采空區(qū)瓦斯涌出動態(tài)變化規(guī)律數(shù)值模擬*

趙 林，董子文，楊子劍，鄒 治，孟麗萍，柳勁甫

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024076；2.湖南工學(xué)院安全與環(huán)境學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

綜放工作面的瓦斯來源一般包括新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空區(qū)向工作面通風(fēng)空間的涌出等；采空區(qū)的瓦斯涌出主要包括在漏風(fēng)影響下采空區(qū)遺煤的涌出，鄰近層的涌出，對于厚煤層分層開采還有底分層的涌出等。影響采空區(qū)瓦斯涌出因素諸多，如煤階、地質(zhì)構(gòu)造、含量、開采順序與速度、采煤方法及工作面布置、頂?shù)装逄卣骷捌涫懿蓜佑绊懙囊?guī)律、通風(fēng)方式與風(fēng)量等[1-4]。

除瓦斯抽采措施外，工作面瓦斯的稀釋功能主要依靠通風(fēng)完成，而風(fēng)流不但可以稀釋工作面的瓦斯也能誘導(dǎo)相關(guān)區(qū)域瓦斯向工作面涌入，因此風(fēng)流對工作面瓦斯的稀釋作用不能用簡單的增加風(fēng)量線性、降低瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄟM行描述。采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量，受工作面布置方式及規(guī)模、開采工藝方法、風(fēng)量以及開采強度等影響，而采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯來源為相關(guān)區(qū)域的瓦斯賦存和殘留，因此煤層瓦斯含量或整體采空區(qū)的瓦斯源項強度大小也顯著影響著其向工作面的涌出。目前采用數(shù)學(xué)模型根據(jù)分源法等進行瓦斯涌出預(yù)測和變化規(guī)律分析的方法較多，如灰色系統(tǒng)預(yù)測法、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)預(yù)測法、趨勢面預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、綜合動態(tài)預(yù)測法等[5-9]。

1 瓦斯涌出量隨風(fēng)量變化規(guī)律

1.1 數(shù)值模擬結(jié)果

采空區(qū)瓦斯涌出影響因素較多，圖1為工作面推進速度不同(vt：2～10 m/d)在風(fēng)速(vin)0.8 m/s、1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s條件下，由初采至開采90 d期間采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量。由圖可知，工作面開始采煤至90 d期間，開采初期隨開采時間的延續(xù)采空區(qū)向工作面的絕對瓦斯涌出量急速增加，開采至一定時間時，絕對瓦斯涌出量達到最大值，之后隨開采時間的延續(xù)絕對瓦斯涌出量逐漸降低，絕對瓦斯涌出量降低至一定量時逐漸趨于穩(wěn)定，即由初始采煤開始，采空區(qū)的絕對瓦斯涌出量先急速增加至最大值，之后涌出量逐漸衰減，然后趨于穩(wěn)定。

圖1 風(fēng)速及推進速度對采空區(qū)瓦斯涌出的影響Fig.1 Influence of wind speed and mining speed on gas emission from goaf

1.2 開采時間的影響

開采初始，隨著開采時間延續(xù)絕對瓦斯涌出量增加，主要是由于這個時期采空區(qū)未充分垮落、壓實。持續(xù)開采會導(dǎo)致可以涌出瓦斯的范圍逐漸擴大，隨時間延續(xù)絕對涌出量具有顯著增加趨勢；達到最大值以后采空區(qū)的絕對瓦斯涌出量開始下降，其原因在于，此時采空區(qū)結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定，漏風(fēng)相對穩(wěn)定，且新形成的采空區(qū)中遺煤及鄰近層煤炭中的瓦斯在前期采動影響下已經(jīng)有一定量的放散和涌出，后期新形成的采空區(qū)向外涌出瓦斯的源項強度顯著低于前期，雖然此時采空區(qū)可能有效涌出范圍更廣，但其含量和濃度相對較低，共同導(dǎo)致這個時期的瓦斯涌出量逐漸衰減；在后期采空區(qū)向工作面的絕對瓦斯涌出量基本穩(wěn)定，可能是由于開采時間較長以后，采空區(qū)相對穩(wěn)定，有效涌出范圍或長度相對穩(wěn)定，且新形成的采空區(qū)的瓦斯在前期受采動影響的自由放散過程中很大程度上放散了大量的賦存含量，在未開采到該處時其可能涌出范圍內(nèi)的瓦斯基本涌出完成，距離巷道空間較深區(qū)域的瓦斯基本不能大量擴散涌出，因此這些區(qū)域一旦落入新形成的采空區(qū)中，其瓦斯含量等基本一致，從而共同決定著在開采后期采空區(qū)的絕對瓦斯涌出量將保持在一個相對較低且穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

