復雜地質條件下井下巷道瓦斯運移規(guī)律研究

胡月強 周耀

摘 要： 煤與瓦斯突出發(fā)生使得短時間大量煤與瓦斯涌入采場空間，在復雜巷道內運移，直接摧毀巷道設施、礦井通風系統，引起瓦斯爆炸事故。研究瓦斯在巷道內的傳播擴散規(guī)律，構建了突出瓦斯氣體釋放模型，借助Fluent數值模擬對突出瓦斯氣體傳播擴散過程進行模擬。結果表明，無風狀態(tài)下的突出瓦斯表現為子口擴散運移方式，有風狀態(tài)下表現為對流-擴散運移動，突出沖擊波超壓峰值與瓦斯壓力成正比，在巷道內的傳播速度明顯大于空氣聲速，瓦斯運移速度小于沖擊氣流在巷道內傳播速度，突出瓦斯壓力越大，復雜巷道內傳播速度越大，隨著傳播距離增大，突出沖擊波超壓峰值不斷衰減。

關鍵詞： 煤礦開采；高壓瓦斯；沖擊氣流；運移規(guī)律

中圖分類號： TD82;TQ53

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0146-03

Study on the gas transport law of underground roadway under complex geological conditions

HU Yueqiang，ZHOU Yao

（ Henan Institute of Geophysics Spatial Information Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

Abstract： ?The occurrence of coal and gas outburst makes a large amount of coal and gas pour into theope space in a short time，moving in the complex roadway，directly destroying the roadway facilities and mine ventilation system，causing gas explosion accidents.This paper studies the law of gas propagation and diffusion in the roadway， constructs the model of outburst gas release，and simulates the process of outburst gas propagation and diffusion with ?the help of Fluent.The results show that the outburst gas in the ?condition of no wind is characterized by sub-outlet diffusion，while in the condition of wind it is characterized by convection-diffusion.The peak overpressure of outburst shock wave is proportional to the gas pressure;the propagation velocity in the roadway is obviously higher than the sound velocity of the air， and the gas migration velocity is lower than the propagation velocity of the impact gas in the roadway;the overpressure peak of the protruding shock wave is constantly decaying.

Key words： coal mining;high pressure gas;impact flow;migration law

目前，在瓦斯災害治理工作中，采用井下順層鉆孔、穿層鉆孔由于施工簡便，安全系數高而得到廣泛的推廣應用[1]。針對煤層受力變形下的煤體孔隙體積變化，煤層滲透率變化[2]。通過建立不同的滲透率理論模型[3]，針對抽采煤層滲透率受外界載荷的影響，分析基質收縮效應下對滲透率的影響[4]。上述模型更多的是基于均壓載荷作用下的研究，而實際煤礦順層鉆孔抽采瓦斯中，更多的是變載荷作用的情形。一些研究針對煤層內多組分其他運移現象進行了研究，由混合其他域煤層相互作用角度，建立抽采瓦斯抽采理論模型，但在現場應用中，對抽采過程低濃度瓦斯現象仍缺乏合理解釋，使得順層抽采鉆孔設計易出現高估抽采效果問題。基于此，針對煤與瓦斯突出狀態(tài)下在復雜巷道內的運移規(guī)律進行分析研究，獲得突出瓦斯氣體傳播擴散規(guī)律，指導實踐生產作業(yè)。

1 數值模擬計算模型

1.1 突出瓦斯氣流運移模型構建

[JP4]為了解高壓瓦斯氣體在復雜地質條件下形成的沖擊氣流的傳播擴散規(guī)律，建立突出沖擊氣流幾何模型[5]。

模型由壓力腔體和巷道網絡部分。壓力腔體為一個內徑300 mm，長450 mm的圓柱體，用來模擬不同裝煤量試驗，在主巷道內設置測點1、2、3，在進風巷道設置測點4，在回風巷道設置測點五。各監(jiān)測點的坐標分別為：測點1（2.68，0），測點2（8.66，0），測點3（15.84，0），測點4（16.74，0.28），測點5（18.89，-0.62）。

1.2 網格劃分

煤與瓦斯突出發(fā)生時，粉煤與瓦斯涌入巷道形成兩相流動，同時瓦斯受到煤粉的解析作用，傳統多相流模型難以對該類解析動作進行模擬

[6]。因此，認為瓦斯壓力是影響突出氣流的主要因素，根據假設條件，突出臨界狀態(tài)下巷道前方為高壓瓦斯區(qū)，巷道內內空氣壓力為標準大氣壓，突出區(qū)瓦斯處于靜止態(tài)。

模型包括入口邊界、出口邊界、突出口邊界、壁面邊界4類。本次模擬進行2個階段進行：（1）突出發(fā)生前巷道內風流流動穩(wěn)態(tài)模擬。此階段風流在風機作用下流動，進風巷道為壓力入口邊界，回風巷道為壓力出口邊界，與大氣相通；（2）突出發(fā)生后瓦斯氣體的運移過程。此時突出口邊界為壁面邊界。

1.3 突出瓦斯氣流的控制方程

Warren和Ｒoot提出各向同性的雙孔模型描述瓦斯在基質內運移過程[7]。根據瓦斯在基質內運移速度快慢，分為在節(jié)理中的Darcy對流方程，在基質內Fick擴散方程，瓦斯在二者間的節(jié)理和基質內的質量傳輸方程表示為[8]：

