回采工作面瓦斯运移规律的数值模拟研究

张圣国 高明涛

(新汶矿业集团有限责任公司，山东省泰安市，271200)

1 煤矿概述

赵官煤矿生产能力为90万t／a，开拓方式为立井单水平上下山开采，通风方式为中央并列式，抽出式通风方法，目前矿井通风量为4585m3／min，矿井等级孔3.96m2，矿井绝对瓦斯涌出量为31.66m3／min。1705工作面为本矿井的首采工作面，单斜构造，工作面布置如图1所示。工作面煤层倾角约4°～8°，煤厚平均为1.3m。工作面老顶岩性为灰—深灰色砂岩，厚3.6m，层理发育，见植物叶化石及较多菱铁质结核，岩石硬度系数为5.0；直接顶为灰黑色泥岩，厚度为4.5m，岩石硬度系数为3.0；伪顶为炭质泥岩，厚度0.12～0.2m，灰黑色，参差状断口，含炭量较高，具有较高的发热量，岩石硬度系数为2.5。直接底为深灰色粉砂岩，厚度为1.11m，含植物根化石，下部夹细砂岩薄层，岩石硬度系数为3.0；老底为浅灰—灰色细砂岩，厚度为4.84m，致密、坚硬，成份以石英为主，长石次之，岩石硬度系数为5.0，煤层瓦斯涌出量3～5m3／min。

图1 1705工作面示意图

2 瓦斯运动规律模拟

2.1 基本参数的选择

瓦斯涌出不均衡系数1.05；工作面回风流中瓦斯的最高允许浓度为1%；工作面进风风量750 m3／min。瓦斯成分中 CO2为 5.356%、CH4为91.758%、N2为2.886%。

2.2 网格划分

切眼断面形状为长方形，长为4.5m，高为2.2m；巷道断面形状为梯形，上部长3m，下部长5m，高为2.2m，利用GAMBIT软件进行工作面模型网格划分，如图2所示，图2从不同角度对工作面模型网格的划分进行了展示。

图2 工作面模型网格划分图

3 实测结果与模拟结果对比

3.1 1705工作面实测结果

赵官煤矿分别在1705上平巷距工作面切眼位置、距切眼上端头位置及下平巷距工作面切眼位置的瓦斯浓度进行了实际测量。上平巷各测点距工作面切眼位置分别为50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m时，瓦斯浓度实测值 分 别 为 0.07%、0.11%、0.17%、0.23%、0.27%、0.03%、0.35%、0.41%；距切眼上端头20m、40m、60m、80m位置时，瓦斯浓度实测值分别为0.43%、0.44%、0.46%、0.49%；下平巷各测点距工作面切眼位置为50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m时，瓦斯浓度实测值分别为0.53%、0.59%、0.65%、 0.71%、 0.77%、 0.83%、 0.87%、0.92%。从实测结果可以看出1705煤巷瓦斯含量较高，上平巷 (进风侧)瓦斯浓度低，下平巷 (回风侧)瓦斯浓度高，接近于报警浓度。

3.2 FLUENT模拟结果

模拟涉及湍流模型、浮力驱动、可压缩流动等。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分。

利用FLUENT软件模拟1705工作面上平巷100m、200m处巷道断面瓦斯浓度，如图3、图4所示。

1705工作面下平巷100m、300m处巷道断面瓦斯浓度，如图5、图6所示。

3.3 对比分析

(1)图7是1705工作面上平巷、切眼和下平巷相关点的实测瓦斯浓度。从实测结果可以看出，由风流的入口到工作面切眼，再到风流的出口，瓦斯浓度是逐渐增大的，由于通风机的选型合理，在该工作面内无瓦斯超限的地点，同时还可以看出本工作面瓦斯涌出量很大，在出口处瓦斯浓度几乎达到超限规定。

(2)图8为1705工作面上平巷、切眼和下平巷模拟瓦斯浓度。从模拟结果可以看出，由风流的入口到工作面切眼，再到风流的出口，瓦斯浓度也是逐渐增大的，就某一断面而言，瓦斯在巷道上部集中，在巷道底部浓度较低。从这方面可以认为模拟结果是合理的，但其准确性还需通过对比分析才能得出。

(3)通过对实测结果与模拟结果进行分析，工作面上平巷距切眼位置100m、200m、300m处各模拟地点误差分别为0.182%、0.13%、0.1%，切眼内距上端头40m处模拟地点误差为0.114%；下平巷距工作面切眼100m、200m、300m、400 m处各模拟地点误差分别为0.051%、0.03%、0.072%、0.054%。

由以上数据以及图7和图8分析可知，模拟结果与实测结果存在一定误差的主要原因是模拟过程中为了简化计算以及运算速度，将各点瓦斯涌出量按平均值模拟，实际工作面中各点的断面形状存在一定的差异，支护设备等也会导致巷道壁面阻力增加，而模拟过程中假设巷道是光滑无阻力的，而巷道风流中实际存在的物质包括CH4、O2、N2、H2O、CO2等气体，但是在模拟过程中为了避免气体成分过于复杂而影响空气流动速度只包括CH4、O2、N2。

由此可以看出此次模拟虽然得出的1705工作面中的瓦斯浓度与实际结果比较吻合，但是模型以及边界设置还存在许多应该改进的地方。

4 结论

(1)在沿风流流动方向上，进风侧的瓦斯随风流向回风侧运移，导致回风侧瓦斯浓度的增大。

(2)在巷道某断面沿高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使顶板附近的瓦斯浓度高于底板附近的瓦斯浓度，这种分布特点适用于整个工作面。

(3)利用FLUENT模拟工作面瓦斯运动分布规律与现实情况比较吻合，此种模拟方法对瓦斯浓度预测具有现实的指导意义。

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