回采工作面采空區(qū)插管抽采參數(shù)優(yōu)化

潘吉成

(神東煤炭集團布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

布爾臺煤礦42上煤層二盤區(qū)綜采工作面主要采用“偏Y型”通風(fēng)方式，并在采空區(qū)插管抽采回風(fēng)隅角瓦斯。對于生產(chǎn)強度較大、工作面礦壓顯現(xiàn)明顯所導(dǎo)致的上隅角和采空區(qū)瓦斯異常集中問題，依靠降低綜放工作面生產(chǎn)效率解決具有很大難度[1-4]。雖然布爾臺煤礦不需要建立地面的永久抽采系統(tǒng)或井下的臨時抽采系統(tǒng)，但曾多次出現(xiàn)上隅角瓦斯超限，造成斷電停產(chǎn)，威脅人員的生命安全，因此，上隅角和采空區(qū)的瓦斯治理是重中之重[5]。布爾臺煤礦利用聯(lián)絡(luò)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接的局部抽采方法，在42202輔運順槽，通過聯(lián)絡(luò)巷向42201主運順槽施工大直徑鉆孔。隨著采煤活動的延續(xù)，封閉聯(lián)巷，在上隅角后部采空區(qū)形成一個負(fù)壓區(qū)域，從而改變瓦斯運移的方向，避免出現(xiàn)瓦斯積聚的情況[6-9]。為優(yōu)化回采工作面采空區(qū)插管參數(shù)，基于布爾臺煤礦42201綜放面現(xiàn)有的瓦斯治理措施(采空區(qū)插管)進行FLUENT模擬分析，分析不同抽采條件下采空區(qū)瓦斯在三維空間中的分布規(guī)律并進行分析，進而確定采空區(qū)插管的合理抽采參數(shù)。

1 模型建立及參數(shù)

1.1 模型建立

模擬假設(shè)：布爾臺煤礦42201綜放工作面采用“偏Y型”通風(fēng)方式，結(jié)合現(xiàn)場實際情況對工作面、采空區(qū)和裂隙帶作如下假設(shè)。①文中研究鄰近層卸壓瓦斯的運移規(guī)律，需要考慮本煤層遺煤及煤壁的瓦斯釋放情況；②忽略礦井周期來壓等特殊情況，只考慮進風(fēng)巷、回風(fēng)巷及采空區(qū)漏風(fēng)等對采空區(qū)內(nèi)部瓦斯流場的影響；③把現(xiàn)場斷面不規(guī)整的膠帶機運輸順槽、輔助運輸順槽和綜放工作面視為一長方體，人員、設(shè)備等不予以考慮，考慮膠帶機運輸順槽平均截面積為18.8 m2，輔助運輸順槽平均截面積為18.5 m2，因此設(shè)定膠帶機運輸順槽、輔助運輸順槽尺寸為40 m×4.5 m×4 m(長×寬×高)，工作面尺寸320 m×4.5 m×4 m(長×寬×高)；采空區(qū)320 m×200 m(長×寬)，頂板以上高60 m，實際計算冒落帶高度為16.25 m，裂隙帶高度為44.2 m，包括裂隙帶的全部；④邊界條件均采用壁面條件，并考慮重力的作用；⑤根據(jù)冒落帶及裂隙帶各區(qū)域滲透率的分布，采用公式(1)編制UDF[10-13]。

Kp=2×10-5e19.23φ

(1)

模型網(wǎng)格劃分：根據(jù)上述假設(shè)，利用Gambit建立了采場工作面及采空區(qū)的模型[14-16]，并劃分30多萬個網(wǎng)格，如圖1、2所示。

圖1 采場模型效果圖

圖2 采場模型網(wǎng)格劃分

1.2 模型主要參數(shù)的設(shè)定

采空區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)參數(shù)的設(shè)定：模擬過程中，通過建立多孔介質(zhì)模型模擬冒落帶及裂隙帶的孔隙與裂隙。FLUENT對多孔介質(zhì)的設(shè)定主要通過設(shè)定粘性阻力系數(shù)(Viscous Resistance)、慣性阻力系數(shù)(Inertial Resistance)和孔隙率(Porosity)來限制?？紤]到工作面向采空區(qū)漏風(fēng)很少，而且瓦斯涌出速度較慢，整個采空區(qū)流場速度不大，基本屬于層流區(qū)域，因而慣性阻力對結(jié)果影響極小，慣性阻力系數(shù)不予考慮；孔隙率可以通過相似模型試驗和現(xiàn)場觀測確定；粘性阻力系數(shù)是設(shè)定多孔介質(zhì)的重要參數(shù)，它是滲透率的倒數(shù)，采空區(qū)現(xiàn)場的滲透率很難測出，而且由于地質(zhì)狀況、構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性，人為因素的不確定性，要想得到各區(qū)域滲透率的精確值還需要做進一步的科學(xué)研究，文中在設(shè)定該系數(shù)時考慮如下原則，使取值最大限度接近現(xiàn)場值。采用文獻(xiàn)中運用真三軸滲透儀進行滲透實驗得出的結(jié)果，對滲透率與孔隙率的變化關(guān)系曲線擬合得到的采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率和孔隙率的指數(shù)關(guān)系式，編制UDF。