1.3 供風(fēng)速度的影響

圖1中(a)～(f)每幅圖單獨分析顯示，工作面的供風(fēng)速度越大，采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量越大。工作面通風(fēng)過程中，存在著向采空區(qū)漏風(fēng)的問題，風(fēng)量越大，采空區(qū)漏風(fēng)范圍和漏風(fēng)量越大，瓦斯涌出量增加。但風(fēng)量增加、漏風(fēng)增強，采空區(qū)瓦斯涌出也存在降低的可能，風(fēng)量增加對采空區(qū)向工作面瓦斯涌出量的影響確實存在增加和降低2種可能，主要歸因于采空區(qū)的瓦斯源項性質(zhì)及強度[14-16]。采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家话阌蓽\部向深部具有高—低或低—高—低的趨勢，所以采空區(qū)向工作面涌出瓦斯一般通過2種作用實現(xiàn)，一種是瓦斯?jié)舛忍荻犬a(chǎn)生的擴散作用，另一種為風(fēng)壓、風(fēng)速梯度導(dǎo)致的對流作用。近鄰煤壁的淺部采空區(qū)瓦斯涌出過程中擴散和對流引導(dǎo)作用均顯著；深部采空區(qū)由于與采煤工作面較遠、壓實程度高、瓦斯?jié)舛鹊?，其通過擴散作用向工作面涌出瓦斯較難實現(xiàn)，而在供風(fēng)量大、漏風(fēng)范圍大、漏風(fēng)量大的條件下，深部采空區(qū)瓦斯向工作面涌出主要受漏風(fēng)流場的影響，采空區(qū)瓦斯涌出的主導(dǎo)形式以對流作用為主。

1.4 漏風(fēng)流場的對流作用

漏風(fēng)流場的對流作用對采空區(qū)相對深部瓦斯的影響也存在2種不同的作用，其一為誘導(dǎo)攜帶作用，其二為抑制作用。

誘導(dǎo)攜帶作用:主要指漏風(fēng)對流較強區(qū)域風(fēng)流對周圍風(fēng)流場較弱區(qū)域的風(fēng)流誘導(dǎo)，瓦斯隨誘導(dǎo)漏風(fēng)流攜帶而出，以及漏風(fēng)流流經(jīng)過程對采空區(qū)瓦斯的直接攜帶作用，二者協(xié)同作用。誘導(dǎo)作用主要發(fā)生在兩道沿線附近，漏風(fēng)流在進風(fēng)側(cè)巷道沿線向內(nèi)漏入，在回風(fēng)巷道沿線向外漏出，均會誘導(dǎo)擾動附近受采空區(qū)影響的采空區(qū)兩側(cè)區(qū)域內(nèi)部流場，從而誘導(dǎo)受擾動影響區(qū)域的瓦斯涌向采空區(qū)并通過采空區(qū)涌出。

抑制作用：主要指經(jīng)工作面向采空區(qū)漏風(fēng)經(jīng)由淺部采空區(qū)流入較深部采空區(qū)、鄰近層、上覆巖層及其他相鄰貫通的裂隙帶等區(qū)域過程中會抑制上述區(qū)域涌出瓦斯向采空區(qū)淺部與工作面流動，從而抑制了這些區(qū)域瓦斯的涌出。抑制作用主要發(fā)生在采空區(qū)的較深部區(qū)域，此區(qū)域漏入風(fēng)流向深部流動會導(dǎo)致深部瓦斯向外涌出難度增加；同時，在采空區(qū)附近同層位和上下鄰近層及其周圍區(qū)域由于采動影響產(chǎn)生大量裂隙帶，當(dāng)漏風(fēng)流風(fēng)壓高于裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)壓時會導(dǎo)致風(fēng)流向裂隙區(qū)域流動從而抑制通過裂隙向本采空區(qū)涌出的瓦斯；當(dāng)裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)壓高于漏風(fēng)風(fēng)壓時，裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)流將向本采空區(qū)流動帶來大量殘存瓦斯的涌出，并隨漏風(fēng)回流至本采空區(qū)進而流向工作面，該情況的漏風(fēng)流對裂隙發(fā)育區(qū)域的瓦斯反而是誘導(dǎo)攜帶作用，會增加采空區(qū)的瓦斯涌出總量。

