郭世杰 夏彬偉

特厚煤層綜放開采采空區(qū)瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬

郭世杰 夏彬偉

針對(duì)大同礦區(qū)特厚煤層綜放開采過程中瓦斯異常涌出的問題，本文以大同某礦工作面為研究對(duì)象，結(jié)合“O”型圈理論分析了采動(dòng)裂隙場(chǎng)形態(tài)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的塊狀劃分并建立了U型+走向高抽巷通風(fēng)方式的采空區(qū)幾何模型，運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析了采空區(qū)瓦斯分布狀態(tài)，研究表明采空區(qū)大量的泄壓瓦斯匯集到回風(fēng)巷側(cè)裂隙圈后進(jìn)入高抽巷，對(duì)回風(fēng)巷及上隅角瓦斯起到良好的控制作用，采空區(qū)瓦斯在采空區(qū)深部300m范圍內(nèi)達(dá)到最大，對(duì)采空區(qū)瓦斯后期治理起到指導(dǎo)作用。

特厚煤層多采用綜放開采工藝，開采強(qiáng)度大，采空區(qū)范圍廣，往往伴隨著瓦斯超限等瓦斯災(zāi)害。以大同某礦為代表的特厚煤層生產(chǎn)過中多采用頂板高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯，在一定程度上減少了瓦斯災(zāi)害，但瓦斯超限時(shí)有發(fā)生，因此，對(duì)頂板高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯運(yùn)移進(jìn)行研究有著重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)特厚煤層綜放工作面瓦斯運(yùn)移等相關(guān)方面進(jìn)行了研究，錢鳴高分析了采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布特征，提出了采空區(qū)“O”型圈理論；梁運(yùn)濤等對(duì)采空區(qū)孔隙率分布及其變化規(guī)律進(jìn)行了研究；孟憲銳等研究了高瓦斯綜放開采工作面瓦斯涌出運(yùn)移規(guī)律；張瑞林等對(duì)影響工作面瓦斯涌出的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析；李樹剛等分析了采動(dòng)影響下煤巖卸壓瓦斯的流動(dòng)特性，得出綜放面支承壓力與卸壓瓦斯運(yùn)移的關(guān)系；然而對(duì)特厚煤層綜放開采工作面采用頂板高抽巷一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式下的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移研究較少。

本文以大同某礦某工作面為研究對(duì)象，分析采動(dòng)裂隙場(chǎng)裂隙形態(tài)，結(jié)合“O”型圈理論建立了頂板高抽巷抽采作用下得采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型，運(yùn)用FLUENT流體計(jì)算軟件，分析了采空區(qū)瓦斯分布，為進(jìn)一步的瓦斯治理提供理論支撐。

工作面概況

設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500萬t/a，平均煤厚12m，屬特厚煤層，工作面采用綜放低位放頂煤一次采全高的方法，采煤厚度3.5m，放煤厚度8.5m，通風(fēng)采用一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為3600m3/min，回風(fēng)風(fēng)量為2400m3/min，高抽巷風(fēng)量為1200m3/min。當(dāng)前礦井工作面正?；夭善陂g絕對(duì)瓦斯涌出量保持在30～60m3/min之間。煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。

采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)形態(tài)

錢鳴高“O”形圈理論認(rèn)為隨著回采工作面的推進(jìn)，認(rèn)為上覆巖層裂隙的發(fā)育呈現(xiàn)兩階段：1.離層裂隙在采空區(qū)中部最為發(fā)展；2.采空區(qū)中部趨于壓實(shí)，而四周呈現(xiàn)離層裂隙發(fā)育的“O”形圈。

圖1　巖層柱狀圖

圖2　采動(dòng)裂隙帶平行于煤層平面形態(tài)示意圖

圖3　采動(dòng)裂隙帶走向剖面形態(tài)示意圖

圖4　采動(dòng)裂隙帶傾向剖面形態(tài)示意圖

華明國(guó)認(rèn)為采空區(qū)裂隙場(chǎng)在空間上沿工作面走向、傾向上存在三個(gè)區(qū)域：如圖3所示從采空區(qū)深部方向來看，開切眼和工作面位置裂隙發(fā)育程度最高，采空區(qū)中部趨于壓實(shí)裂隙密度較??；如圖4所示，沿工作面方向，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷位置裂隙發(fā)育程度最高，中部趨于壓實(shí)。

