高抽巷瓦斯抽采对工作面安全开采的影响分析*



高抽巷瓦斯抽采对工作面安全开采的影响分析*

张俭让1，2，陈伟1，2，张荃1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

摘要：为了探究高抽巷瓦斯抽采对工作面安全开采的影响，依据401101工作面的巷道布置情况，建立了工作面与采空区的数学物理模型。应用Fluent软件对工作面在有无高抽巷及高抽巷不同抽采能力下采空区的氧浓度以及瓦斯浓度分布规律进行了数值模拟，获得了上隅角瓦斯浓度与采空区氧浓度分布情况。模拟结果与现场实测数据表明：高抽巷能有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题；随高抽巷抽采瓦斯能力的增大，上隅角瓦斯浓度不断降低，但采空区氧化升温带的宽度和深度会增加，使得煤自燃危险性和防灭火压力增大；综合考虑防止瓦斯超限及采空区煤自燃，并保证工作面安全开采，高抽巷瓦斯抽采能力以0.25～0.3为宜。

关键词：高抽巷；采空区；自燃危险性；数值模拟

0引言

瓦斯是煤矿生产过程中的主要危险源。随着采煤工作面生产能力的提高及工作面推进速度的加快，必然导致瓦斯涌出量增大。高抽巷抽采技术由于其抽采时间长，抽采率高，抽采系统简单，易于管理，已成为解决高瓦斯易自燃特厚煤层瓦斯超限问题的主要方法[1]。近年来，国内学者对“U”型工作面采空区的研究逐渐深入，进行了大量的现场测定和模型试验[2-3]，同时利用数值模拟软件对采空区的漏风流场和瓦斯浓度场[4]进行了模拟。对于有高抽巷的工作面，主要进行了高抽巷抽采机理[5]、层位参数[6]和抽采能力[7]等对其抽采效果影响方面的研究。

以胡家河矿401101工作面为研究对象，用数值模拟软件FLUENT，分析工作面在有无高抽巷及高抽巷不同抽采能力下采空区的氧浓度场以及上隅角和高抽巷抽采口瓦斯分布规律，以及氧化升温带在深度和宽度方面的变化情况。

1采空区内气体流动数学模型

采空区内气体流动十分复杂，靠近工作面一定范围内，漏风较大，流动为湍流、过渡流，而其他区域类似于小雷诺数的渗流。同时由于采空区煤岩破断结构和堆积方式的随机性，可类似于多孔介质中的渗流。因此，采空区内气体流动遵循多孔介质中流体流动的连续性方程、动量守恒方程、湍流流动方程和组分输运方程[8-9]。

1.1　连续性方程

瓦斯在采空区冒落带和采动裂隙带中的运移遵循质量守恒定律

dM=dMx+dMy+dMz=

(1)

式中t为时间，s；ux，uy，uz分别为流体经过控制点的流速ui在各轴上的投影，m/s；ρ为混合空气密度，kg/m3；n为单元体内的孔隙度。

另外，考虑强度为W的源的作用，dt时间内流出的流体质量为

dMw=Wndxdydzdt,

(2)

根据质量守恒有式(1)和式(2)相等，可以得到瓦斯运移的连续性方程

(3)

式中，Sg为瓦斯源项，kg/(m3·s).

1.2　动量守恒方程

惯性坐标系中i方向上，多孔介质的动量守恒方程为

(4)

1.3　湍流流动方程

RNGk-ε模型提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析模型Rε，更为适合解决近壁区域的瓦斯流动。

(5)

这里cμ=0.09，η≡Sk/ε，Sk为关于湍流动能k的自定义源项，kg/(m·s3)，η0=4.38,β=0.012.