采空區(qū)向工作面涌出瓦斯過程中，漏風(fēng)流場的對流誘導(dǎo)攜帶作用占主導(dǎo)，因此，一般供風(fēng)量增加，瓦斯涌出量將顯著增強；當(dāng)采空區(qū)涌出瓦斯源項主要來源于鄰近層或相關(guān)裂隙發(fā)育區(qū)域時，漏風(fēng)流場的抑制作用顯著，瓦斯涌出量降低。

2 瓦斯涌出量隨推進速度變化規(guī)律

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2為風(fēng)量一定時，不同推進速度下采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量變化規(guī)律，可以看出，推進速度不同采空區(qū)向工作面涌出瓦斯量存在顯著差異。圖2(a)，風(fēng)速0.8 m/s時除初采短暫的幾天內(nèi)存在一定波動，在其它大部分時間內(nèi)，推進速度越大，采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量越?。粓D2(b)～(f)，在初采的一定時期內(nèi)，推進速度越大，采空區(qū)向工作面涌入瓦斯量越大，開采一定時間后，工作面推進速度越大，采空區(qū)絕對瓦斯涌出量越小。

圖2 推進速度對采空區(qū)瓦斯涌出的影響Fig.2 Influence of mining speed on gas emission from goaf

2.2 結(jié)果分析

在開采初期尤其是在初次來壓之前，采空區(qū)未壓實，開采速度越大采空區(qū)的范圍越大，雖然頂板未出現(xiàn)大面積垮落等，但開采初期本煤層與鄰近層及上下分層之間由于采動影響裂隙等大量形成，導(dǎo)致瓦斯涌出的區(qū)域范圍較大且處于涌出初期源項強度較大，共同導(dǎo)致推進速度越快，向工作面涌出的瓦斯量越大。推進速度越大，采空區(qū)長度越大，采空區(qū)深部內(nèi)任意點的漏風(fēng)速度是衰減的，雖然殘余漏風(fēng)速度比小推進速度大，但相對于較長的采空區(qū)范圍和瓦斯到達工作面需要行經(jīng)的較長路線相比是微弱的，即推進速度增大瓦斯向工作面涌出時的單位長度路徑內(nèi)的阻力降低，但需要經(jīng)過的路線大大增加，導(dǎo)致其沿程總阻力增加，所以開采一定時間后采空區(qū)深部瓦斯很難達到工作面，出現(xiàn)開采一定時間后瓦斯涌出量出現(xiàn)隨推進速度增加而降低的現(xiàn)象；同時開采速度加快，頂板下沉量降低且對鄰近層的采動影響低，所以鄰近層的瓦斯涌出會相應(yīng)降低。

3 瓦斯涌出達到最大值的時間及變化規(guī)律

3.1 工作面推進速度對絕對瓦斯涌出量的影響

工作面推進一段時間后，由于推進速度越小，采空區(qū)長度越小，雖然采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)較小，但深部瓦斯運移至工作面的路徑較短，總阻力相對較低，所以后期推進速度慢時瓦斯涌量越大，且采空區(qū)長度小時漏風(fēng)對采空區(qū)的穿透和擾動能力較強，共同導(dǎo)致這一結(jié)果。對于采空區(qū)的絕對瓦斯涌出量受工作面推進速度影響的問題，前人研究持2種不同觀點，文獻[14]及文獻[15]認為隨推進速度的增加，采空區(qū)的絕對瓦斯涌出存在增加與降低2種可能；經(jīng)過現(xiàn)場實測提出推進速度增加，絕對瓦斯涌出量也相應(yīng)增加，這與圖2開采前期階段規(guī)律一致。因此，風(fēng)量相同條件下工作面開采速度對瓦斯涌出量的影響分為2個階段2種情形，在工作面開采的初期階段，開采推進快，瓦斯涌出量高，開采一定時期后，規(guī)律則相反。