采空區(qū)瓦斯運(yùn)移狀態(tài)方程

質(zhì)量守恒方程

有質(zhì)量守恒定律，推導(dǎo)出流體流動(dòng)質(zhì)量守恒方程的微分形式：

式中：ρ—流場(chǎng)密度；t —時(shí)間；U —為速度矢量，u，v，w為流速在x，y，z 方向上的分量。

動(dòng)量守恒方程

對(duì)動(dòng)量守恒方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)常用到的簡(jiǎn)化模型有二項(xiàng)式模型和指數(shù)模型：

式中：Jx—為x 方向的壓力梯度；Kx—x方向的滲透系數(shù)，ax為多孔介質(zhì)的x 方向粘性阻力系數(shù)；bx—x方向慣性阻力系數(shù)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程

圖5　相似模型試驗(yàn)裂隙圈范圍

根據(jù)菲克定律與質(zhì)量守恒定律，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的微分方程為：

式中：x —煤粒瓦斯含量，m3/t 或m3/m3；r—煤粒內(nèi)任一點(diǎn)半徑，m；t—時(shí)間，s。

綜放面采空區(qū)及采場(chǎng)上覆巖層建模及網(wǎng)格劃分

采空區(qū)裂隙場(chǎng)形態(tài)確定

采動(dòng)裂隙矩形梯臺(tái)的高度

一般情況，垮落帶的高度為采高的3～5倍。裂隙帶和垮落帶的高度可有前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，在垮落帶和斷裂帶的高度分別為：

斷裂帶：

采動(dòng)裂隙圈的帶寬

工作面的初次來壓和周期來壓步距決定著裂隙圈的寬度，開切眼位置得裂隙圈帶寬相當(dāng)于初次來壓步距，為28m；工作面位置的裂隙圈帶寬約為2倍的周期來壓步距，為35m。

采動(dòng)裂隙矩形梯臺(tái)斷裂角

由相似模擬試驗(yàn)，量得開切眼斷裂角63°、工作面斷裂角為65°，沿傾向方向的斷裂角以工作面的斷裂角為準(zhǔn)為65°。

④采場(chǎng)幾何模型尺寸：

1.煤層傾角2～5°為近水平煤層。設(shè)模型為矩形梯臺(tái)體，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷和工作面按照長(zhǎng)方體建模，進(jìn)風(fēng)巷尺寸：長(zhǎng)30m，寬5.3m，高3.5m；工作面尺寸：長(zhǎng)230m，寬5.3m，高3.5m；回風(fēng)巷尺寸：長(zhǎng)30m，寬5.3m，高3.5m；采空區(qū)長(zhǎng)400m，寬241m，高78m。

2.高抽巷距離煤層底板20m，距回風(fēng)巷水平距離20m；高抽巷尺寸：寬3.8m，高3m。

3.根據(jù)碎脹系數(shù)不同將采空區(qū)及上覆巖層劃分為不同區(qū)域。

采空區(qū)滲透率的確定

采動(dòng)裂隙場(chǎng)具有多孔介質(zhì)的特性，對(duì)不同區(qū)域取不同的碎脹系數(shù)，巖石的碎脹系數(shù)由巖石的性質(zhì)及處于裂隙場(chǎng)區(qū)域位置決定。采空區(qū)滲透性和孔隙率與巖石垮落碎脹系數(shù)的研究，得出Blake-Kozeny公式：

式中：e為滲透系數(shù)；n為孔隙率；KP為巖石垮落碎脹系數(shù)；Dm為多孔介質(zhì)平均粒子直徑，冒落帶取0.014～0.016m，裂隙帶取0.016～0.040m；1/e粘滯阻力為滲透系數(shù)的倒數(shù)C2慣性阻力計(jì)算方法：

圖6　裂隙場(chǎng)沿走向剖面幾何參數(shù)圖

圖7　裂隙場(chǎng)沿傾向剖面幾何參數(shù)圖

圖8　采空區(qū)U+I梯臺(tái)模型

模型邊界條件的設(shè)定

進(jìn)風(fēng)巷位置設(shè)為進(jìn)口邊界，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流速度為2.8m/ s，瓦斯?jié)舛葹??；仫L(fēng)巷及高抽巷口設(shè)置為出口邊界，設(shè)置為壓力出口。其余固體邊界邊界設(shè)置為壁面。采空區(qū)底部面設(shè)置為瓦斯涌出源，按照模型和參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，直至計(jì)算殘差收斂為止，可得采空區(qū)流場(chǎng)、瓦斯分布等規(guī)律特性。