变形后的湍流动能耗散率ε扩散方程为

(6)

1.4　组分输运方程

采空区内的气体为瓦斯和空气的混合气体，因此，采空区的气体流动还需遵循组分质量守恒方程，即组分输运方程。

(7)

式中Ds为组分s的扩散系数；cs为该组分的质量分数；ρcs为质量浓度；Ss为与质量分数相关的瓦斯源项。

2高抽巷抽采数值模拟模型

2.1　工作面概况

401101工作面是胡家河矿首采工作面，在中央一号回风大巷南侧布置。该工作面煤层倾角平缓，一般为3°左右，构造简单。煤层平均厚度23.5m，采用综采放顶煤分层采煤法，机采3m，放顶9m.工作面走向长度1 643m，切眼长度175m，垂直于两顺槽，沿煤层倾向布置；高抽巷布置在4#煤煤层顶板岩石中，内错回顺30m，距工作面煤层顶板27m.煤层自燃倾向性鉴定为Ⅰ类，属容易自燃煤层，吸氧量为0.81ml/g，自然发火期3～5个月，最短20d.工作面绝对瓦斯涌出量为22.15m3/min.

2.2　假设与简化

1)数值模拟中，仅考虑工作面有无高抽巷及高抽巷不同抽采能力对采空区氧浓度和上隅角瓦斯浓度分布的影响。同时，将邻近层卸压瓦斯、煤柱和采空区遗煤涌出的瓦斯作为源项，通过UDF函数定义进行模拟。

2)为了简化模型，取进风巷、回风巷和高抽巷在采空区外长度均为20m.又因采空区的周期垮落步距在20m左右，取高抽巷深入采空区长度为20m，并认为高抽巷在垮落之前没有发生变形或遭受破坏。

3)模拟是针对三维定常不可压缩流体，因温度差异对气体流动造成的影响不予考虑。

4)模拟主要为了分析有无高抽巷及高抽巷不同抽采能力情况下的采空区自燃危险性，对采空区漏风流场、工作面配风量等内容不做讨论。

2.3　模型的建立

根据401101工作面的现场实际情况，同时优化模型，采用建模软件建立的带有高抽巷的物理模型如图1所示。进风巷设定为速度入口边界，取现场风速1m/s，风量为1 100m3/min，回风巷(outlet1)和高抽巷(outlet2)均为自由出口边界(outflow)，采空区的孔隙率通过UDF函数来定义。

图1　401101工作面物理模型Fig.1　Physical model of 401101 working face

3模拟结果及分析

为了量化高抽巷抽采瓦斯的能力，将高抽巷出口的混合气体流量与工作面进风量的比值用抽采能力表示，即高抽巷出口出边界条件outlet2.

1)在有(此时outlet1=0.75，outlet2=0.25)无高抽巷情况下，采空区氧浓度场的分布如图2所示，反映出2种情况下氧浓度场变化明显。当布置高抽巷时，采空区深部及上部氧浓度显著增大。其原因是高抽巷的抽采直接导致采空区漏风的增加，使得采空区氧浓度相对升高，也就是采空区自燃三带沿采空区向后推移。

图2　采空区氧浓度场Fig.2　Oxygen concentration field in goaf

图3为瓦斯浓度场分布图，反映出不设高抽巷时，采空区内部瓦斯浓度高，回风巷瓦斯浓度在1%以上；设有高抽巷时，采空区内部瓦斯浓度明显降低，回风巷瓦斯浓度在0.49%左右，上隅角在0.88%左右。通过比较，可以发现设有高抽巷时，瓦斯浓度已经在生产要求的范围之内。

图3　采空区瓦斯浓度场Fig.3　Gas concentration field in goaf

为了更加直观地描述氧化升温带范围，可将其表述为：采空区中距离煤层底板0.5 m的平面a内，氧浓度为8%～18%[10-11]之间的距离。氧化升温带宽度为两距离间的平均差值。模拟中，在平面a的中部建立一条垂直于工作面的观测线，则该观测线上不同深度处的氧浓度可近似表示为采空区在对应深度处的平均氧浓度，则氧化升温带在该观测线上的宽度为其在采空区内的平均宽度。模拟结果如图4所示，图中line1，line3分别表示工作面不设高抽巷和设高抽巷抽采(outlet2=0.25)时观测线上的氧气浓度变化曲线。图4数据显示，有无高抽巷时8%氧浓度处的深度分别为48 m和116 m，宽度分别为37 m和60 m，变化较大。