采空區(qū)瓦斯質(zhì)量源項的確定：依據(jù)模型建立時的假設(shè)，本次FLUENT模擬瓦斯涌出源只考慮本煤層瓦斯。根據(jù)工作面實際情況及數(shù)值模擬可知，42201綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌出源項主要為本煤層遺煤以及煤壁和落煤。由單元法實測的數(shù)據(jù)分析可知，從采空區(qū)涌出的瓦斯源項為0.15 m3/min，其中設(shè)冒落帶為0.1 m3/min，裂隙帶為0.05 m3/min；煤壁及落煤的瓦斯涌出量是1.7 m3/min。文中把模型冒落帶底部作為本煤層煤壁及落煤瓦斯源，采用UDF編程實現(xiàn)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬可行性驗證

現(xiàn)選取2018年1月4日42201綜放工作面瓦斯抽采方式及抽采參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，代入上述模型中，驗證模型的可行性。

工程參數(shù)：42201綜放工作面抽放口位置20聯(lián)巷距綜放工作面回風(fēng)隅角32 m；下個抽放口26聯(lián)巷距綜放工作面回風(fēng)隅角64 m，未進采空區(qū)(抽放口距回風(fēng)隅角32 m)。抽采負(fù)壓0.02 MPa，混合流量258.49 m3/min，平均純瓦斯流量2.1 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛?.97%，上隅角瓦斯?jié)舛?.17%(全天平均值)，純瓦斯量1 203.53 m3(早班)，1 153.90 m3(中班)，657.60 m3(晚班)。將上述數(shù)據(jù)帶入模型，進行數(shù)值計算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有抽采方式下采場瓦斯?jié)舛确植?/p>

可行性分析：從圖3(a)、(b)可以看出，上隅角瓦斯?jié)舛燃s為0.15%，抽采濃度約為1.1%，則抽采純瓦斯量為2.8 m3/min；實際綜放工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.17%，抽采濃度為0.95%，平均純瓦斯流量2.1 m3/min。模擬結(jié)果與實際抽采參數(shù)接近，故該模型具有一定參考價值。

2.2 采場瓦斯分布規(guī)律

基于現(xiàn)有抽采方式下瓦斯?jié)舛确植记闆r，進行數(shù)值模擬，圖4為采場瓦斯在三維空間里的分布規(guī)律。整體來看，瓦斯?jié)舛葟南掠缃堑缴嫌缃侵饾u增加，隨采空區(qū)濃度的增加而增加，隨采空區(qū)高度的增加而增加，在采空區(qū)頂部裂隙帶內(nèi)達(dá)到最大值。

圖4 采場瓦斯?jié)舛确植紙D

水平面方向上瓦斯?jié)舛茸兓厔荩簭膠=2 m水平方向(圖4(a)、(b))，沿工作面走向瓦斯從工作面向采空區(qū)深部濃度逐漸升高，距離工作面越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛仍礁?，瓦斯?jié)舛鹊戎稻€在上隅角處聚集。從工作面中部開始，瓦斯開始聚集，到達(dá)工作面3/4位置時聚集明顯，從整個平面方向上來看，基本遵循瓦斯?jié)舛入S著采空區(qū)深度方向和工作面走向方向上降低的趨勢。在z=10 m、20 m(圖4(c)、(d))高度，瓦斯?jié)舛仍谏嫌缃羌安煽諈^(qū)深部達(dá)到最大，而上進風(fēng)巷處最小。從整個平面方向上來看，瓦斯?jié)舛扔袃蓚€極大值點和一個極小值點。在z=40 m(圖4(e))高度，瓦斯?jié)舛仍谡麄€高度均超過4%，說明此時采空區(qū)漏風(fēng)已不足以將產(chǎn)生瓦斯移出采空區(qū)。

