張興潤

(山西潞安化工集團 余吾煤業(yè)公司, 山西 長治 046103)

瓦斯災(zāi)害是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的U型通風(fēng)系統(tǒng)不能很好地解決巷道瓦斯超限問題,尤其是工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸３３瑯?biāo)。造成這種現(xiàn)象的最根本原因是采空區(qū)漏風(fēng)流場易引起上隅角瓦斯積聚。基于此問題大量學(xué)者提出Y型通風(fēng)模式并展開相應(yīng)研究。何滿潮等[1-3]提出在沿空留巷無煤柱開采中使用Y型通風(fēng),相比與“U”型通風(fēng),可更好地治理上隅角瓦斯超限問題;王炯等[4]提出了一種沿空留巷Y型通風(fēng)條件下的留巷側(cè)現(xiàn)場測量碎脹系數(shù)測量方法,基于此確定采空區(qū)模型的滲透率等參數(shù),并研究采空區(qū)漏風(fēng)分布規(guī)律,但并未提出采空區(qū)漏風(fēng)治理措施;李艷昌[5]和李良偉等[6]分別模擬“一進(jìn)兩回”和“兩進(jìn)一回”Y型通風(fēng)模式,都證明Y型通風(fēng)可以消除上隅角瓦斯;Qin[7]采用數(shù)值模擬分析了采空區(qū)瓦斯抽采規(guī)律,得出采空區(qū)周邊瓦斯更容易被抽采;康建宏等[8]利用Fluent對采空區(qū)中高抽巷抽采前后,瓦斯的流場分布進(jìn)行了研究,從而得到了高抽巷的最佳空間布置位置。范紅偉等[9]提出結(jié)合瓦斯抽采與通風(fēng)模式治理采空區(qū);高茜等[10-12]模擬研究Y型采空區(qū)綜放面流場與瓦斯流動規(guī)律,并與U型系統(tǒng)通風(fēng)比較總結(jié)出Y型通風(fēng)特點;同時翟國華等[13-15]針對Y型通風(fēng)瓦斯運移規(guī)律提出采空區(qū)埋管和鉆孔等措施綜合治理瓦斯;薛俊華等[16-18]研究不同風(fēng)量配比對Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯流動的影響?；谇叭搜芯?采用計算機模擬方法對“高抽巷+Y型通風(fēng)”及聯(lián)合采空區(qū)埋管的瓦斯治理模式對采空區(qū)瓦斯流場進(jìn)行分析和研究。

1 采空區(qū)流場數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

采空區(qū)和巷道的實際工況復(fù)雜且多變,為便于研究,風(fēng)流模擬過程中采用以下假設(shè)：

1) 忽略綜采工作面和巷道內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的風(fēng)阻影響。

2) 采空區(qū)中不考慮溫度變化影響,組分之間不考慮化學(xué)反應(yīng)。

3) 不計水蒸氣蒸發(fā)和瓦斯解吸,同時將固體、氣體的物理性質(zhì)參數(shù)視作常數(shù)。

4) 采空區(qū)內(nèi)部區(qū)域視為多孔介質(zhì)區(qū)域,滲透率和孔隙率等均符合經(jīng)驗函數(shù)。

1.2 基本控制方程

采空區(qū)中的瓦斯運移遵循達(dá)西定律。達(dá)西定律最初是研究水在巖體中的滲流規(guī)律,后被推廣應(yīng)用到流體在煤巖體及采空區(qū)中的運移規(guī)律。達(dá)西定律：

(1)

式中：q為滲流量;v表示滲流速度;K為多孔介質(zhì)的滲透率;A為滲透面積;dp表示在dx長度內(nèi)的壓差;i為水力梯度。

在假設(shè)和理論分析的基礎(chǔ)上,研究過程中,煤體的受力屬于固體力學(xué)的內(nèi)容,煤體變形應(yīng)滿足下面的固體力學(xué)平衡方程：

σi,j=Fi

(2)

式中：σ為分量順序,表示為σi,j;Fi為應(yīng)力張量,表示體積力。

研究過程中,煤體被視為多孔彈性介質(zhì),并且具有均勻且各向同性的屬性,則滿足以下的彈性本構(gòu)關(guān)系式：

σi,j=Dijklεi,j-aδijP

(3)

式中：Dijkl為彈性張量;a表示孔隙水壓力系數(shù);εi,j為應(yīng)變張量;δij是Kronecker符號,當(dāng)i=j時,值為1,否則為0;P為流體壓力。

2 物理模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

2.1 工作面概況

余吾煤業(yè)N1100工作面位于北風(fēng)井西翼采區(qū),沿南北方向布置。井下位置：南側(cè)為西翼采區(qū)5條大巷(自北向南分別為1#回風(fēng)大巷、輔助運輸大巷、膠帶大巷、進(jìn)風(fēng)大巷、2#回風(fēng)大巷);北側(cè)為實體煤;東側(cè)為N1101工作面(已采);西側(cè)為實體煤。N1100膠帶順槽長1 952 m,回風(fēng)順槽長1 930 m,高抽巷長1 329 m;回采斜距1 193 m,回采平距1 191 m,切眼斜距328 m,切眼平距326.4 m,工作面可采儲量348.1萬t. N1100工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法,采用MGTY400/930-3.3 D型雙滾筒采煤機,采用“兩進(jìn)一回”的Y型通風(fēng)方式。

