薄煤層Y型通風(fēng)采場瓦斯分布規(guī)律研究

李良偉，武文賓，林府進(jìn)

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400037)

在高瓦斯煤層工作面通風(fēng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的U型通風(fēng)系統(tǒng)不能很好地解決工作面上隅角瓦斯超限的問題[1-3]。因此，Y型通風(fēng)方式被提出[4-6]，即回采工作面兩側(cè)進(jìn)風(fēng)、采空區(qū)一側(cè)回風(fēng)(簡稱為“兩進(jìn)一回”)的通風(fēng)方式。

工作面及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移實際是兩相介質(zhì)的流動分布，對此前人進(jìn)行了大量研究。J.Pawiński提出了瓦斯計算的數(shù)學(xué)模型[7]；Nottingham大學(xué)的研究人員建立了工作面的瓦斯運(yùn)移模型[8-11]；李宗翔等針對工作面瓦斯超限問題，采用數(shù)值模擬方法，提出了設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門、改變工作面作業(yè)方式等方法[12-13]；王凱等對J型與U型通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬對比，結(jié)果表明采取J型通風(fēng)后采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟠蠼档蚚14]；胡千庭等針對地面井抽放采空區(qū)瓦斯的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，與實際瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果相符[15]；李樹剛等對回風(fēng)側(cè)設(shè)置排放口的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明排放口能明顯降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛萚16]；梁運(yùn)濤等在模擬采空區(qū)瓦斯分布情況時推導(dǎo)出非均值孔隙模型，模擬結(jié)果與U型通風(fēng)工作面實測參數(shù)吻合[17]；金龍哲等采用UDF編程設(shè)置變參數(shù)的采空區(qū)多孔介質(zhì)模型，模擬結(jié)果與實測瓦斯涌出量相當(dāng)[18]。

綜上所述，在薄煤層Y型通風(fēng)條件下的瓦斯流動尤其是在不同配風(fēng)比時的流動規(guī)律缺乏深入研究。因此，筆者對工作面兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采場及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移流動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期確定工作面及采空區(qū)瓦斯流動分布規(guī)律，以及最佳配風(fēng)比例。

1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.1 工作面布置及煤層情況

永榮礦務(wù)局韋家溝煤礦38404工作面布置于38402工作面以西，是二水平三盤區(qū)第3個工作面，如圖1所示。

圖1 38404工作面布置平面圖

38404工作面走向長度為890 m，傾向長度為195 m，煤層平均傾角為2°，平均埋深為650 m，頂?shù)装鍡l件穩(wěn)定。相鄰工作面相對瓦斯涌出量為12.24 m3/t，絕對瓦斯涌出量為23.53 m3/min。

1.2 物理模型與網(wǎng)格劃分

以38404工作面及采空區(qū)為原型，利用GAMBIT軟件建立3D物理模型。視該煤層為水平煤層，工作面寬5 m、高3 m；進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)側(cè)運(yùn)輸巷長度為 20 m，寬與高均為3 m；采空區(qū)長寬高分別為150 、100、10 m；進(jìn)風(fēng)巷沿采空區(qū)延伸30 m形成尾巷，所建立的幾何模型如圖2所示。采用0.5 m步長的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分物理模型，工作面及巷道區(qū)域共劃分28 200個網(wǎng)格，采空區(qū)區(qū)域共劃分1 192 800個網(wǎng)格。

圖2 工作面數(shù)值模擬幾何模型

2 邊界條件及計算方法

2.1 操作環(huán)境及邊界條件

設(shè)定重力大小為-9.81 N/kg。進(jìn)風(fēng)巷端頭與運(yùn)輸巷端頭均設(shè)定為速度入口，不同配風(fēng)比條件下設(shè)定速度不同；運(yùn)輸巷出口設(shè)為自由出流；采空區(qū)固壁為無滑移邊界條件，即u=v=0；進(jìn)風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù))為0；工作面與采空區(qū)的兩個邊界面設(shè)為交界面(Interface)，在采空區(qū)設(shè)置多孔介質(zhì)模型。