垂直方向瓦斯變化趨勢：從圖4(g)可以看出，瓦斯?jié)舛鹊戎稻€沿工作面走向上逐漸降低，這是由于在下隅角瓦斯?jié)舛扔捎谑艿叫迈r進風(fēng)流的影響瓦斯?jié)舛仍诤艽蟪潭壬媳幌♂?，而在上隅角由于采空區(qū)回風(fēng)流的影響，上隅角的瓦斯?jié)舛容^大。另外，沿工作面方面，工作面中部位置瓦斯?jié)舛忍荻容^小，而上下隅角的瓦斯?jié)舛忍荻容^大，也即，工作面中部位置瓦斯?jié)舛鹊淖兓^為緩慢，而上下隅角的瓦斯?jié)舛茸兓容^迅速。這是由于上下隅角的風(fēng)流速度較大，而工作面中部位置的風(fēng)流速度較小引起的。從圖4(h)可以看出，瓦斯?jié)舛鹊戎稻€沿采空區(qū)深度方向上逐漸降低，而且其下降趨勢為非線性變化，說明新鮮風(fēng)流進入采空區(qū)的速度隨著采空區(qū)深度的增加而迅速下降，呈非線性變化。

3 采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)模擬

通過FLUENT模擬鄰近層卸壓瓦斯的運移富集規(guī)律，得到瓦斯主要富集在采空區(qū)上隅角及采空區(qū)深部。結(jié)合布爾臺煤礦現(xiàn)有瓦斯抽采技術(shù)，運用FLUENT模擬不同插管間距、負(fù)壓條件下的采空區(qū)氣體運移規(guī)律和瓦斯抽采效果，優(yōu)化上隅角插管抽放方案，控制采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，以減少采空區(qū)瓦斯涌出導(dǎo)致上隅角瓦斯超限造成的危害。

3.1 插管間距對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響

模擬結(jié)果：工作面回采時，采空區(qū)插管的入口將距離工作面越來越遠(yuǎn)。當(dāng)插管入口距離工作面較遠(yuǎn)時，埋管抽采對上隅角的影響較小，因此不能很好地解決上隅角處瓦斯?jié)舛冗^高問題。而當(dāng)插管入口離工作面太近時，因為采空區(qū)漏風(fēng)，此處的瓦斯?jié)舛冉档?，埋管的抽采效率不高。所以，合適的步距對插管抽采效率至關(guān)重要。根據(jù)FLUENT模擬軟件，考察在相同抽采負(fù)壓(20 kPa)下，埋設(shè)步距對釆空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響，模擬結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果分析：插管間距在20 m左右時，抽采效果欠佳。此時抽采口距離工作面較近，在靠近回風(fēng)巷一側(cè)，采空區(qū)向工作面漏風(fēng)，此區(qū)域內(nèi)的瓦斯被風(fēng)流稀釋，因此瓦斯?jié)舛容^低，抽采效果不佳。插管間距在40 m左右時，上隅角瓦斯?jié)舛认陆得黠@，抽采效果較好；當(dāng)插管入口位置離工作面較遠(yuǎn)時，由于此時漏風(fēng)效應(yīng)并不明顯，此處的瓦斯被插管有效抽出，從而流向工作面上隅角的瓦斯減少，抽采效果較佳。插管間距在60 m左右時，上隅角瓦斯?jié)舛入m然降低，但開始出現(xiàn)局部聚集，由于此時抽采口距離工作面較遠(yuǎn)，對上隅角瓦斯的治理效果一般。插管間距在75 m左右時，雖然插管內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，但由于此時抽采口距離工作面較遠(yuǎn)，對上隅角瓦斯的治理效果不明顯。通過分析可知，當(dāng)采空區(qū)插管抽采負(fù)壓一定時，插管入口距離工作面為40 m時的抽采效果最佳，但不應(yīng)大于60 m。

