薄煤层初采期间的采场瓦斯运移规律

2014-10-16张锦鹏孙建华舒彦民魏春荣

黑龙江科技大学学报 2014年4期

张锦鹏，王伟，孙建华，舒彦民，魏春荣

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨 150022;2.七台河矿业集团新立煤矿，黑龙江七台河 154600)

采煤工作面的瓦斯涌出特征与工作面产量、长度、上下两出口风压差、工作面瓦斯抽采情况等因素有关。其最明显的表现是，上述参量协调不当，就会引起采空区积存大量瓦斯，导致上隅角瓦斯超限。采空区瓦斯运移规律研究多集中在综放和综采工作面采空区[1－3]，对于薄煤层采煤工作面的研究文献鲜见。薄煤层工作面即使产量较低，工作面瓦斯涌出量也比较大，其涌出来源为邻近层与采空区，主要表现为采空区涌出[4－5]。笔者运用计算流体动力学(CFD)数值模拟和现场实测，结合七台河矿区新立矿三水平90#层左二片薄煤层采煤工作面瓦斯治理实践，研究薄煤层采空区瓦斯赋存流动规律。

1 采场瓦斯运移控制方程及参数

采场包括采煤工作面、进回风口、采空区及采动围岩。采煤工作面、进回风口瓦斯运移遵循管道空间流体理论，比较容易研究;但采空区中瓦斯运移遵循渗流理论，其中的关键参数需现场实测分析才能得出。因此，应侧重确定采空区渗流场的控制方程及参数。

1.1 流体流动的控制方程

采空区具有典型的多孔介质特征，其内的气体运移遵循多孔介质内流体流动的连续方程、动量方程、能量守恒方程、组分传输方程等。为了便于对这些主要控制方程进行分析，把瓦斯涌出作为质量源项加到连续方程中，并用同一程序对各方程进行求解，得到各控制方程的通用形式[6]。

式中:ρ——流场流体密度;

φ——通用变量，可以表示质量 m、速度(u、v、w)、组分 Ci等;

Γ——广义扩散系数;

t——某一时刻;

S——广义源项，这里研究动量源项和质量源项。

1.1.1 动量源项

表述采空区中某点孔隙介质的动量损失特性:

式中:Si——第 i向(x、y 或 z)的动量源项;

μ——动力黏度系数;

Kp——渗透性系数;

|v|——速度向量的模;

vj——在 x、y和 z方向的速度分量;

C2——惯性阻力系数，C2=1.75Kp/(1 －Kp)3。

式(2)中，括号内的第一项为黏性损失项，即为Darcy定律，反映的是压力梯度驱动下的黏性损失;第二项为惯性损失项，反映的是渗流流动中的动量损失。

1.1.2 质量源项

对比现场钻孔实测情况和大量模拟结果，并参照工作面瓦斯涌出来源比例，设置瓦斯质量源项，见表1。

表1 瓦斯质量源项设置Table 1 Setting mass of gas fountain

1.2 气体输运方程和状态方程

工作面和自然堆积区气体湍流流动符合标准的k－ε模型，载荷影响区、裂隙区和压实稳定区气体流动符合层流模型，所有区域气体状态符合不可压缩气体的状态方程[3]。

1.3 多孔介质渗透率的分布

采空区内多孔介质主要为冒落矸石和遗煤，而且多孔介质内采动孔隙比原有孔隙的尺寸和渗透性都大许多。受采场围岩岩性不同和采场压力变化影响，采空区内多孔介质的骨架结构随时间和空间变化，因而采空区内多孔介质的渗透率是随时空变化的函数[7]。由于渗透率随时间变化较缓慢，变化值也不大，所以，文中仅考虑采空区随工作面推进的空间变动情况。

据采空区覆岩采动裂隙“O”形圈理论[8]，通过现场打钻实测和两巷顶板运移量观测统计，拟合出新立煤矿三水平90#层左二片工作面采空区多孔介质碎胀系数连续分布函数，见式(3)。利用Blake－Kozeny公式可以估算出采空区垮落带的渗透性系数 Kp[9]。

式中:εp(x，y)——采空区某一点碎胀系数;