2.2 采空區(qū)多孔介質(zhì)模型

采用數(shù)值模擬方法研究Y型通風(fēng)方式下的瓦斯分布規(guī)律，主要目的是指導(dǎo)韋家溝煤礦在工作面回采時的通風(fēng)管理，設(shè)置采空區(qū)為均質(zhì)的多孔介質(zhì)模型并不影響規(guī)律研究。參照經(jīng)驗設(shè)定孔隙率為0.25，并根據(jù)如下公式計算黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)：

(1)

(2)

式中：α為滲透率，等于黏性阻力系數(shù)的倒數(shù)；ε為孔隙率；DP為平均顆粒直徑；C2為慣性阻力系數(shù)。

通過計算可得，黏性阻力系數(shù)為3.2×107，慣性阻力系數(shù)C2=11 200，結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定采空區(qū)瓦斯涌出源項為3.6×10-7kg/(m3·s)。

2.3 計算方法

采用RNGk-ε模型，由于采空區(qū)內(nèi)流體是低雷諾數(shù)的流動，故采用Differential Viscosity Model。壓力耦合采用SIMPLE算法，對控制中的壓力離散采用PRESTO格式，其他的選項采用二階迎風(fēng)格式，以提高收斂精度。

就在我決定撒手的時候，有一道光照了過來，有人喊，警察來了。并且向這邊跑了過來。那兩個男人扔下幾乎要到手的包，倉皇逃跑了。

3 流場模擬結(jié)果

3.1 30 m尾巷對采空區(qū)瓦斯分布的影響

為對比有、無30 m尾巷情況下的流場差異，分別提取流場流線與瓦斯?jié)舛鹊戎稻€圖,如圖3～4 所示。

(a)有30 m尾巷

(b)無30 m尾巷

(a)有30 m尾巷

(b)無30 m尾巷

由圖3、圖4可以看出，有、無30 m尾巷對采空區(qū)風(fēng)流流動與瓦斯分布的影響較大。在存在30 m尾巷的情況下，氣流通過拐角負(fù)壓渦旋區(qū)及尾巷直接進(jìn)入采空區(qū)，使得瓦斯向工作面流動，形成瓦斯高低濃度三角區(qū)。三角區(qū)其中一個角點(diǎn)靠近工作面上隅角，同時采空區(qū)瓦斯?jié)舛日w比無尾巷情況時高，因此尾巷留設(shè)不利于采空區(qū)及工作面瓦斯管理。

3.2 不同配風(fēng)比對采空區(qū)瓦斯分布的影響

進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷配風(fēng)比為1∶1時的空間瓦斯場切片如圖5所示。

圖5 進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷配風(fēng)比為1∶1時瓦斯場切片云圖

由圖5可知，在此配風(fēng)比下上隅角瓦斯會發(fā)生聚積與上浮，是導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸薜脑?，不能發(fā)揮Y型通風(fēng)的優(yōu)勢。因此分別對進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷配風(fēng)比為2∶1、3∶1、4∶1時工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場進(jìn)行模擬研究。

進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷在不同配風(fēng)比條件下的采空區(qū)流線圖如圖6所示。

(a)配風(fēng)比為2∶1

(b)配風(fēng)比為3∶1

(c)配風(fēng)比為4∶1

由圖6可知，整個流場基本流動狀態(tài)不會隨著配風(fēng)比的增高而改變，但是通過尾巷進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流會有一部分返回到工作面。

進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷在不同配風(fēng)比條件下的瓦斯?jié)舛鹊戎稻€圖如圖7所示。

(a)配風(fēng)比為2∶1

(b)配風(fēng)比為3∶1

(c)配風(fēng)比為4∶1

沿工作面風(fēng)流方向瓦斯?jié)舛茸兓€如圖8 所示。

圖8 沿工作面風(fēng)流方向瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖8可知，靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)瓦斯?jié)舛容^高，這是由于30 m尾巷中風(fēng)流將采空區(qū)瓦斯帶至工作面所致，峰值位置恰好在y方向80～90 m區(qū)域。沿著風(fēng)流方向即y軸負(fù)方向，采空區(qū)釋放到工作面的瓦斯較少，新鮮風(fēng)流的充分混合使得瓦斯?jié)舛戎饾u降低。配風(fēng)比越高稀釋工作面瓦斯的能力越強(qiáng)，工作面瓦斯?jié)舛入S著配風(fēng)比的增高而呈下降趨勢。