圖5 插管間距不同時采空區(qū)瓦斯分布圖

3.2 抽采負(fù)壓對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響

模擬結(jié)果：與插管間距相同，抽采負(fù)壓也是影響埋管抽采效果的關(guān)鍵性因素，當(dāng)抽采負(fù)壓較小時，埋管不能有效對瓦斯進行抽采，埋管內(nèi)瓦斯?jié)舛纫脖容^低，達(dá)不到理想的治理效果。當(dāng)負(fù)壓過大時，隨之而來采空區(qū)漏風(fēng)也增加，抽采效率不高，所以抽采效果并不能達(dá)到預(yù)期。此外，過大的抽采負(fù)壓不僅有可能引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火，也會造成能源上的浪費，在經(jīng)濟上并不可行。因此，選擇合適的抽采負(fù)壓對于埋管的治理效果也十分重要。使用FLUENT軟件對處在相同位置(40 m)的插管進行不同抽采負(fù)壓狀態(tài)(10 kPa、20 kPa，30 kPa)的模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果分析：從圖6中可以看出，當(dāng)抽采負(fù)壓為10 kPa時，上隅角處瓦斯得到有效解決，當(dāng)抽采負(fù)壓為20 kPa時，抽采效果最佳。當(dāng)抽采負(fù)壓增大至30 kPa時，埋管瓦斯抽采效果并沒有進一步提高，反而有所下降，這是因為過高的抽采負(fù)壓造成工作面向采空區(qū)漏風(fēng)明顯，從而使得抽采效果降低。因此，為了達(dá)到最佳的抽采效果，抽采負(fù)壓定為10～20 kPa較合理。

圖6 抽采負(fù)壓不同時采空區(qū)瓦斯分布圖

3.3 插管深度對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響分析

模擬結(jié)果：結(jié)合上述分析情況，取抽采負(fù)壓為20 kPa，插管間距為40 m，對42201綜放工作面上隅角插管抽采深度(穿過煤壁后的深度)分別為1 m、3 m時工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M行數(shù)值模擬。工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?，如圖7所示。

圖7 插管深度不同時采空區(qū)瓦斯分布圖

結(jié)果分析：由圖7可見，隨著插管深度的增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低，這主要是因為當(dāng)插管深度逐漸增加時，抽采負(fù)壓引導(dǎo)形成的漏風(fēng)回路距離工作面上隅角就越遠(yuǎn)，涌出至上隅角的瓦斯就越少，因而上隅角瓦斯?jié)舛仍降?。根?jù)數(shù)值模擬結(jié)果，上隅角插管可以有效抽采上隅角瓦斯，降低上隅角瓦斯?jié)舛?，且插管深度越深，上隅角瓦斯?jié)舛仍降?。建議現(xiàn)場插管深度為1～3 m，但不低于1 m。但結(jié)合布爾臺煤礦實際情況，應(yīng)維持現(xiàn)有插管深度不變。

3.4 插管管徑對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響分析

模擬結(jié)果：結(jié)合上述分析情況，取抽采負(fù)壓為20 kPa，插管間距為60 m，對42201工作面上隅角插管管徑分別為350 mm、400 mm時工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖8所示。

圖8 抽采管徑不同時采空區(qū)瓦斯分布圖

結(jié)果分析：由圖8可知，插管管徑對瓦斯抽采半徑影響較大，當(dāng)抽采時間負(fù)壓一定時，管徑越大，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。但管徑的取值也不是越大越好，過度增加管徑還會影響瓦斯抽采，管徑越大，煤壁暴露面越大，瓦斯涌出也會增加，且對封孔質(zhì)量要求較高，若封孔效果不好，會增加采空區(qū)漏風(fēng)。結(jié)合上述分析及布爾臺煤礦實際情況，選取插管管徑350 mm。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)采空區(qū)插管抽采負(fù)壓一定時，當(dāng)抽放口距回風(fēng)隅角距離在20～60 m范圍內(nèi)時，抽采效果隨抽放口距工作面距離增加而增加，當(dāng)達(dá)到一定值時，抽采效果隨抽放口距工作面距離增加而下降。結(jié)合布爾臺煤礦實際情況，插管間距布置為60 m，則隨著工作面的推進，抽放口距工作面的距離則為20～80 m。

(2)對于插管抽采采空區(qū)瓦斯而言，在低壓階段，抽采純流量隨抽采負(fù)壓的增大而增大；當(dāng)抽采負(fù)壓增至一定值后，抽采負(fù)壓已經(jīng)不是影響抽采純量的關(guān)鍵因素。因此，建議插管抽采負(fù)壓保持在10～20 kPa。

(3)處理工作面上隅角瓦斯，并非工作面風(fēng)量越大越有效，風(fēng)量增加初期，上隅角瓦斯會有一定程度的降低，但當(dāng)風(fēng)量超過某一數(shù)值時，采空區(qū)域漏風(fēng)風(fēng)壓隨之增大，漏風(fēng)風(fēng)流反而會將采空區(qū)瓦斯帶入上隅角。結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，得出當(dāng)主輔進風(fēng)比為1.5∶1～3∶1時，較為合理。