Dp——采空区垮落岩体的粒子调和直径，取0.01～0.20 m;

n——多孔介质的孔隙率，取 n=1 －1/εp。

2 采场工作面与数值模型

2.1 工作面

七台河矿业集团新立煤矿三水平90#层左二片工作面平均倾角12°，煤厚1.1 m。走向长687 m，倾斜长197 m，与上部87#层间距79 m，与下部91#层间距4.2 m。工作面直接顶为0.82 m的深灰色砂页岩;老顶为7.4 m厚的深灰色粉砂岩;直接底以深灰色的石英长石为主，胶结好，平均厚度4.5 m;91#煤层底板为细砂岩，平均厚2.7 m。该工作面采用走向长壁后退式普通机械化采煤法，全部垮落法控制顶板。工作面日产量980 t，日进尺2 m，工作面通风量1 018 m3/min，绝对瓦斯涌出量14.66 m3/min。

2.2 模型

2.2.1 物理模型

模型以实验工作面第一次周期来压时期工作面及采空区尺寸建立。采场及围岩根据瓦斯涌出源及孔隙率划分六个部分。图1为对应的物理模型。

图1 工作面模拟物理模型Fig.1 Physical model of simulation face

2.2.2 数值模型

为了简化分析，数值模拟中只考虑工作面供风量、采空区漏风等对采空区瓦斯浓度分布的影响;采场气体流动近似为稳定流动、等温过程，温度293 K;气体组分中仅设置甲烷、氧气和氮气;工作面空间不考虑采煤机械及附属设备的影响。

根据采场实际情况和物理模型，采煤面进风巷入口设为速度入口，风速2.83 m3/s;回风巷出口设为压力出口，压强－27 Pa;进出口混合气体浓度为实测值，模型上下表面及四周设置为壁面边界条件。图1中除压实稳定区外都是瓦斯源，瓦斯涌出见表1。模型的坐标原点为模拟进风巷与开切眼的交点，x轴沿进风巷逆风流方向，y轴沿工作面方向，z轴指向顶板。

运用Fluent 6.23软件进行数值模拟，物理模型(图1)的瓦斯浓度分布模拟结果见图2。

图2 瓦斯浓度分布情况Fig.2 Distribution of gas concentration of stope

3 采场瓦斯运移规律

3.1 采空区瓦斯浓度分布

图3a～3c分别是距开切眼5、22、37 m的瓦斯浓度等值线。

图3 距开切眼不同距离的瓦斯浓度等值线Fig.3 Contour maps of gas concentration at different distances from open-off cut

由图3可以看出，沿着x轴方向:采空区中部瓦斯体积分数大于0.8的区域最大，靠近开切眼处次之，远离工作面最小，且靠近工作面侧瓦斯浓度上小下大。说明底板区域卸压释放较多，受流场作用，瓦斯流向底板裂隙区靠上巷侧和裂隙区。

图4a～4e分别是距煤层底板－4.0、0、1.0、3.5、11.5 m瓦斯浓度等值线。沿着 z轴方向:－4.0、0 m切面上，下半部瓦斯浓度呈半圆形分布，上半部平行分布;1.0 m切面上总体呈平行分布，不过下半部瓦斯梯度大;3.5、11.5 m切面上靠工作面侧瓦斯浓度普遍大于采空区后部。这说明流场对底板裂隙区、自然堆积区和载荷影响区的瓦斯分布影响较大;而对压实稳定区和裂隙区影响很小。说明靠进风巷侧受漏风影响较大，瓦斯浓度梯度变化大，底板层和采空区涌出的瓦斯被带向回风巷侧，靠回风巷侧风压很小，高浓度瓦斯聚集在裂隙区和压实稳定区的上部。

图4 距煤层底板不同距离的瓦斯浓度等值线Fig.4 Contour maps of gas concentration at different distances from floor of coal seam

图5a～5c分别是距进风巷15.5、35.5、95.5 m切面瓦斯浓度等值线。沿着y轴方向:采空区瓦斯浓度在进风巷到15.5 m切面区域，从下到上呈现“大、小、大”;超过15.5 m切面，从下到上呈现由小到大，且瓦斯浓度梯度逐渐减小;经过95.5 m切面后，瓦斯体积分数变化较小，大于0.8。说明进风巷到15.5 m切面底板裂隙区瓦斯没有被带走，而是聚集起来，其他大部分瓦斯都聚集在裂隙区和压实稳定区的上部。