3.2 絕對瓦斯涌出量最大值對應(yīng)時間

采空區(qū)瓦斯涌出量隨開采時間的持續(xù)先增加至最大值后隨時間衰減，一定時間后趨于穩(wěn)定，采空區(qū)絕對瓦斯涌出量最大值對應(yīng)時間(tQCH4max)為開采過程中采空區(qū)瓦斯涌出的特殊時間點，該時間點前后的采空區(qū)絕對瓦斯涌出量受推進速度影響，規(guī)律相反。圖3為采空區(qū)瓦斯涌出量最大值對應(yīng)開采時間的變化規(guī)律，圖3(a)顯示推進速度越大采空區(qū)瓦斯涌出量達到最大值所需的時間越長，圖3(b)顯示風(fēng)速越大達到最大值所需時間越長。圖3(a)顯示，任意推進速度下風(fēng)速增加采空區(qū)絕對瓦斯涌出量達到峰值時所需時間隨風(fēng)速線性增加，具有式(1)的直線關(guān)系，不同推進速度下擬合數(shù)據(jù)見表1。

圖3 進風(fēng)速度及開采速度對絕對涌出量達到最大值所需時間的影響Fig.3 Influence of wind speed and mining speed on the time required for absolute gas emission to reach the maximum

表1 瓦斯涌出達到峰值所需時間與風(fēng)速關(guān)系擬合曲線的系數(shù)Table 1 Fitting curve coefficient of the relationship between the time needed for gas emission to reach the peak value and the wind speed

tQCH4max=a+b·vin

(1)

表1中不同推進速度下直線方程公式(1)的斜率a和截距b與推進速度vt之間具指數(shù)關(guān)系，見式(2)、(3)，形成統(tǒng)一的不同推進速度和不同風(fēng)速下采空區(qū)絕對瓦斯涌出量達到最大值的時間均可以由式(4)進行判定。

a=8.8+86.4exp(-0.60vt)

(2)

b=-5.6-63.5exp(-0.72vt)

(3)

tQCH4max=86.4exp(-0.60vt)-[5.6-63.5exp(-0.72vt)]vin+8.8

(4)

3.3 絕對瓦斯涌出量最大值與其對應(yīng)時間的關(guān)系

由于采煤開始至采空區(qū)絕對瓦斯涌出量達到最大值所需要的時間(tQCH4max)占整個工作面開采期的比例較小，因此對最大值以后的采空區(qū)絕對瓦斯涌出量QCH4max變化規(guī)律進行分析具有重要意義。(tQCH4max)以后的采空區(qū)絕對瓦斯涌出量QCH4max(m3/min)與時間t(d)之間具有式(5)所示的關(guān)系，式(5)中a、b與推進速度的關(guān)系如(6)、(7)，式(6)中a1、b1與風(fēng)速之間具有式(8)、(9)的關(guān)系，式(7)中a2、b2與風(fēng)速之間具有式(10)、(11)的關(guān)系。

QCH4=10AtB

(5)

A=a1ln(vt)+b1

(6)

B=a2ln(vt)+b2

(7)

a1=0.964 7vin2-2.133vin+1.383 5

(8)

b1=-1.31vin2+3.090 9vin-1.568 4

(9)

a2=-0.078 1vin2+0.157 7vin-0.378 3

(10)

b2=0.024 7vin2+0.209 8vin-0.365 1

(11)

以上方程(5)～(11)將瓦斯涌出量達到最大值以后開采過程中采空區(qū)絕對瓦斯涌出量與工作面推進速度和風(fēng)速之間建立了量化關(guān)系。將式(6)～(11)代入式(5)即可依據(jù)工作面推進速度和風(fēng)速判斷采空區(qū)絕對瓦斯涌出量。

4 結(jié)論

(1)工作面開采初期瓦斯涌出量較低，隨開采時間的延續(xù)逐漸增加，達到涌出量峰值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定；風(fēng)量增加、開采速度加快瓦斯涌出量最大值增加，達到瓦斯涌出量最大值的時間前者增加、后者降低。

(2)采空區(qū)瓦斯涌出量受風(fēng)速和推進速度影響顯著，一般風(fēng)量越大采空區(qū)瓦斯涌出量越大；相同風(fēng)量條件下，不同開采速度下，瓦斯涌出量達最大值前，推進速度越大，瓦斯涌出量越大，瓦斯涌出量至最大值后，推進速度快其瓦斯涌出量低。

(3)采空區(qū)瓦斯涌出以擴散和對流作用形式出現(xiàn)，一般漏風(fēng)流場對瓦斯涌出具有誘導(dǎo)、攜帶作用導(dǎo)致瓦斯涌出量增加；也具有抑制作用導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量降低，抑制作用主要發(fā)生在風(fēng)壓低于漏入風(fēng)流風(fēng)壓的深部采空區(qū)以及部分裂隙發(fā)育區(qū)域內(nèi)的瓦斯。