劉子港

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

0 引言

瓦斯治理工作是礦井通風(fēng)安全工作最為重要的組成部分，以往的現(xiàn)場工程實(shí)踐和研究成果均得出，因工作面上隅角漏風(fēng)、瓦斯聚集等因素影響，該位置的瓦斯?jié)舛纫绕渌麉^(qū)域的瓦斯?jié)舛雀摺Ｈ欢ぷ髅婊夭珊笮纬傻牟煽諈^(qū)內(nèi)部情況十分復(fù)雜，相應(yīng)地其瓦斯運(yùn)移和分布情況也難以進(jìn)行直接分析研究。因此，本文通過FLUENT數(shù)值模擬方法，首先對綜采工作面上隅角瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬分析，并在此基礎(chǔ)上對大直徑鉆孔以孔代巷合理布置方式進(jìn)行對比研究，為瓦斯抽采工作提供理論依據(jù)。

1 工作面基本情況

騰暉煤業(yè)2-105綜采工作面地面位于西掌坡村莊北部，多為黃土覆蓋的丘陵地帶。井下位于井田西部的1采區(qū)，3條采區(qū)大巷前進(jìn)方向左翼，巷道走向?yàn)闁|西。所開采2號(hào)煤層厚度為5.44～4.95 m，平均5.2 m，平均傾角2°。采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，其中2-1051巷承擔(dān)著運(yùn)料進(jìn)風(fēng)的任務(wù)，2-1052巷承擔(dān)著出煤回風(fēng)的任務(wù)。通過分源預(yù)測法對礦井瓦斯涌出量預(yù)測，2號(hào)煤層1采區(qū)工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量為30.40 m3/min，如果單單采用本煤層預(yù)抽的方式無法解決回采期間的絕對瓦斯涌出量，必須在回采期間采取必要的抽采措施，保證礦井安全生產(chǎn)。

盡管騰暉煤業(yè)目前針對開采層采空區(qū)已經(jīng)采取了高位及低位裂隙帶、采空區(qū)埋管、鄰近層截抽等綜合抽采方法，但瓦斯抽采效果仍不理想，技術(shù)難題仍未攻克。針對開采層采空區(qū)，為真正達(dá)實(shí)現(xiàn)大流量、低負(fù)壓瓦斯抽采效果，擬將以孔代巷抽采技術(shù)應(yīng)用于騰暉煤業(yè)2-105綜采工作面瓦斯治理當(dāng)中，以徹底解決現(xiàn)開采層上隅角及采空區(qū)瓦斯治理難題，從而保證工作面安全高效地開展回采作業(yè)。2-105工作面大直徑鉆孔布置如圖1所示。

圖1 2-105工作面大直徑鉆孔布置示意圖

2 數(shù)值模擬方案

工作面回采后形成的采空區(qū)內(nèi)部情況十分復(fù)雜，相應(yīng)地其瓦斯運(yùn)移和分布情況也難以進(jìn)行直接分析研究。因此，本文通過FLUENT數(shù)值模擬方法，對2-105綜采工作面回采后形成的采空區(qū)瓦斯情況進(jìn)行模擬，再繪制出其內(nèi)部瓦斯分布云圖，以此對其瓦斯運(yùn)移和分布情況進(jìn)行分析研究。

2.1 Fluent模擬軟件

Fluent模擬軟件是可以對復(fù)雜形態(tài)流體進(jìn)行模擬，具有廣闊的適用范圍，常被流體、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域作為研究工具使用。此外，C語言是Fluent軟件的編程基礎(chǔ)，因此，該模擬軟件自身的網(wǎng)絡(luò)有著靈活、多面的特點(diǎn)，同時(shí)還支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的使用。

