上鄰近保護層開采Y型通風采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律及控制

薛俊華 馬騫 李延河 李洪彪 袁占棟

摘 要：為掌握上鄰近保護層開采時Y型通風工作面采空區(qū)的瓦斯分布規(guī)律，并控制采空區(qū)的瓦斯涌出，文中首先針對平煤六礦戊8-32010工作面建立了采空區(qū)瓦斯涌出理論模型，依據現(xiàn)場情況設置瓦斯涌出條件并設置了機巷風量與風巷風量配比分別為1∶3，1∶2和1∶1.5時的入口風速，建立了瓦斯-空氣混合氣體在采空區(qū)里運移的方程組，利用FLUENT軟件進行了這3種風量配比條件下的采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的數(shù)值試驗，將此結果與現(xiàn)場工業(yè)性試驗結果進行了對比分析，確定了適合該工作面的風量分配，最后利用數(shù)值模擬分析了留巷鉆孔法的抽采效果。結果表明：越往Y型通風采空區(qū)以深，瓦斯?jié)舛仍礁?，且采空區(qū)尾部風巷側體積分數(shù)高于尾部留巷側;風巷風量越大，工作面瓦斯?jié)舛仍叫。L巷風量越小，工作面和留巷瓦斯?jié)舛仍酱?在留巷向采空區(qū)尾部施工抽采鉆孔可以實現(xiàn)瓦斯的高效高濃抽采。

關鍵詞：安全科學與工程;瓦斯分布規(guī)律;FLUENT數(shù)值模型;上鄰近保護層開采;風量分配比例

中圖分類號：TD 712

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）01-0015-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0103

Gas distribution law and control of Y-shaped ventilated goaf

in? mining? upper adjacent protective layer

——A case study of Fifth8-32010 working face in Pingmei No.6 Mine

XUE Junhua1，MA Qian1，LI Yanhe2，LI Hongbiao2，YUAN Zhandong2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of

Science and Technology，Xian 710054，China;

2.No.6 Mine of Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.，Ltd.，Pingdingshan 467000，China）

Abstract：In order to grasp the gas distribution law in the goaf of the Y-shaped ventilation working face during the mining of the upper adjacent protective layer，and control the gas emission in the goaf，this article first established

theoretical model

of the gas emission in the goaf for the Fifth8-32010 working face of Pingdingshan?? Coal Mine.Gas emission conditions were set according to the site situation and the inlet wind speed was set as follows：the ratio of the air volume in the engine lane to the air volume in the wind tunnel is 1∶3，1∶2，and 1∶1.5.A set of equations of? gas-air mixture transition in goaf using FLUENT software were established.The numerical test was carried out of the gas distribution law in the goaf under the conditions of the three air volume ratios for the equations moving in the goaf.The results are compared and analyzed with the ones of the on-site industrial test.The air volume distribution suitable for the working face is calculated，and finally the drainage effect of the retaining borehole method is analyzed by numerical simulation.The results show that：the deeper the Y-shaped ventilated goaf，the higher the gas concentration，and the volume fraction at the tail side of the goaf is higher than that at the tail side of the roadway;the greater the air volume in the wind road，the lower the gas concentration in the working face.The smaller the air volume，the greater the concentration of gas in the working face and in the retained lane;the construction of the drainage borehole at the end of the retained lane to the goaf can achieve efficient and high-concentration gas drainage.Key words：safety science and engineering;gas distribution law;FLUENT numerical model;mining of upper adjacent protective layer;air volume distribution ratio

0 引 言

高瓦斯煤層在井工開采過程中，工作面一直面臨著采空區(qū)和上隅角的瓦斯積聚問題[1-2]，尤其是近距離上保護層開采工作面，由于開采擾動后下鄰近層卸壓瓦斯竄入采空區(qū)，導致采空區(qū)和上隅角瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，嚴重妨礙著礦井安全生產。Y型通風系統(tǒng)可以消除上隅角瓦斯積聚，解決上隅角瓦斯易于超限的問題，是一條實現(xiàn)安全、高效、經濟一體化生產的有效途徑[3]。

雖然Y型通風系統(tǒng)解決了上隅角瓦斯超限問題，但同時改變了采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓鯷4-5]，所以在施工過程中不能套用以前U型通風的瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律以及瓦斯治理技術[6-7]。只有摸清楚瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，找出適合該工作面的系統(tǒng)風量及2條進風巷的風量分配，確定出高濃度瓦斯區(qū)域，在留巷內向此區(qū)域施工抽采鉆孔才是解決采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀叩目茖W方法[8-9]。