沿運(yùn)輸巷瓦斯?jié)舛茸兓€如圖9 所示。

圖9 沿運(yùn)輸巷瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖9可知，在運(yùn)輸巷與工作面交匯處因匯入含瓦斯風(fēng)流瓦斯?jié)舛妊杆偕仙?，配風(fēng)比越高稀釋工作面瓦斯的能力越強(qiáng)，工作面瓦斯?jié)舛入S著配風(fēng)比的增高而呈下降趨勢。

y=10 m和y=80 m處采空區(qū)走向瓦斯?jié)舛确植记€如圖10～11所示。

圖10 y=10 m處采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓€

圖11 y=80 m處采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖10～11可知，兩者曲線均存在峰值位置，y=10 m處的峰值線緩而低，y=80 m處的峰值線急而高，越靠近進(jìn)風(fēng)巷峰值越高。隨著配風(fēng)比的增高，瓦斯?jié)舛日w呈增大趨勢，但僅在峰值附近瓦斯?jié)舛仍龃竺黠@，而越靠近兩端位置瓦斯?jié)舛认嗖钤叫　?/p>

4 瓦斯?jié)舛确植家?guī)律現(xiàn)場考察

在38404工作面檢修期間，通過布置測點(diǎn)對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。測試地點(diǎn)布置在回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷回風(fēng)方向0、5、20、50、80、150 m共 6個地點(diǎn)，經(jīng)過連續(xù)6 d在工作面檢修期間對6個測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，其平均值分別為0.014%、0.014%、0.013%、0.016%、0.022%、0.039%。沿空留巷平均瓦斯?jié)舛确植记€如圖12所示。

圖12 38404工作面運(yùn)輸巷實測瓦斯?jié)舛确植记€

由圖12可以看出，在距工作面20 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛茸兓淮?；在距工作?0～50 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛却蠓仍龈撸辉诰喙ぷ髅?0～150 m內(nèi)瓦斯?jié)舛仍黾臃雀?。形成這一現(xiàn)象的原因是在5 m范圍內(nèi)，采空區(qū)瓦斯較多地涌入到采煤工作面，且采空區(qū)漏風(fēng)大，瓦斯在漏風(fēng)作用下流至采空區(qū)深部；距工作面 20 m 后，采空區(qū)漏風(fēng)逐漸減少，同時采空區(qū)大量瓦斯涌入尾巷，導(dǎo)致瓦斯聚積、瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)增高，與Fluent軟件對采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)和瓦斯流場的模擬結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

1)當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷配風(fēng)比為1∶1時，運(yùn)輸巷一側(cè)風(fēng)流流速較高，不易導(dǎo)致瓦斯超限。但由于工作面上隅角處局部阻力與風(fēng)流轉(zhuǎn)向仍然出現(xiàn)了低速紊流區(qū)，可能導(dǎo)致瓦斯聚積超限，不能發(fā)揮Y型通風(fēng)的優(yōu)勢。

2)由于尾巷與進(jìn)風(fēng)巷相聯(lián)通，上隅角附近的采空區(qū)瓦斯會涌入工作面，不利于工作面瓦斯管理，建議盡量不留設(shè)尾巷。

3)工作面瓦斯?jié)舛入S著進(jìn)風(fēng)巷與運(yùn)輸巷配風(fēng)比的增高瓦斯?jié)舛日w降低，運(yùn)輸巷瓦斯?jié)舛入S配風(fēng)比的增高整體呈微降趨勢。

4)采空區(qū)沿走向方向存在峰值瓦斯?jié)舛任恢?，越靠近進(jìn)風(fēng)巷峰值越高，隨著配風(fēng)比的增高，瓦斯?jié)舛日w呈增大趨勢。