2.2 模型的假設(shè)條件與建立

2.2.1 假設(shè)的基本條件

1）將采空區(qū)中瓦斯涌出假設(shè)為溫度恒定且穩(wěn)定流動(dòng)的情況。

2）將采空區(qū)中瓦斯作為各向同性的理想氣體進(jìn)行研究。

3）煤巖體中瓦斯流動(dòng)情況符合達(dá)西定律。

4）將采空區(qū)中瓦斯流動(dòng)情況作為湍流情況進(jìn)行研究。

5）因?yàn)橥簩幼陨硗笟庑郧闆r相比較，其圍巖自身的透氣性情況要差得多，所以假設(shè)頂?shù)装鍘r層是沒有透氣性的，并且將瓦斯自身的粘結(jié)系數(shù)假設(shè)為一個(gè)自然常數(shù)。

2.2.2 物理模型的建立

采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的研究涉及到計(jì)算流體力學(xué)、多孔介質(zhì)、滲流力學(xué)等多方面理論，因此建模必須準(zhǔn)確合理才能得到科學(xué)的研究成果。為提高運(yùn)算速度、簡化模擬模型，并遵循與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合的原則，利用長方體模型對2-105工作面、采空區(qū)及各巷道進(jìn)行建模，并且僅對漏風(fēng)因素納入研究范圍，其他影響因素不納入本次研究范圍。根據(jù)騰暉煤業(yè)2-105工作面開采情況，設(shè)置采空區(qū)長度300 m，其和工作面之間的界面長度180 m，開采高度5.2 m，并且2條順槽均矩形斷面，尺寸為15 m×5.1 m×3.2 m（長×寬×高），并且工作面支架兩端均預(yù)留5.1 m寬的無支架支撐區(qū)段，據(jù)此所建立的模型見圖2。

圖2 工作面與采空區(qū)3D物理模型

2.3 網(wǎng)格的劃分

利用該軟件具備的GAMBIT建模程序來對模型網(wǎng)格劃分，將工作面、采空區(qū)模型的網(wǎng)格尺寸分別劃分為3、2 m。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分

圖4 工作面、采空區(qū)網(wǎng)格劃分

2.4 數(shù)值模擬邊界條件

2.4.1 孔隙率的設(shè)定

根據(jù)前人研究成果，采空區(qū)介質(zhì)的孔隙率同其所處空間位置之間有直接關(guān)系，利用煤巖體的碎脹系數(shù)可以對采空區(qū)煤巖體的孔隙率進(jìn)行估算。按照O形圈理論，建立如上圖2所示的坐標(biāo)系，采空區(qū)y=0切面上孔隙率在x軸上同工作面之間的距離呈現(xiàn)出如公式1所示的負(fù)指數(shù)關(guān)系：

式中：φx表示采空區(qū)y=0切面上孔隙率在x軸上的變化函數(shù)；x表示采空區(qū)y=0切面上某一位置x軸坐標(biāo)值，單位為m；A,B,C表示均大于0的常數(shù)（不同采空區(qū)數(shù)值不同）。

按照O形圈理論，在y軸方向上的孔隙率函數(shù)如公式2所示：

式中：φy為在y軸上的孔隙率函數(shù)；L為工作面長度，單位為m；y為采空區(qū)中部某一位置y軸坐標(biāo)值，單位為m；D,E為均大于0的常數(shù)。

采空區(qū)中煤巖孔隙率φ的空間分布函數(shù)可由φx、φy乘積表示，即：

2.4.2 采空區(qū)高度確定

按照O形圈理論，采空區(qū)覆巖具有三帶垮落特征，本文為模擬方便，只考慮冒落帶和斷裂帶。冒落帶最大高度Hm為：

式中：M為工作而采煤高度，單位為m。

導(dǎo)水裂隙帶高度Hf為：

2.4.3 其他設(shè)定

1）將工作面瓦斯看作是可以自由流動(dòng)的區(qū)域，并設(shè)置其孔隙率數(shù)值為0.95。

2）在進(jìn)風(fēng)口邊界的條件設(shè)定速度入口，速度為2.5 m/s（依據(jù)進(jìn)風(fēng)量）。

3）瓦斯源項(xiàng)的設(shè)定（依據(jù)瓦斯不同涌出來源），設(shè)置各瓦斯來源部分均為均勻涌出的多孔介質(zhì)，將其流動(dòng)屬性設(shè)置成PRESTO。