為此，眾多學者從理論研究、數(shù)值模擬、實驗室試驗和現(xiàn)場試驗等方面進行了大量研究，獲得了Y型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律[10]，偏Y型通風采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律[11]，開發(fā)了Y型通風風控瓦斯技術、留巷鉆孔法抽采瓦斯技術等[12]。但是由于理論研究將現(xiàn)場復雜的條件做了理想簡化及假設，一般不能很好的指導現(xiàn)場試驗[13-14]。數(shù)值模擬試驗在理論研究的基礎上也做了一些條件假設，會與現(xiàn)場的試驗有些差異，但是其適用性較強[15-17]。只有結合理論研究和數(shù)值模擬試驗，才可以較好的指導現(xiàn)場工業(yè)性實驗。

為了研究平頂山礦區(qū)煤層群特征下的上鄰近保護層開采Y型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律及控制技術，文中基于理論研究，建立了采空區(qū)瓦斯涌出模型，并導入到FLUENT數(shù)值模型之中，研究了上鄰近保護層Y型通風采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，并以進風巷風量分配為自變量，研究了其對瓦斯分布規(guī)律的影響，結合現(xiàn)場試驗，確定最合適的進風巷風量分配，并在現(xiàn)場進行了驗證，對比分析了導致數(shù)值模擬試驗和現(xiàn)場試驗結果之間差異的原因，最后利用留巷鉆孔法對抽采效果進行考察，以期能為同類型煤層條件下的采空區(qū)瓦斯治理提供一定的參考依據。

1 礦井及工作面概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦主采煤層從上至下分別為丁5-6煤層、戊8煤層和戊9-10煤層，丁5-6煤層和戊8煤層平均層間距71 m，戊8煤層和戊9-10煤層平均層間距5 m，經煤層突出危險性鑒定后，決定將戊8煤層作為首采層。

戊8-32010工作面位于戊8煤層，平均煤厚2.2 m，設計可采長度2 300 m，傾向長度220 m，標高-633～-768 m，埋深873～938 m，通風系統(tǒng)結合高位瓦斯抽采巷及機巷切頂留巷布置，采用兩進一回Y型通風方式，機巷、風巷進風，機巷留巷和機巷高抽巷回風，煤層為近水平煤層，遺煤平均厚度為0.2 m，可解吸瓦斯含量為4.3 m3/t，煤壁瓦斯初始涌出速率為0.003 56 m3/（m2·min）。工作面布置示意圖如圖1所示。

2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律及抽采數(shù)值模擬

2.1 條件假設

1）采空區(qū)為冒落矸石和巖塊構成的帶有空隙的多孔介質，并將多孔介質視為各向同性。

2）采空區(qū)氣體不可壓縮，不產生化學反應，其流動近似為穩(wěn)態(tài)流動、等溫過程。

3）忽略瓦斯的浮升效應，瓦斯充滿整個采空區(qū)。

4）采空區(qū)瓦斯涌出源來自鄰近層和遺煤。

5）遺煤和鄰近層產生的瓦斯都是瞬間釋放的，忽略解吸時間。

2.2 模型建立及網格劃分

模擬對象為戊8-32010工作面，工作面長度220 m，采空區(qū)深度300 m，據現(xiàn)場考察，豎向裂隙帶高度穩(wěn)定在57 m，所以采空區(qū)高度設置為57 m，工作面寬度10 m，工作面高度4 m，風巷、機巷長度

20 m，寬度4 m，高度3.5 m，建成的模型如圖2所示。

風巷、機巷和留巷網格間距為1 m×1 m，采空區(qū)模塊網格尺寸為2 m×2 m，網格劃分結果如圖3所示。

2.3 采空區(qū)瓦斯涌出源模型

2.3.1 采空區(qū)空隙率分布模型

采空區(qū)空隙率與滲透率分布規(guī)律符合“O”形圈覆巖垮落形態(tài)，采空區(qū)空隙率與滲透率分布的數(shù)學表達如公式（1）和（2）[18]。

式中，n（x，y，z）為空隙率;L為工作面長度，m;k（x，y，z）為滲透率，m2;Dp為采空區(qū)冒落巖塊平均粒徑，取250 mm[19].

