賈 鵬,鄧鵬江
(1.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲礦,山西 古交 030200; 2.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司,遼寧 沈陽 110016)
采空區(qū)瓦斯因漏風(fēng)原因不斷地涌入工作面,是造成工作面瓦斯超限的主要原因之一[1].瓦斯源涌入采空區(qū)后混合在一起,在濃度差和通風(fēng)負(fù)壓的作用下集中涌向工作面上隅角附近[2-3]. 東曲礦8#煤層為突出煤層,裂隙發(fā)育,瓦斯含量大,嚴(yán)重威脅該礦安全生產(chǎn)?;谠摰V實(shí)際生產(chǎn)條件,研究28808工作面在推進(jìn)30 m、80 m、130 m條件下,上隅角及采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植?,以確定抽采流量,指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。
煤巖體是由孔隙和裂隙組成的雙重介質(zhì),瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)分別存在于孔隙系統(tǒng)、裂隙系統(tǒng)中,并處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[4-5]. 采空區(qū)煤巖破碎,裂隙發(fā)育,瓦斯流動(dòng)受多種因素影響,流動(dòng)過程復(fù)雜,運(yùn)移方式屬于滲流—擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)[6],其滲流運(yùn)動(dòng)適用于Brinkman方程描述:
(1)
(2)
式中:
μ—黏性系數(shù),kg/(m·s);
u—速度矢量,m/s;
p—壓力,Pa;
T—溫度,K;
ε—孔隙率。
當(dāng)煤巖體孔隙的直徑很小時(shí),瓦斯分子不能自由運(yùn)動(dòng),其運(yùn)移方式遵循流體的動(dòng)力擴(kuò)散定律[7],即Fick定律:
(3)
式中:
r—極坐標(biāo)半徑,m;
D—擴(kuò)散系數(shù);
c—瓦斯?jié)舛?,mol/m3;
t—時(shí)間,s.
巷道及工作面氣體流動(dòng)方式以Navier-Stokes方程[8]進(jìn)行描述:
(4)
(5)
28808綜采面采空區(qū)冒落帶高度為10.6 m,裂隙帶高度為38 m. 隨著工作面不斷推進(jìn),采空區(qū)逐漸被壓實(shí),其中距離工作面30 m為自然堆積區(qū),30~80 m為載荷影響區(qū),80 m后為壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)(見圖1). 基于以上數(shù)據(jù)構(gòu)建幾何模型,研究工作面分別推進(jìn)到30 m、80 m、130 m時(shí)瓦斯?jié)舛葓龇植甲兓?guī)律,有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)瓦斯流動(dòng)情況更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。
圖1 回采工作面覆巖的分帶和采空區(qū)的分區(qū)圖
東曲礦28808工作面平均煤厚3.62 m,煤層瓦斯壓力1.19 MPa,煤層透氣性系數(shù)為2.463 m2/(MPa2·d),瓦斯含量為5.19~11.09 m3/t,采空區(qū)瓦斯涌出量為10.02~15.62 m3/t,由于在工作面不同的推進(jìn)距離下瓦斯涌出量不同,根據(jù)該礦相關(guān)資料,不同推進(jìn)距離下工作面配風(fēng)量見表1,采空區(qū)各區(qū)域的孔隙度與滲透率見表2.
表2 采空區(qū)各區(qū)域的孔隙度與滲透率表
針對(duì)工作面不同的推進(jìn)距離,對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同推進(jìn)距離的工作面及采空區(qū)空間的靜壓分布。根據(jù)煤層實(shí)際條件,選取Z=1 m高處截面壓力作為分析對(duì)象,通過數(shù)值模擬,得到不同推進(jìn)距離的靜壓分布圖,見圖2.
