榕袛嘁罁?jù)，分析無高抽巷、高位高抽巷、低位高抽巷三種情形下的不同區(qū)域瓦斯?jié)舛群统椴闪?，從而探尋解決綜放工作面和采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀呒吧嫌缃峭咚钩迒栴}，降低上隅角瓦斯集聚的風(fēng)險(xiǎn)，提高采空區(qū)瓦斯抽采率。

1 高抽巷瓦斯抽采原理

高抽巷作為治理工作面上隅角及采空區(qū)瓦斯的有效手段，在礦井瓦斯治理方面應(yīng)用比較普遍。高抽巷主要是基于采空區(qū)瓦斯密度相對較小，能夠在采場環(huán)境產(chǎn)生升浮-擴(kuò)散效應(yīng)，并在上移的過程中形成傘流狀氣廓，同時(shí)在氣廓的截面上，氣相流速分布和密度差也存在著一定的相似性，故而可以沿著巷道垂高Z軸表示為以下公式：

(1)

(2)

Δρm=ρ-ρα.

(3)

式中：Δρ是氣廓場密度差，kg/m3；Δρm是氣廓場與環(huán)境之間的密度差，kg/m3；v表示氣廓截面中心的最大速度，m/s；vm表示巷道截面中心的最大流速，m/s；ρ為傘狀氣流的密度，kg/m3；ρα為周圍環(huán)境空氣的密度，kg/m3；b為巷道截面半厚，m；α是常數(shù)；z，r分別為氣廓中心的垂距和半徑，m.其中含瓦斯的氣相流在上升的過程中受到Δρm的影響，會不斷地與周圍氣流以卷吸方式發(fā)生動量和質(zhì)量交換，從而使得瓦斯自身的占比不斷增大，那么就可以根據(jù)氣相流的流量增加率和卷吸流量Q相等作為計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)，即：

(4)

將式(1)(2)(3)帶入公式(4)中即可求解出：

(5)

由于Δρm通量的積分遵循著質(zhì)量守恒關(guān)系，所以可以表示為：

(6)

式(2)帶入(6)即可得出式(7)：

(7)

其中，A，B為設(shè)定參量，分別為：

(8)

分析式(7)(8)可以清晰得出瓦斯在升浮-擴(kuò)散效應(yīng)下的聚集效果，上部采動空間在放頂煤回采的過程中聚集大量的高濃度瓦斯，而高抽巷就是依據(jù)這一原理，將巷道布置在煤層上部的合適距離，抽吸聚集在采空區(qū)的瓦斯，同時(shí)也減少采空區(qū)瓦斯向工作面的不斷涌入，從而可以保證綜放工作面的安全高效開采。本文主要是優(yōu)化高抽巷的層位布置，提出將高抽巷布置在煤層頂板的半煤巖中，這樣的低位高抽巷不僅能抽采工作面的瓦斯，有效降低上隅角瓦斯?jié)舛?，而且可以抽吸采空區(qū)聚集的瓦斯，起到大采高工作面瓦斯治理的雙重效果。

2 綜放工作面幾何模型

根據(jù)礦井的實(shí)際現(xiàn)場情況，并結(jié)合已有的研究結(jié)果，對模型進(jìn)行以下幾方面的設(shè)定，可得簡化模型圖1。

將該礦工作面簡化為兩個(gè)矩形斷面順槽(5.0 m×3.6 m)、方形斷面高抽巷(3.0 m×3.0 m)、長方體采空區(qū)，忽略外部漏風(fēng)對整個(gè)研究模型的影響，單從綜放工作面與采空區(qū)截面孔隙率研究漏風(fēng)。由于綜放工作面形成時(shí)間短，故而將采空區(qū)簡化為“一帶兩區(qū)”，即裂隙帶、自然堆積區(qū)、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)。而低位高抽巷和高位高抽巷的布置不會改變模型的相對關(guān)系。