2.3.2 采空區(qū)遺煤瓦斯放散模型

采空區(qū)不同位置處的瓦斯涌出速率qc（y）可用公式組（3）求得[20]。

式中 a為瓦斯涌出初始強度，m3/min;b為瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1;y為遺煤位置到工作面的距離，m;Vx為工作面推進速度，m/min;Qt為單位體積遺煤可解吸瓦斯放散體積，m3/m3;T為解吸時間，取288 000 min（即200 d）.

通過上述方程組結合工作面遺煤放散條件，即可求出遺煤瓦斯涌出速率。

2.3.3 下鄰近層瓦斯涌出模型

戊8-32010工作面開采時，戊9-10卸壓瓦斯涌入工作面采空區(qū)，下鄰近層瓦斯涌出量可由公式（4）求得，其中工作面煤壁絕對瓦斯涌出量參數(shù)，可由公式（5）求得，瓦斯排放率可由公式（6）求得，最終得出下鄰近層的瓦斯涌出量[11]。

（6）

式中 Qs為戊9-10煤層量瓦斯涌出量，m3/min;mi 為戊9-10煤層厚度，3.1 m;Qb 為戊8-32010工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min;hi 為鄰近層層間距，m;其余薄煤層瓦斯涌出量忽略不計;ηs為戊9-10煤層的瓦斯排放率;L為戊8-32010工作面長度，m;h為開采厚度，2.2 m;S為開采層與鄰近層層間距，13 m;q0為工作面煤壁剛暴露時單位面積煤壁的瓦斯涌出強度，m3/（m2·min）;V為工作面采煤機割煤時期平均牽引速度，m/min，實測值為10.08 m/min;Tc為工作面正常生產班期間，采煤機完成一次割煤周期所用時間，min，實測值為44 min。

2.4 采空區(qū)瓦斯運移方程組選擇

選擇的氣體組分為甲烷-空氣混合氣體，選擇湍流方程、連續(xù)性方程和動量守恒方程作為混合氣體在采空區(qū)內的流動方程。假設混氣擴散符合Fick

定律，其中混合氣體在采空區(qū)中的流動方程

的統(tǒng)一表達式如式（7）所示，F(xiàn)ick擴散定律的表達式如式（8）所示[21]。

式中 ρ為氣體密度，kg/m3;為通用變量;t為時間，s;

Γ為廣義擴散系數(shù);S為廣義源項。

式中 r為極坐標半徑，m;D為擴散系數(shù)，m2/s;c為瓦斯?jié)舛?，mol/m3。

2.5 邊界條件及相關參數(shù)設置

為研究系統(tǒng)風量為2 830 m3/min時，兩進風巷進風配比對工作面及留巷的瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，共設置了2個進風入口和一個出口。2個進風入口，分別表示戊8工作面機巷和風巷，工作面機巷風量與機巷風量之比分別為：1∶3，1∶2和1∶1.5，一個出口設置為自然出流。

2.6 抽采條件設置

在留巷向里距離工作面切頂線10 m處增加抽放匯對采空區(qū)瓦斯進行抽采，抽采管直徑為500 mm，鉆孔高度為巷道底部2 m處。

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 瓦斯?jié)舛确植家?guī)律實驗結果及分析

在總風量2 830 m3/min的基礎上，對工作面機、風巷風量分配進行調整試驗，分別對機巷、風巷風量比例1∶3，1∶2和1∶1.53種狀態(tài)對工作面瓦斯質量分數(shù)的影響進行研究，結果如圖4所示。

由圖4可得，配風比例為1∶3時，通過工作面的風量較大，上下隅角壓差增大，風巷端口與留巷壓差也隨之增大，導致工作面漏風嚴重，造成采空區(qū)防滅火難度加大;配風量為1∶1.5時，采空區(qū)和留巷處瓦斯?jié)舛葏^(qū)域面積明顯增大，基本可以看出增大風巷風量比例，工作面漏風加劇，減少風巷風量，采空區(qū)和留巷內瓦斯?jié)舛葧龃?，而當采用配風比例1∶2時，一方面可以令工作面漏風情況得以控制，另一方面也可以緩解采空區(qū)和留巷內瓦斯積聚，所以配風比例為1∶2時更適合于戊8-32010工作面。

在Y型通風條件下，瓦斯向采空區(qū)深部不斷積聚，且采空區(qū)尾部風巷側瓦斯體積分數(shù)高于尾部留巷側，由卸壓鉆孔法抽采卸壓瓦斯機理可知[12]，采空區(qū)和覆巖裂隙區(qū)相連通，在留巷后部向采空區(qū)布置瓦斯抽采鉆孔，可以持續(xù)高濃度抽采瓦斯資源。