图4　采空区观测线氧气浓度曲线Fig.4　Oxygen concentration distributionat observation lines in goaf

2)考虑不同抽采能力下的瓦斯治理效果，通过数值模拟得出不同抽采能力下瓦斯浓度及抽采流量，见表1.由表1可以，看出随着高抽巷抽采能力的增大，高抽巷抽采口和上隅角瓦斯浓度均逐渐降低。这是由于高抽巷抽采能力越高，采空区漏风量越大，导致瓦斯浓度相对降低，但是抽采瓦斯纯量总体呈增加的趋势。同时，高抽巷的抽采能力为0.2时，上隅角瓦斯浓度大于1%；为0.25，0.3和0.4时，均低于1%且逐渐减小。因此，当从治理上隅角瓦斯和提高抽采瓦斯量2个方面考虑时，抽采能力在0.25～0.4较为合理。

3)图5为高抽巷不同抽采能力(outlet2分别为0.2，0.25，0.3，0.4)下的氧浓度场三维分布图，图6为对应抽采能力下观测线上的氧气浓度变化曲线图(line2～line5对应的抽采能力分别为0.2，0.25，0.3，0.4)，结合2图可以明显地看出：随着高抽巷抽采能力的增大，采空区内氧浓度逐渐升高，采空区氧化升温带呈现向采空区深处移动的规律。

表1　不同抽采能力下瓦斯浓度

图5　高抽巷不同抽采能力下的氧浓度场Fig.5　Oxygen concentration field underdifferent pumping capacity

图6　不同抽采能力下观测线上的氧气浓度变化曲线Fig.6　Oxygen concentration distribution at observationlines under different pumping capacity

对氧化升温带进行量化处理，可以得到不同抽采能力下(取无高抽巷时抽采能力为0)氧化升温带范围，见表2.其数据显示，随着高抽巷抽采能力的增大，8%氧浓度处到工作面支架处的距离由102 m增加到144 m，氧化升温带宽度由53 m增加到73 m.氧化升温带宽度的增加必然由采空区漏风强度的增大引起，而增大高抽巷抽采能力会引起漏风强度增大，最终导致采空区自燃危险性和防灭火工作压力的增大，因此，高抽巷抽采能力应尽可能小。同时考虑到最短发火期20 d，在工作面日推进平均为3.5 m的情况下，氧化升温带的宽度应该小于70 m，结合表2数据可以得出高抽巷抽采能力应低于0.3.结合上面分析的瓦斯治理要求，最终得出高抽巷抽采能力应该在0.25～0.3之间。

表2　不同抽采能力下氧化升温带范围

4现场验证

结合401101工作面现场实际情况，即outlet2=0.25，测定分析采空区氧气浓度分布情况。本次采用采空区两侧埋管定点取样实测法，沿进、回风巷外侧各铺设一200 m长的测试管路，初始埋管4 m，每深入采空区10 m取气一次，因此可近似地将测得的相同埋深处的氧气浓度平均值等同于采空区在该深度处的平均氧气浓度。则生产过程中采空区平均氧分布(line 6)与模拟分布(line 3)对比如图7所示。

图7　现场采空区氧气分布与模拟分布对比图Fig.7　Oxygen concentration in production and simulation

由图7可以看出，生产过程中采空区内氧气分布与模拟分布情况基本相同，但在采空区深度40～140 m处，实际氧浓度值比模拟值略高，这是由于现场存在一定的漏风，导致相同深度处实际值比模拟值偏高，超过140 m深度处，实际值与模拟值趋同。

5结论

1)采用FLUENT对比模拟工作面有无高抽巷抽采时，发现回风巷的瓦斯浓度由无高抽巷时的1%降低到了抽采时的0.49%，上隅角降低到了0.88%左右，瓦斯治理效果显著；氧化升温带宽度由37 m增加到了60 m，增大了采空区的自燃危险性；

