基于FLUENT的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬研究

羅振敏，王子瑾，蘇 彬，倪 行

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710054；3.西部煤礦安全教育部工程研究中心，陜西 西安 710054)

煤礦井下采空區(qū)在工作面煤壁涌出瓦斯，以及鄰近層涌入瓦斯的影響下，極容易產(chǎn)生瓦斯聚積現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重威脅著井下安全作業(yè)，因此對采空區(qū)瓦斯治理顯得尤為重要。充分掌握采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，可為瓦斯治理提供一定參考。針對采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，大多數(shù)學(xué)者是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[2-6]，包括以通風(fēng)方式[6-9]、巷道變化[10-11]、配風(fēng)量[6，12-13]及瓦斯涌出位置[14]為因素進(jìn)行探究。同時也有學(xué)者通過現(xiàn)場實(shí)測的方式進(jìn)行驗證[8，15]，但以風(fēng)速和溫度為變量進(jìn)行的研究還鮮有報道。基于此，筆者采用數(shù)值模擬的方法對汪家寨煤礦P41104綜放工作面采空區(qū)進(jìn)行建模，針對風(fēng)速、溫度及上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}進(jìn)行模擬研究，以期對類似采空區(qū)瓦斯的治理提供一定參考。

1 模型建立及邊界條件

1.1 礦井概況

P41104綜放工作面采空區(qū)深度200 m，工作面長150 m，采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式通風(fēng)。煤層平均厚度7.0 m，遺煤平均厚度1.5 m，煤層平均傾角14°。工作面外運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間最大瓦斯涌出量為7.35 m3/min，里回風(fēng)巷掘進(jìn)期間最大瓦斯涌出量為7.86 m3/min，采空區(qū)的絕對瓦斯含量為 31.22 m3/min。采空區(qū)遺煤存在自然發(fā)火現(xiàn)象，發(fā)火周期為4～6 個月。

1.2 采空區(qū)數(shù)學(xué)模型建立

采空區(qū)內(nèi)孔隙率和滲透率分布符合 “O”形圈分布規(guī)律[16]，其分布函數(shù)表達(dá)式如下：

n(x，y，z) =

(1)

(2)

式中：n(x，y，z)為孔隙率；L為工作面長度,m；k(x，y，z)為滲透率,m2；DP為采空區(qū)垮落巖塊平均粒徑，取250 mm。

氣體在采空區(qū)內(nèi)流動滿足湍流方程、連續(xù)性方程及動量守恒方程，其統(tǒng)一表達(dá)式如下：

(3)

式中：ρ為氣體的密度，kg/m3;φ為通用變量；t為時間，s;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。

采空區(qū)氣體擴(kuò)散規(guī)律滿足Fick定律，其表達(dá)式為：

(4)

式中：r為極坐標(biāo)半徑；D為擴(kuò)散系數(shù)；c為瓦斯?jié)舛?mol/m3。

1.3 采空區(qū)物理模型及網(wǎng)格劃分

本次模擬的物理模型是依據(jù)汪家寨煤礦P41104綜放工作面采空區(qū)實(shí)際尺寸建立的，設(shè)定采空區(qū)走向長200 m，傾向長150 m，假設(shè)浮煤高度為 1.5 m，根據(jù)“豎三帶”高度計算公式計算得出采空區(qū)垮落帶高度約為15 m，斷裂帶與彎曲帶的總高度為30 m，工作面采用U型通風(fēng)方式通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長20 m，寬4 m，高3 m，模擬高溫?zé)嵩吹奈恢迷O(shè)置在垮落帶自然堆積區(qū)和影響荷載區(qū)之間，在回風(fēng)巷處斷裂帶設(shè)置8個鉆孔抽采瓦斯，每個鉆孔之間的距離為 3 m。采空區(qū)物理模型如圖1所示。

圖1 采空區(qū)物理模型

網(wǎng)格劃分采用區(qū)域劃分，巷道工作面和浮煤網(wǎng)格間距設(shè)定為1 m×1 m，垮落帶和斷裂帶網(wǎng)格間距設(shè)定為2 m×2 m，總共劃分1 381 761個網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