圖1 模型簡化圖(單位：m)Fig.1 Model simplification diagram

3 高抽巷抽采數(shù)值模擬研究

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)模型簡化圖(圖1)在ICEM中建立幾何模型，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種模型網(wǎng)格質(zhì)量Fig.2 Mesh quality of three models

從圖中可以看到，網(wǎng)格質(zhì)量基本維持在0.40以上，而且0.90～0.95之間的占比超過70%，充分說明劃分網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足模擬計(jì)算要求，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 模擬參數(shù)設(shè)定

模擬綜放工作面瓦斯抽采運(yùn)移規(guī)律，需要考慮并設(shè)定碎脹系數(shù)、孔隙率、粘性阻力系數(shù)和瓦斯質(zhì)量源項(xiàng)。綜合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況、理論計(jì)算結(jié)果、模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)可以將模型中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定為表1。

通過測定礦井瓦斯涌出量，相對準(zhǔn)確地得出了各個(gè)瓦斯涌出地點(diǎn)的瓦斯質(zhì)量源項(xiàng)。模型中其他的邊界條件是根據(jù)綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定為表2。

表1 模擬邊界參數(shù)Table 1 Simulation boundary parameters

表2 其他邊界條件Table 2 Other boundary conditions

4 高抽巷層位模擬結(jié)果及分析

4.1 瓦斯變化規(guī)律

為了更加直觀地觀察到三種不同模擬方案下瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，首先觀察距離底板1.5 m的平面(不含采空區(qū))的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖(圖3)。圖3(a)表示沒有任何抽采措施情況下的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布圖，即對照組；(b)圖代表的是高抽巷布置在裂隙帶的抽采效果圖，即高位組；(c)圖顯示的是低位高抽巷布置在半煤巖中，即低位組，具體的位置參數(shù)已經(jīng)在圖1中詳細(xì)標(biāo)注。

由圖3瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖觀察到，工作面沿風(fēng)流方向，瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，在工作面中部瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了最高濃度的二分之一，并在上隅角區(qū)域形成明顯的高濃度瓦斯富集區(qū)。由于高抽巷在采空區(qū)的抽采負(fù)壓加大導(dǎo)致漏風(fēng)現(xiàn)象加劇，使得高位組和低位組上隅角瓦斯富集區(qū)呈現(xiàn)相對均勻的分散，而對照組高濃度瓦斯區(qū)呈貼壁半圓弧形。另一方面，從數(shù)值上可以發(fā)現(xiàn)，對照組、高位組和低位組的最大體積分?jǐn)?shù)分別為1.225%，0.816%和0.756%。相較于對照組，高位組和低位組工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別降低了33.4%和38.3%，抽采效果明顯，而且低位組比高位組提高了將近5個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，從低位組體積分?jǐn)?shù)分布云圖可以看到上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于工作面高抽巷口，促使了高濃度瓦斯區(qū)的轉(zhuǎn)移和均勻分散，明顯降低了上隅角瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上分析，可以說明低位高抽巷的抽采效果優(yōu)于高位高抽巷。

圖3 垂高1.5 m處瓦斯?jié)舛确植荚茍DFig.3 Cloud chart of gas concentration distribution at 1.5 m vertical height

通過提取距離工作面2 m處垂高Z=0.5 m，1.5 m，2.5 m三條測線，觀察三組模擬方案的瓦斯?jié)舛惹€圖(如圖4)，研究瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿工作面的分布規(guī)律，從而清晰地觀察到低位組的抽采效果。從圖4中可以看到測線瓦斯體積分?jǐn)?shù)先增后降(-75 m35 m處就超過了1%。相比較而言，從低位組瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長曲線可以看到，在Z=1.5 m和Z=2.5 m兩個(gè)層位，隨著X的不斷增大，出現(xiàn)了明顯的峰值波動，但峰值體積分?jǐn)?shù)在0.756%，明顯低于同位置的其余兩組，這更加說明低位組的抽采效果突出。

圖4 工作面垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m的瓦斯?jié)舛确植记€Fig.4 Gas concentration distribution curve with working face vertical height Z=0.5 m, 1.5 m and 2.5 m