3.2 瓦斯抽采實驗結果及分析

采用配風比例為1∶2的通風模式建立戊8-32010工作面采空區(qū)抽采模型并布置尾抽鉆孔，抽采模型如圖5所示，抽采結果如圖6所示。

由圖6可以看出，利用尾抽鉆孔抽采瓦斯后，采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)明顯降低，說明在留巷深部向采空區(qū)布置鉆孔可以高效抽采瓦斯。

4 討 論

本次數(shù)值實驗結果以瓦斯質量分數(shù)顯示，現(xiàn)場工業(yè)性實驗結果以瓦斯體積分數(shù)顯示。假設采空區(qū)瓦斯質量分數(shù)為cg，體積濃度為c′g，則質量分數(shù)和體積濃度存在以下關系[22]

（9）

式中 Ma為空氣摩爾質量，kg/mol;Mg為瓦斯摩爾質量，kg/mol。

在總風量2 830 m3/min的基礎上，對工作面機、風巷風量分配進行調整試驗，分別對機巷、風巷風量比例

1∶3，1∶2和1∶1.5這3種狀態(tài)時，對工作面3個測點和留巷內2個測點共5個測點的瓦斯?jié)舛冗M行對比分析，測點布置如圖7所示，現(xiàn)場試驗測點與對應測試位置見表1。

先將現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬實驗5個測點位置的瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計、并繪圖，瓦斯體積濃度對比結果如圖8所示。

由圖8（a）可得，機、風巷風量配比1∶3時工作面瓦斯?jié)舛仍?.16%～0.3%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.32%～0.69%之間;配比為1∶1.5時工作面瓦斯?jié)舛仍?.24%～0.5%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.51%～0.64%之間。由圖8（b）可得，機、風巷風量配比1∶3時工作面瓦斯?jié)舛仍?.02%～

0.05%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.05%～0.3%之間;配比為1∶1.5時工作面瓦斯?jié)舛仍?.05%～0.07%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.04%～0.28%之間。

綜上可得，風巷風量比例越小，工作面瓦斯?jié)舛仍礁撸粝锒瓮咚節(jié)舛仍礁?風巷風量比例越大，工作面瓦斯?jié)舛仍降?，現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬試驗采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔莼疽恢?。但工作面處和留巷內瓦斯?jié)舛戎挡町愝^大，造成這一差異的主要原因是數(shù)值模擬中無法控制工作面向采空區(qū)內漏風和采空區(qū)向留巷內漏風的過程，后續(xù)筆者會就這一問題做進一步研究。

最后在留巷段向里距離工作面切頂線10 m處施工了瓦斯尾抽鉆孔，抽采了采空區(qū)瓦斯，在此期間，工作面和采空區(qū)瓦斯都處于安全值以內[23-24]，相比于上個相鄰U型工作面推進速度，本工作面推進速度明顯提高，如圖9為日產量與抽采濃度之間的關系圖。

從圖9可以看出，利用尾抽抽采采空區(qū)尾部瓦斯，瓦斯?jié)舛榷荚?0%以上，說明在尾部布置瓦斯抽采效果較好。在抽采效果考察后期，日產量有短時間的相對減小，這是由于此時煤層上覆巖層破斷垮落，裂隙帶初步形成，將尾抽為主的抽采方式轉化為高抽巷裂隙帶瓦斯為主抽采方式，一部分瓦斯通過裂隙帶進行抽采，暫時降低了日產量。

5 結 論

1）在采空區(qū)瓦斯涌出和下鄰近層瓦斯涌出強度一定時，近距離上保護層Y型通風的瓦斯易于積聚在采空區(qū)尾部，越靠近尾部，瓦斯體積分數(shù)增加速率越大，采空區(qū)尾部留巷側瓦斯體積分數(shù)低于尾部風巷側，在留巷尾部一定位置處布置瓦斯抽采鉆孔能高效抽采瓦斯，并且此濃度場與單煤層Y型通風瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律基本一致。

2）增大風巷風量比例，會導致采空區(qū)瓦斯大量涌入留巷;減小風巷風量比例，會導致工作面瓦斯增加，因此改變2條進風巷配風量，工作面和留巷的瓦斯?jié)舛葧S之變化。

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收稿日期：2020-08-16?? 責任編輯：楊泉林

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（5197042023）

第一作者：薛俊華，男，江蘇泰州人，教授，博導，E-mail：xuejunhua2003@163.com

通信作者：李延河，男，河南修武人，高級工程師，E-mail：z17775207879@126.com