4）出口的邊界條件設(shè)定為自由出流。

5）抽采孔直徑0.65 m，抽采孔設(shè)置為速度入口（速度為負(fù)值，依據(jù)抽采流量設(shè)定）。

6）設(shè)定采空區(qū)同工作面之間的交界面為2個(gè)interior格式的重疊面，并設(shè)定其他面為墻體格式。

3 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬分析

3.1 U型通風(fēng)無抽采采空區(qū)三維模擬

圖5 和圖6所示為U型通風(fēng)工作面無抽采系統(tǒng)的采空區(qū)瓦斯速度軌跡圖、瓦斯?jié)舛热S分布圖。

圖5 采空區(qū)瓦斯速度軌跡

圖6 瓦斯?jié)舛确植紙D

通過圖5和圖6可以得出：由于U型通風(fēng)系統(tǒng)使得工作面兩端頭風(fēng)壓存在壓差，采空區(qū)中瓦斯涌出會(huì)匯聚到漏風(fēng)匯集的上隅角位置處，并且工作面上隅角位置處瓦斯呈現(xiàn)出渦流旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此工作面上隅

角位置的瓦斯積聚現(xiàn)象最為嚴(yán)重且不易消散。

3.2 大直徑U型通風(fēng)下鉆孔在的三維模擬

對大直徑鉆孔距工作面布置距離L分別為15、25、35、45 m 4種條件下，采空區(qū)瓦斯運(yùn)移情況和工作面上隅角情況分別模擬分析，并且取z=3 m時(shí)截面云圖來觀察采空區(qū)瓦斯運(yùn)移情況如圖7所示。

圖7 大直徑鉆孔不同距離條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移情況

通過圖7可以得出：L為15、25、35、45 m時(shí)對應(yīng)的上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為0.71%、0.56%、0.78%和2.26%。工作面上隅角瓦斯?jié)舛葧?huì)隨著L值的增大而增大，而且其增大幅度在35～45 m的范圍內(nèi)最為顯著。這是由于抽采位置向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移之后，工作面上隅角瓦斯抽采效果有所減弱，并且L值超過35 m后，采空區(qū)深部漏風(fēng)風(fēng)流中的濃度較高瓦斯會(huì)匯入回采流當(dāng)中，這就引起工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?。?dāng)間距為15～35 m時(shí)均可保證上隅角瓦斯不超0.8%，當(dāng)L為25 m時(shí)為最佳距離。

3.3 對單孔、雙孔單系統(tǒng)和雙孔雙抽采系統(tǒng)對比模擬

本節(jié)對單孔、雙孔單系統(tǒng)、雙孔雙抽采系統(tǒng)之間抽采效果與規(guī)律進(jìn)行對比分析，模擬結(jié)果如圖8所示。

通過圖8可以得出：當(dāng)L為15、25、35、45 m時(shí)，雙孔雙抽采系統(tǒng)上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為單孔單抽采系統(tǒng)上隅角瓦斯?jié)舛鹊?.44、0.39、0.42、0.46倍，雙孔單抽采系統(tǒng)上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為單孔單抽采系統(tǒng)的1.10、1.18、1.10、1.09倍。就上隅角瓦斯抽采效果而言，雙孔雙抽采系統(tǒng)>雙孔單抽采系統(tǒng)>單孔單抽采系統(tǒng)，因此，本工作面采用雙孔雙抽采系統(tǒng)能達(dá)到更好的抽采效果。

圖8 單孔、雙孔單系統(tǒng)、雙孔雙抽采系統(tǒng)上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

4 結(jié)論

1）當(dāng)鉆孔和工作面之間距離為15～35m時(shí)均可保證上隅角瓦斯不超0.8%，并且25 m為最佳距離。

2）通過對單孔、雙孔單系統(tǒng)、雙孔雙抽采系統(tǒng)之間抽采效果模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，本工作面采用雙孔雙抽采系統(tǒng)能達(dá)到抽采效果。