上隅角瓦斯?jié)舛鹊母叩椭苯佑绊懼C放工作面的安全生產(chǎn)，為了更好地分析此區(qū)域的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，提取X=73 m靠近回風(fēng)巷上隅角側(cè)垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m三條測線數(shù)據(jù)(如圖5).從回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)(0

圖5 上隅角垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m的瓦斯?jié)舛确植记€Fig.5 Gas concentration distribution curve with vertical height of upper corner Z=0.5 m, 1.5 m and 2.5 m

4.2 瓦斯抽采效果

通過分析不同情況下瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，發(fā)現(xiàn)高位組和低位組高抽巷可以不同程度地降低工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，而抽采效果是?yàn)證瓦斯抽采方案是否合理最有力的事實(shí)依據(jù)。因此，為了進(jìn)一步地分析這兩組在抽采效果方面的差異，有針對地選取L1、L2(X=48 m、Z=4.1 m)和L3、L4(X=48 m、Z=36 m)兩個(gè)層位的4條測線。圖6(a)表示測線(L1和L3)分別位于低位高抽巷和高位高抽巷，即低位組Z=4.1 m和高位組Z=36 m兩條測線的瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)低位組和高位組高抽巷抽采體積分?jǐn)?shù)均保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的值，分別為0.95%和0.41%.由于低位組抽采的瓦斯來源于工作面和采空區(qū)兩部分，工作面進(jìn)口處抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了1.04%，然后與采空區(qū)抽采瓦斯在匯聚口混合。結(jié)果表明，低位組高抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)有70.5%來源于工作面，抽采量也是高位組的2.32倍。此外，在100 m119 m時(shí)，高位組瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化幅度較小，而低位組則逐漸減小，這說明高位組和低位組的漏風(fēng)方向不一致，高位組是由工作面流向采空區(qū)，而低位組則是從采空區(qū)向工作面漏風(fēng)。

圖6(b)則是高位組測線L2和低位組測線L4瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。對于低位組而言，在Z=36 m的測線L4，瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化范圍在0.183%～0.203%，明顯低于(a)圖高位組。而高位組在Z=4.1 m的測線L2數(shù)據(jù)呈現(xiàn)臺階式下降趨勢，但瓦斯體積分?jǐn)?shù)依然維持在0.42%以上，始終高于同位置的低位組瓦斯?jié)舛取?/p>

圖6 高抽巷瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of gas extraction in high drainage roadway

5 結(jié)論

通過對瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律和瓦斯抽采效果兩個(gè)方面進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 相對于對照組上隅角瓦斯富集區(qū)呈貼壁半圓弧形，高位組和低位組則是呈現(xiàn)相對的均勻分布，而且瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別降低了33.4%和38.3%.此外，低位組上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀诠ぷ髅娓叱橄锟?，有利于高濃度瓦斯區(qū)的轉(zhuǎn)移和均勻分布作用，降低上隅角瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 沿著工作面風(fēng)流運(yùn)動方向，瓦斯?jié)舛戎饾u升高，隨著垂距Z的增加，瓦斯的升浮-擴(kuò)散效應(yīng)明顯，而且存在兩個(gè)瓦斯?jié)舛犬惓^(qū)域。第一個(gè)是在工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)，漏風(fēng)和風(fēng)流紊亂導(dǎo)致瓦斯異常；第二個(gè)是工作面上隅角，不同高抽巷抽采層位，上隅角漏風(fēng)方向不同。

3) 高位組和低位組在上隅角處，瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降率分別在22.9%～37.7%和31.8%～46.2%.其中，低位組高抽巷不僅能使工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷谳^低的數(shù)值，而且濃度波動較小，瓦斯集聚得到了有效的控制。

4) 低位組和高位組高抽巷抽采體積分?jǐn)?shù)分別為0.95%和0.41%.其中，低位組抽采的瓦斯來源于工作面和采空區(qū)兩部分，工作面進(jìn)口處抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了1.04%，抽采量是高位組的2.32倍。