M n ?t +SymbolQC@

（υ n·ρ n）－SymbolQC@

（D n·SymbolQC@

M n）=Q s ??（1）

式中： Q s氣體源；M n 為煤層內其他質量； υ n 為氣體運動速度； D n 擴散系數； ρ n 氣體密度； t 為抽采時間。當忽略媒粉拋析和持續(xù)解析的影響，任意時刻下煤層瓦斯運移空間的瓦斯質量可表示為：

M ml=ρ gnφ f ??（2）

式中： M ml 為煤層內瓦斯質量； ρ gn 為基質內氣體密度； φ m 為基質孔隙度。煤作為一種復雜的多孔介質體，考慮混合氣體對瓦斯運移的影響，確定煤層滲透率公式為：

φ m=α+（φ m0－α） ??（3）

exp ［ 1 K （ 1 K + b 0 a 0K f ）－1（ε v－ε v0－ε s－ε s0）］ ??（4）

式中： φ m0 為初始狀態(tài)下基質孔隙率； ε v 為單元體積變形； ε s 為基質瓦斯吸附應變。

2 數值模擬結果分析

2.1 突出前巷道內風流分布特征

模型壓力入口邊界設置在風機位置，壓力出口邊界設置在回風巷道，突出口設為壁面邊界，獲得突出前巷道內風流流動穩(wěn)態(tài)模擬如圖1。

由圖1可以看出，突出前，風流由風機作用進入進風巷道，經回風巷道后返回到大氣中，此時進風巷風速約0.5 m/s，回風巷中風速同樣保持在0.5 m/s，進風巷和回風巷風速保持一致。突出巷道此時作為一個獨頭巷道，穩(wěn)定后的風速約0 m/s。在分岔口回風巷一側，風速受巷道拐彎地形的限制，形成湍流區(qū)，風速分布極為混亂，風流靜壓下降明顯。

2.2 泄壓后突出沖擊波傳播特征規(guī)律

為獲得不同瓦斯壓力下復雜巷道內突出沖擊波的傳播規(guī)律，選取0.2、0.4、0.6 MPa瓦斯壓力進行數值計算。圖2為3個梯度瓦斯壓力條件下監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3處突出沖擊波壓力變化曲線。

從圖2可以看出，瓦斯壓力相同時，沿著巷道側，突出沖擊波的傳播不斷衰減；瓦斯壓力越大，超壓峰值越大。高壓瓦斯急劇膨脹形成突出沖擊波到達監(jiān)測點1處，超壓瞬間升高后馬上衰減到0以下，隨著突出的持續(xù)推進，測點超壓最終與大氣壓相等，瓦斯壓越大，超壓峰也越大。測點1、測點2和測點3超壓變化基本相同，這是由于突出打開瞬間，前提內高壓瓦斯泄壓急劇膨脹并壓縮巷道靜態(tài)空氣形成壓縮波，由前后壓縮波相互疊加形成沖擊波。

通過軟件擬合得到壓力曲線上峰值與時間的關系曲線，利用監(jiān)測點間的距離與2個壓力峰值之間的差計算突出沖擊波在測點間的平均速度如表1。

由表1可以看出，突出沖擊波在巷道內傳播速度明顯大于空氣傳播速度，且瓦斯壓力越大，傳播速度越大，不同瓦斯壓力下的沖擊波能量衰減顯著。

2.3 泄壓后瓦斯氣體運移擴散規(guī)律

以0.4 MPa瓦斯壓力為例，分別對布置在巷道的5個監(jiān)測點位置的瓦斯?jié)舛确植记闆r進行分析；圖3為巷道內各測點瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。

從圖3可以看出，監(jiān)測點1的瓦斯?jié)舛炔▌幼畲螅咚節(jié)舛乳_始急劇上升后迅速下降，當達到一定定值后，衰減速度減緩，表明突出發(fā)生時，在突出口附近，驅替運移占主要地位，當速度衰減到一定值后，以自由擴散為主。監(jiān)測點2和監(jiān)測點3的瓦斯?jié)舛确逯递^小，波動較為平緩，這是由于測點距突出口較遠，突出瓦斯以自由擴散為主。

圖4為瓦斯?jié)舛仍谶M風巷道內與回風巷道內的變化規(guī)律。

從圖4可以看出，進風巷道內瓦斯?jié)舛炔▌虞^小，產生的峰值極低，突出瓦斯并未進入進風通道，這是由于受限于突出腔體體積，突出瓦斯并未擴散到整個巷道空間內，當突出瓦斯由監(jiān)測點1擴散到監(jiān)測點2時，運移速度已經衰減到零，此時主巷道內突出瓦斯的運移方式以自由擴散為主。進風通道由于風機風壓的影響，對瓦斯自由擴散起到一定限制作用，使得回風巷道內側峰值較小。當突出瓦斯擴散至分岔處，進風巷道進來的風流與瓦斯團形成撞擊，在該撞擊作用下，突出瓦斯隨氣流以對分子擴散和對流運移方式運動。

3 結語

（1）突出沖擊波超壓峰值與瓦斯壓力成正比，在巷道內的傳播速度明顯大于空氣聲速，且瓦斯壓力越大，復雜巷道內傳播速度越大，隨著傳播距離增大，突出沖擊波超壓峰值不斷衰減；

（2）無風狀態(tài)下的突出瓦斯表現為子口擴散運移方式，有風狀態(tài)下表現為對流-擴散運移動，突出發(fā)生后，突出口附近驅替遷移運動明顯，突出瓦斯運移速度小于沖擊氣流在巷道內傳播速度。

【參考文獻】

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