本次模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：風(fēng)速分別取值為v=1.25 m/s和v=1.50 m/s；高溫?zé)嵩创笮》謩e取373 K和473 K；垮落帶和斷裂帶的孔隙率均設(shè)置為常數(shù)，自然堆積區(qū)孔隙率為0.26，荷載影響區(qū)孔隙率為0.24，壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)孔隙率為0.20，斷裂帶孔隙率為0.15。整個采空區(qū)邊界條件設(shè)置見表1。

表1 采空區(qū)邊界條件設(shè)置

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)速對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊?/h3>

當(dāng)風(fēng)速v=1.25 m/s時，采空區(qū)各個方向上的瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)場模擬結(jié)果如圖3 所示。

(a)沿走向上瓦斯?jié)舛葓?/p>

由圖3(a)、(c)可以看出，沿工作面走向上從采空區(qū)淺部走向深部的過程中瓦斯?jié)舛扔幸粋€逐漸升高的趨勢；由圖3(b)、(c)可以看出，在工作面傾向上回風(fēng)巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛纫笥谶M(jìn)風(fēng)巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛取Ｍ咚節(jié)舛入S工作面不同方向距離的變化情況如圖4所示。

(a)工作面走向

由圖4(a)可知，當(dāng)采空區(qū)在正常通風(fēng)情況下，距進(jìn)風(fēng)巷2 m處的瓦斯?jié)舛葹?.3%左右，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?2.7%左右。由于采空區(qū)淺部靠近工作面，采空區(qū)瓦斯受到漏風(fēng)影響較大，因此淺部的瓦斯?jié)舛容^??；隨著走向距離的增加，采空區(qū)瓦斯受到漏風(fēng)的影響會越來越小，因此瓦斯?jié)舛葧尸F(xiàn)升高的趨勢。在距工作面20 m處時，漏風(fēng)影響明顯下降，采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓荻葧黠@變大，隨著走向距離的增加瓦斯?jié)舛瘸蕛绾瘮?shù)形式增大；隨著走向距離繼續(xù)增加，基本不會再受到漏風(fēng)的影響，此時瓦斯?jié)舛瓤梢赃_(dá)到100%。對比進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋梢钥闯龌仫L(fēng)巷一側(cè)瓦斯?jié)舛容^高，這是因為從進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)由于風(fēng)流原因?qū)⒉糠滞咚箮蚧仫L(fēng)巷，因此回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葧笥谶M(jìn)風(fēng)巷一側(cè)瓦斯?jié)舛取?/p>

由圖4(b)可知，距工作面2、10 m處的瓦斯?jié)舛葧S著工作面傾向距離的增加而逐漸升高，這是由于距工作面2、10 m位置均為淺部采空區(qū)，因此沿傾向上的瓦斯?jié)舛日w變化趨勢是逐漸變大的，并且距工作面2 m處的瓦斯?jié)舛仁冀K小于距工作面 10 m處的瓦斯?jié)舛龋@也說明沿走向距離的增加，漏風(fēng)影響會越來越小，瓦斯?jié)舛葧饾u升高。當(dāng)距工作面100 m以后，采空區(qū)沿傾向上的瓦斯?jié)舛葲]有變化，且此時采空區(qū)瓦斯?jié)舛确浅８摺?/p>

改變風(fēng)速，當(dāng)v=1.50 m/s時進(jìn)行重復(fù)迭代計算求解，其采空區(qū)走向上和傾向上瓦斯?jié)舛葓瞿M結(jié)果與v=1.25 m/s大體相同。

將不同風(fēng)速下瓦斯?jié)舛入S工作面走向距離的變化進(jìn)行對比，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速增大到v=1.50 m/s時，沿工作面走向上的瓦斯?jié)舛仍?00 m內(nèi)相比v=1.25 m/s情況下有所下降；在 100 m以后二者大體相同。說明改變風(fēng)速在一定程度上可以減小采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛龋菍Σ煽諈^(qū)深部的瓦斯?jié)舛然緵]有影響。