圖2 不同推進(jìn)距離下通風(fēng)系統(tǒng)靜壓圖
由圖2可知,工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)壓力最高,回風(fēng)側(cè)壓力最低,隨著工作面推進(jìn)距離的增加,高壓區(qū)的范圍逐漸縮小,工作面兩端的靜壓差逐漸變大,工作面分別推進(jìn)到30 m、80 m、130 m時(shí),兩端壓差分別為40.5 Pa、66.9 Pa、78.7 Pa,這是由于采空區(qū)面積的增大,導(dǎo)致了采空區(qū)涌向工作面的瓦斯量增大,又因?yàn)楣ぷ髅媾滹L(fēng)量的增大,造成了工作面兩端壓差越來越大。
由于工作面推進(jìn)30~80 m過程中,靜壓差增幅為26.4 Pa,增幅最大,故該階段采空區(qū)瓦斯在壓差驅(qū)動(dòng)下向工作面涌出的速度變化最快;工作面推進(jìn)距離80~130 m,靜壓差達(dá)到最大,但增幅僅有11.8 Pa,為前一階段的44.7%,瓦斯涌出速度的增幅雖然降低,但瓦斯涌出速度達(dá)到了最大值。
通過Fluent模擬,得到工作面和采空區(qū)瓦斯分布截面圖(Z=1),見圖3.
由圖3可知,沿走向(x軸)方向,在采空區(qū)0~50 m,工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊颓覞舛茸兓荻刃?。從圖3a)可知,當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí),由于采空區(qū)瓦斯涌出量少,漏風(fēng)嚴(yán)重,采空區(qū)內(nèi)最高瓦斯?jié)舛葹?.2%. 從圖3b)可知,當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時(shí),由于工作面配風(fēng)量較大,且該部分主要處于采空區(qū)的自然堆積區(qū)與載荷影響區(qū)范圍內(nèi),孔隙率較大,漏風(fēng)較為嚴(yán)重,且采空區(qū)瓦斯涌出總量相對(duì)較少,使得瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最高穩(wěn)定濃度集中在靠近回風(fēng)巷一側(cè)。從圖3c)可知,工作面推進(jìn)到80~130 m時(shí),采空區(qū)的壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了50%以上,最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到84%以上,采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度相對(duì)較大,在靠近工作面回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)由于漏風(fēng)原因,瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?/p>
圖3 不同推進(jìn)距離下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D
由圖3b)與圖3c)對(duì)比分析可知,當(dāng)工作面從80 m推進(jìn)到130 m時(shí),工作面配風(fēng)量也增大了200 m3/min,但上隅角處瓦斯?jié)舛确謩e為10%、11%,且隨著工作面不斷向前推進(jìn),瓦斯?jié)舛葘⒅饾u增大,單獨(dú)通過U型通風(fēng)系統(tǒng)增大配風(fēng)量很難從根本上治理上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。
東曲礦28808工作面最大配風(fēng)量為1 400 m3/min,采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯總涌出量的比率為65%,為確保上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?,采空區(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量上限應(yīng)為7.28 m3/min.
在距工作面40 m處做抽采模擬試驗(yàn),借用ORIGIN數(shù)據(jù)擬合功能,抽采流量與瓦斯絕對(duì)涌出量符合Logistic函數(shù)關(guān)系式(6),其擬合效果見圖4.
(6)
圖4 抽采流量與瓦斯絕對(duì)涌出量關(guān)系圖
將確保上隅角瓦斯?jié)舛炔怀薜牟煽諈^(qū)瓦斯絕對(duì)涌出量上限7.28 m3/min代入式(6)中,可得瓦斯抽采流量q為6.43 m3/min.
東曲礦28808工作面通過單獨(dú)增大配風(fēng)量很難治理上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴},解決該問題的最小瓦斯抽采量為6.43 m3/min,實(shí)際抽采時(shí)應(yīng)將該理論結(jié)果上調(diào)10%,即最小瓦斯抽采流量應(yīng)控制在7.07 m3/min以上,以保證東曲礦28808工作面安全生產(chǎn)。