2.2 物理模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)工程概況對采空區(qū)進(jìn)行簡化建模,采空區(qū)為328 m×150 m,其中冒落帶高度為20 m,裂隙帶高度為50 m,巷道斷面為5.4 m×3.8 m,根據(jù)實際模擬情況,沿空留巷設(shè)計為150 m×5.4 m×3.8 m,設(shè)計高抽巷為5 m×3 m×100 m,在次進(jìn)風(fēng)水平30 m,豎直35 m位置對裂隙帶進(jìn)行抽采,分別研究添加單獨采空區(qū)瓦斯運移與高抽巷抽采后采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律,模型見圖1. 完整網(wǎng)格包含1 529 848個域單元、105 566個邊界單元和2 936個邊單元。

圖1 模型幾何及網(wǎng)格劃分圖

2.3 求解參數(shù)設(shè)置

模型參數(shù)：瓦斯密度0.716 kg/m3,瓦斯動力黏度1.08×10-5Pa·s,基體等效壓縮率2.18×10-3Pa-1,流體壓縮率1.394 2×10-5Pa-1,煤體密度1 470 kg/m3,自然堆積區(qū)孔隙率0.3,載荷影響區(qū)孔隙率0.12,穩(wěn)定壓實區(qū)孔隙率0.04,裂隙帶孔隙率0.03,煤體泊松比0.33,煤體初始滲透率0.907×10-15m2,煤體楊氏模量3 000 MPa,煤體瓦斯初始壓力0.31 MPa,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105Pa,Biot-willis系數(shù)0.801.

模型設(shè)置工作面瓦斯涌出量為11 m3/min,采空區(qū)瓦斯涌出量為25 m3/min,采空區(qū)0～50 m,瓦斯平均濃度為0.67%,高抽巷抽采負(fù)壓11 kPa. 以此對不同進(jìn)風(fēng)情況下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 沿空留巷采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

設(shè)置3組2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min不同進(jìn)風(fēng)量對不抽采情況下采空區(qū)流場及瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行分析,見圖2.

圖2 不同進(jìn)風(fēng)量采空區(qū)流場分布圖

對比分析不同進(jìn)風(fēng)量下沿空留巷瓦斯分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),采空區(qū)流場分布與進(jìn)風(fēng)量的大小有直接關(guān)系,進(jìn)風(fēng)量越大,采空區(qū)流場速度越大,流線越密集,不同進(jìn)風(fēng)量下采空區(qū)流場分布特征相似,瓦斯隨風(fēng)流從回風(fēng)巷流出。

不同進(jìn)風(fēng)量條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家妶D3,對比分析可以發(fā)現(xiàn),隨著進(jìn)風(fēng)量的不斷增加,靠近工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?同時工作面涌出瓦斯也隨風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷,降低了工作面的瓦斯?jié)舛?。?dāng)進(jìn)風(fēng)量為2 028 m3/min時,可以看到工作面瓦斯?jié)舛纫廊缓芨?而當(dāng)進(jìn)風(fēng)量增大至2 328 m3/min時,工作面瓦斯?jié)舛纫呀档椭涟踩鳂I(yè)濃度以下,由此可以初步判斷,主進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)風(fēng)量應(yīng)不低于2 328 m3/min.

圖3 不同進(jìn)風(fēng)量采空區(qū)瓦斯場分布圖

不同進(jìn)風(fēng)量條件下上隅角瓦斯?jié)舛纫妶D4,對比分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)風(fēng)量為2 028 m3/min時,上隅角瓦斯?jié)舛容^大,達(dá)到了0.7%,當(dāng)進(jìn)風(fēng)量增加至2 328 m3/min,上隅角瓦斯?jié)舛扔忻黠@降低,風(fēng)量繼續(xù)增加,上隅角瓦斯?jié)舛茸兓淮蟆＞C合考慮經(jīng)濟效益等因素,沿空留巷采空區(qū)主進(jìn)風(fēng)風(fēng)量優(yōu)選為2 328 m3/min.

圖4 不同進(jìn)風(fēng)量下上隅角瓦斯?jié)舛葓D

3.2 不同位置高抽巷以及聯(lián)合采空區(qū)埋管條件下沿空留巷采空區(qū)流場分布特征

圖5(a)所示為高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m條件下采空區(qū)流場分布圖,可以看到,風(fēng)流自主進(jìn)風(fēng)巷和次進(jìn)風(fēng)巷流入后,隨著沿空留巷流至回風(fēng)巷,采空區(qū)內(nèi)部的流場由于裂隙帶高抽巷的存在,導(dǎo)致高抽巷范圍內(nèi)流線集中,大量瓦斯從高抽巷被抽出。