图5 距进风巷不同距离切面的瓦斯浓度等值线Fig.5 Contour maps of gas concentration at different distances from intake roadway

3.2 工作面及进回风巷附近瓦斯浓度分布

工作面与进回风巷附近瓦斯浓度等值线如图6所示，图6a为进风巷附近，图6b为回风巷附近，图6c为工作面。

如图6a、6b，沿x方向，从下转角往采空区深处瓦斯浓度增大较快，距离下转角约15 m处，瓦斯体积分数增加到0.01，表明采煤面进风巷侧采空区瓦斯浓度较小，但瓦斯梯度变化较大。从上隅角往采空区深处瓦斯体积分数几乎不变，都大于0.95，说明回风侧采空区尤其是上隅角附近瓦斯浓度大，而且瓦斯浓度梯度变化较小。这主要是因为，进风侧采空区底板层涌出的瓦斯在较强的漏风风压下，快速进入采空区下部，这一点y为15.5、35.5 m切面表现很明显;而回风侧各处汇集来的瓦斯，在较弱的漏风风压下聚集在采空区沿倾向的上部。

由图6c可见，采煤工作面从下转角开始几乎没有瓦斯，一直到y＞150 m瓦斯浓度才开始增加，到上隅角附近瓦斯体积分数最大，达到0.065，且瓦斯浓度梯度增加较大。这主要是从进风巷到回风巷采场各类煤体涌出的瓦斯，特别是采空区涌出的瓦斯对于工作面瓦斯浓度的贡献逐渐增加造成的。

图6 工作面与进回风巷附近瓦斯浓度等值线Fig.6 Contour maps of gas concentration of work face，goaf around intake and outtake

3.3 瓦斯积聚区域分析

采场瓦斯积聚区域既是瓦斯预防的重点区域，也是瓦斯抽采的较好区域。图6c显示工作面瓦斯积聚区主要在上隅角，瓦斯体积分数高达0.065;图5显示采空区中y=15.5 m切面以下底板裂隙区瓦斯积聚;图3～5显示采空区中y＞95.5 m、z＞30 m、5≤x≤37 m交集部分为大面积高浓度瓦斯积聚区。

图7为距煤层底板11.5 m流线和压强等值线。瓦斯集聚的原因，主要是开采初期采空区中原上下两巷部分没有被压实，采煤工作面“U”形通风，导致采场漏风带出采空区内高浓度瓦斯，汇集到采空区上部，即图7中在裂隙区y为140～180 m段，该区不仅是－10 Pa的低压区，且局部形成漩涡。这种涡流阻滞采空区涌出的瓦斯进入主风流，导致大量瓦斯滞留于此，成为采空区瓦斯的主要抽采区域。采空区只有一个出口，该区的高浓度瓦斯在低压作用下必然缓慢流向工作面上隅角附近，而采煤面上隅角靠采空区一侧风速低于0.1 m/s，致使高浓度瓦斯在此积聚，从而引起上隅角瓦斯超限。

图7 距煤层底板11.5 m流线和压强等值线Fig.7 Streamline and contour maps of pressure at z=11.5 m apart floor of coal seam

4 现场验证分析

该采煤工作面在回风巷靠采空区侧顶板布置四个高位顺向钻孔抽采采空区瓦斯，其钻孔布置和效果分别见图8、9。

图8 抽采钻孔布置Fig.8 Arrangement of extracting boreholes

图9 抽采钻孔瓦斯浓度情况Fig.9 Gas concentration of extracting boreholes

从初次来压到第一次周期来压结束，4#、5#孔瓦斯体积分数一直大于0.55，而6#、7#孔瓦斯体积分数基本小于0.40。仔细分析四个钻孔位置，发现4#孔距回风巷25.14 m、距煤层顶板14.54 m，5#孔距回风巷20.09 m、距煤层顶板11.95 m，恰好处在大面积高浓度瓦斯积聚区;而 6#、7#孔距回风巷16.73、11.71 m，位于瓦斯积聚区以外。数值模拟结果与实测结果相符。