計(jì)算結(jié)果分析

圖9　采空區(qū)工作面水平瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=2m）

圖10　采空區(qū)高抽巷水平瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=22m）

圖11　采空區(qū)z立面瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=2、22、45m）

表1　模型不同區(qū)域滲透率和孔隙率系數(shù)

本次計(jì)算在本次模擬采用非耦合隱式算法，在Fluent中設(shè)置好相關(guān)條件后，通過軟件自動(dòng)初始化未知量和設(shè)定數(shù)據(jù)迭代的次數(shù)和精度，就可對(duì)8214綜采工作面采空區(qū)三維模型進(jìn)行模擬。得到采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植紙D。如圖9、圖10、11分別表示采空區(qū)距底板高度2m、22m、45m平面的瓦斯?jié)舛确植紙D。

圖12　工作面水平y(tǒng)=20、120、220向采空區(qū)深部延伸瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖13　采空區(qū)x立面瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（x=35、100、150、200m）

圖14　工作面水平x=35、100、200m由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€圖

由采場(chǎng)瓦斯在z方向截面分布圖可以看出，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛雀哂谶M(jìn)風(fēng)側(cè)，向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，由z=2、z=22截面瓦斯?jié)舛确植紙D可以看出，由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛瘸商荻戎饾u升高，由于抽采負(fù)壓對(duì)氣流的導(dǎo)向作用有效降低了了回風(fēng)巷、上隅角的瓦斯?jié)舛?，?duì)于防治回風(fēng)巷、上隅角瓦斯超限起到了良好的效果。

圖12表示工作面水平進(jìn)風(fēng)側(cè)、采場(chǎng)中部到回風(fēng)側(cè)向采空區(qū)深部延伸瓦斯?jié)舛茸兓€圖，從圖中可以看出，在進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍黾泳徛?，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍?～50m范圍增加迅速，在50m左右濃度達(dá)到30%，然后緩慢變化?？傮w在300m深度瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大40%，再向采空區(qū)深部延伸趨于減小，模擬分析可以認(rèn)為采空區(qū)漏風(fēng)影響范圍可達(dá)到300m。

圖14示為采空區(qū)x方向瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D和工作面水平x=35、100、200m由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€圖，從圖中可以看出，向采空區(qū)延伸，瓦斯?jié)舛瘸商荻戎饾u升高，在豎直方向上，由于瓦斯的升浮作用在采空區(qū)上部瓦斯?jié)舛容^高，在x=35m截面為煤壁支撐區(qū)范圍，由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)延伸至200m范圍，瓦斯?jié)舛茸兓淮?，?00～240m范圍，瓦斯?jié)舛燃眲∩撸C明由于風(fēng)流作用，瓦斯在回風(fēng)側(cè)積聚，濃度最高達(dá)33%，在采空區(qū)中部x=100m處于離層區(qū)范圍，瓦斯?jié)舛扔蛇M(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)變化較為緩和，在150～240m范圍，瓦斯?jié)舛茸兓^大，濃度最高達(dá)35%，在采空區(qū)深部x=200m處于重新壓實(shí)區(qū)的范圍，瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，且有進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)濃度變化緩和，瓦斯?jié)舛仍?5%～40%波動(dòng)。

結(jié)語

1）本文結(jié)合“O”圈理論確定了采空區(qū)裂隙場(chǎng)形態(tài)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的塊狀劃分建立了U型+走向高抽巷通風(fēng)方式的采空區(qū)幾何模型，并通過計(jì)算分析了模型對(duì)應(yīng)區(qū)域的滲透率和孔隙率等相關(guān)參數(shù)；

對(duì)U型+走向高抽巷通風(fēng)系統(tǒng)條件下的采動(dòng)裂隙場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯起到主導(dǎo)控制作用，采空區(qū)大量的泄壓瓦斯匯集到回風(fēng)巷側(cè)裂隙圈后進(jìn)入高抽巷，有效降低了回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛龋?/p>

在水平方向上，從工作面位置向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，采空區(qū)300m深度位置瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)40%，由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u升高；從縱向看，同一處瓦斯?jié)舛扔上碌缴现饾u增大，瓦斯由于升浮作用上升到上部空間，在同一地點(diǎn)，瓦斯?jié)舛扔上孪蛏铣尸F(xiàn)遞增。對(duì)礦井進(jìn)一步的瓦斯治理起到指導(dǎo)作用。

郭世杰 夏彬偉

重慶大學(xué)

郭世杰，男，碩士生，1991年生。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.007