圖5 不同位置高抽巷條件下采空區(qū)流場分布圖

圖5(b)與圖5(c)所示分別為高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m和水平30 m、垂直50 m聯(lián)合埋管條件下采空區(qū)流場分布圖,可以看到,風(fēng)流自主進(jìn)風(fēng)巷和次進(jìn)風(fēng)巷流入后,隨著沿空留巷流至回風(fēng)巷,采空區(qū)內(nèi)部的流場由于裂隙帶高抽巷以及采空區(qū)埋管的存在,導(dǎo)致高抽巷與采空區(qū)埋管范圍內(nèi)流線集中,大量瓦斯從高抽巷及采空區(qū)埋管被抽出。

3.3 不同位置高抽巷不同抽采時間聯(lián)合采空區(qū)埋管條件下沿空留巷采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

圖6(a)為高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m不同抽采時間下瓦斯分布規(guī)律,可以看出,當(dāng)抽采時間50 d時,采空區(qū)瓦斯分布出現(xiàn)改變,沿空留巷上方的高抽巷開始對瓦斯分布產(chǎn)生影響,隨著抽采時間的增加,高抽巷附近煤巖層內(nèi)瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?當(dāng)抽采時間達(dá)到200 d時,可以明顯看到瓦斯?jié)舛认陆?使區(qū)域瓦斯?jié)舛冗_(dá)標(biāo)。

圖6 不同位置高抽巷不同抽采時間下采空區(qū)瓦斯分布圖

圖6(b)和圖6(c)分別為高抽巷水平位置20 m、垂直位置40 m和水平位置30 m、垂直位置50 m聯(lián)合采空區(qū)埋管不同抽采時間下瓦斯分布規(guī)律,可以看出,當(dāng)抽采時間30 d時,采空區(qū)瓦斯分布出現(xiàn)改變,沿空留巷上方的高抽巷及采空區(qū)埋管開始對瓦斯分布產(chǎn)生影響,隨著抽采時間的增加,高抽巷附近煤巖層內(nèi)瓦斯?jié)舛戎鸩浇档?同時采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛纫仓鸩浇档?兩種方式聯(lián)合抽采可以明顯使采空區(qū)瓦斯?jié)舛认陆?使區(qū)域瓦斯?jié)舛冗_(dá)標(biāo)。

模擬結(jié)果表明,采用高抽巷及采空區(qū)埋管方式對沿空留巷采空區(qū)及裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采,抽采效果更為明顯;對比高抽巷不同位置下采空區(qū)瓦斯分布特征,水平位置對瓦斯抽采效果影響不大,高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m時,均比實際高抽巷位置抽采效果好,因此建議高抽巷垂直位置為40～55 m為宜。

4 現(xiàn)場實際效果考察

表1為U型和Y型通風(fēng)方式下N1100工作面不同位置瓦斯?jié)舛茸兓?。由?可以看出,改變通風(fēng)方式后回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛让黠@降低,上隅角瓦斯得到消除。

表1 U型和Y型通風(fēng)方式下N1100工作面瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

對兩種通風(fēng)方式下工作面柔模墻抽采量、高抽巷抽采量進(jìn)行分析。如圖7所示,工作面U型通風(fēng)方式下采用采空區(qū)上隅角懸管抽采上隅角瓦斯,抽采純量平均值為0.80 m3/min,Y型通風(fēng)方式下采用柔模墻4英寸管抽采采空區(qū)瓦斯,抽采純量平均值為0.56 m3/min,較U型通風(fēng)方式減少0.14 m3/min,近似認(rèn)為兩種通風(fēng)方式下采空區(qū)抽采純量無變化;工作面U型通風(fēng)方式下高抽巷抽采純量18.73 m3/min,Y型通風(fēng)方式下高抽巷抽采純量23.54 m3/min,抽采純量提升4.81 m3/min.

圖7 N1100工作面高抽巷、采空區(qū)抽采量變化情況圖

5 結(jié) 論

1) “兩進(jìn)一回”Y型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律為：沿走向向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u增大,沿傾向從下向上瓦斯?jié)舛戎饾u增大,靠近沿空留巷瓦斯?jié)舛茸畲蟆！皟蛇M(jìn)一回”Y型通風(fēng)沿空留巷的末端是能位的最低點,漏風(fēng)向沿空留巷末端流動。在風(fēng)量分配合理的前提下,采空區(qū)瓦斯不會被帶至工作面及上隅角,因此瓦斯不會在上隅角積聚,徹底解決了上隅角瓦斯超限問題。

2) 分別建立進(jìn)風(fēng)量在2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min下的采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紨?shù)值模擬。對比分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)風(fēng)量增大至2 328 m3/min時,工作面瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)降低至安全作業(yè)濃度以下,結(jié)合經(jīng)濟效益判斷,主進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)風(fēng)量應(yīng)在2 328～2 628 m3/min.

3) 模擬結(jié)果表明,高抽巷聯(lián)合采空區(qū)埋管治理瓦斯效果更好;高抽巷位置為水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m時,均比實際高抽巷位置抽采效果好。結(jié)合現(xiàn)場實際考察效果Y型通風(fēng)能夠消除上隅角瓦斯,但高抽巷抽采效果并不是很好,因此建議高抽巷垂直位置為40～55 m為宜。