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)。

1 采空區(qū)瓦斯涌出數(shù)學(xué)模型

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)

2 采空區(qū)瓦斯涌出數(shù)值模擬

2.1 幾何模型構(gòu)建

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

2.2 煤層瓦斯賦存特征

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

2.3 不同推進(jìn)距離下通風(fēng)系統(tǒng)壓力分布規(guī)律

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。

2.4 不同推進(jìn)距離下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

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}。

2.5 抽采參數(shù)的確定

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.

3 結(jié) 論

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)。