圖5 不同風(fēng)速下瓦斯?jié)舛入S工作面走向距離的變化情況

2.2 遺煤氧化升溫對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊?/h3>

取風(fēng)速v=1.25 m/s，在瓦斯釋放速率不變的情況下，對采空區(qū)預(yù)埋高溫?zé)嵩催M(jìn)行升溫，溫度分別設(shè)定為373、473 K，模擬采空區(qū)遺煤氧化升溫后溫度對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊?。不同溫度下瓦斯?jié)舛入S工作面走向距離的變化情況如圖6所示。

圖6 不同溫度下瓦斯?jié)舛入S工作面走向距離的變化情況

由圖6可知，對預(yù)埋高溫?zé)嵩催M(jìn)行升溫后，沿工作面走向上30～70 m內(nèi)隨著溫度的升高，瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)了小幅度上升，這是因為溫度的升高加劇了周圍氣體分子的擴(kuò)散運(yùn)動，但是對整體的影響非常小，因此只有在高溫?zé)嵩粗車艜l(fā)生小幅度變化。

當(dāng)遺煤氧化升溫后，不同高溫?zé)嵩辞闆r下工作面沿不同方向上的溫度分布情況如圖7所示。

(a)工作面走向

由圖7(a)可知，沿工作面走向上40～60 m內(nèi)溫度發(fā)生了較為明顯的變化，這是因為浮煤的導(dǎo)熱性質(zhì)一般，所以隨著與高溫?zé)嵩淳嚯x的增大，溫度下降趨勢較快。由圖7(b)可知，溫度發(fā)生改變的區(qū)域范圍在距進(jìn)風(fēng)巷30～100 m內(nèi)，溫度的變化區(qū)間相對較廣，在傾向上溫度由于受到漏風(fēng)流的影響，向回風(fēng)巷散熱，導(dǎo)致向回風(fēng)巷方向的溫度區(qū)間較大。從整體上分析，高溫?zé)嵩磳Σ煽諈^(qū)整體溫度場的影響較小。

2.3 高位鉆孔抽采對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊?/h3>

針對U型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，此次模擬在回風(fēng)巷處斷裂帶設(shè)置8個鉆孔抽采瓦斯，得到未抽采和抽采條件下瓦斯?jié)舛葓龅哪M結(jié)果，如圖8所示。

(a)未抽采條件下

由圖8可知，2種條件下瓦斯?jié)舛葓龇植紙D發(fā)生了較為明顯的變化，進(jìn)行高位鉆孔抽采后，整個采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@降低，尤其上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鼮槊黠@。為了進(jìn)行準(zhǔn)確分析，將相同位置2種條件下沿工作面不同方向的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行對比，如圖9所示。

(a)工作面走向

由圖9(a)可知，沿工作面走向0～110 m內(nèi)，進(jìn)行高位鉆孔抽采后瓦斯?jié)舛让黠@降低，隨著走向距離的增加抽采程度逐漸降低，瓦斯?jié)舛瘸噬呲厔?；?dāng)走向距離在110 m以后抽采效果不太明顯。由圖9(b)可知，沿工作面傾向0～60 m內(nèi)2種條件下瓦斯?jié)舛茸兓瘜Ρ确浅Ｃ黠@，由于風(fēng)流作用回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛乳_始非常高，在進(jìn)行高位鉆孔抽采后瓦斯?jié)舛却蠓陆担档椭?.2%左右。綜合圖8和圖9，將2種條件下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行對比，說明采用高位鉆孔抽采瓦斯可以有效解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

3 結(jié)論

1)通風(fēng)條件下對采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛葓鲇休^大影響，但隨著走向和傾向距離的增大，通風(fēng)對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊懛浅Ｐ?，改變風(fēng)速在一定程度上可以降低采空區(qū)淺部的瓦斯?jié)舛?，但是對采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛扔绊懛浅Ｐ　?/p>

2)采空區(qū)遺煤氧化升溫后，高溫?zé)嵩粗車咚節(jié)舛入S著溫度的升高而升高，但升高幅度較小。從總體分析，高溫?zé)嵩磳φ麄€采空區(qū)溫度場的影響較小。

3)對采空區(qū)進(jìn)行高位鉆孔抽采處理后，整個采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葓霭l(fā)生了較大變化，上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低，在采空區(qū)采用高位鉆孔抽采瓦斯可以有效解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。