2)模拟上隅角瓦斯浓度分布时，发现当高抽巷抽采能力在0.2时，上隅角瓦斯浓度在1.15%左右；outlet2分别等于0.25，0.3，0.4时，瓦斯浓度均在1%以下，且随着抽采能力的增大，瓦斯浓度由0.88%降低到0.43%，从瓦斯治理角度考虑，合理的高抽巷抽采能力是0.25～0.4；

3)模拟采空区氧浓度分布时，反映出随着高抽巷抽采能力的提高，氧化升温带的宽度由0.2时的53 m增加到了0.4时的73 m，自燃危险性增大，此时抽采能力应该低于0.3.综合考虑防止瓦斯超限及采空区煤自燃，保证工作面安全开采，高抽巷瓦斯抽采能力0.25～0.3为宜。

参考文献References

[1]彭成.我国煤矿瓦斯抽采与利用的现状及问题[J].中国煤炭，2007，33(2)：60-62，77.

PENG Cheng.Status and problems of gas drainage and utilization in coal mine in China[J].China Coal，2007，33(2)：60-62，77.

[2]刘毅，张禹.我国煤矿瓦斯防治与抽采利用技术进展[J].煤炭科学技术，2013，41(S2)：185-188.

LIU Yi，ZHANG Yu.Technologies development of coal mine gas control and CBM/CMM utilization[J].Coal Science and Technology，2013，41(S2)：185-188.

[3]王春桥.大佛寺矿走向高抽巷瓦斯抽采参数优化研究[D].西安：西安科技大学，2013.

WANG Chun-qiao.Study on the gas drainage parameters of strike high drainage roadway in Dafosi mine[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2013.

[4]王红刚.采空区漏风流场与瓦斯运移的叠加方法研究[D].西安：西安科技大学，2009.

WANG Hong-gang.Study on superposition method of air leakage and gas delivery in cave-in gobs[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2009.

[5]娄金福.顶板瓦斯高抽巷采动变形机理及优化布置研究[D].北京：中国矿业大学，2008.

LOU Jin-fu.Research on the deformation mechanism and the location optimization of high-level entry for gas extraction[D].Beijing：China University of Mining and Technology，2008.

[6]冯雪.高抽巷层位对采空区自燃危险性影响的数值模拟分析[J].中国安全生产科学技术，2013，9(9)：59-63.

FENG Xue.Numerical simulating analysis of spontaneous combustion risk of goaf in different positions of high drainage tunnel[J].Journal of Safety Science and Technology，2013，9(9)：59-63.

[7]杜娟.高抽巷抽采能力对采空区自燃危险性的影响研究[J].西安科技大学学报，2013，33(5)：527-531.

DU Juan.Research on spontaneous combustion risk in goaf under different capacity of high drainage tunnel[J].Journal of Xi’ an University of Science and Technology，2013，33(5)：527-531.

[8]林海飞，李树刚，索亮，等.走向高抽巷合理层位的FLUENT数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2014，33(2)：172-176.

LIN Hai-fei，LI Shu-gang，SUO Liang，et al.Numerical simulation on reasonable position of strike high roadway with FLUENT[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science，2014，33(2)：172-176.

[9]刘星魁，刘鹏飞，朱红青.高位巷瓦斯抽采下采空区自燃危险性数值分析及应用[J].中国安全科学学报，2012，22(11)：119-125.

LIU Xing-kui，LIU Peng-fei，ZHU Hong-qing.Numerical analysis of spontaneous combustion danger in goaf under high level methane drainage and related application[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，22(11)：119-125.

[10]徐精彩.煤自燃危险区域判定理论[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

XU Jing-cai.The theory for determining coal spontaneous combustion zone[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，2001.

[11]谢军，薛生.综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究[J].煤炭科学技术，2011，39(1)：65-68.

XIE Jun，XUE Sheng.Study on division index and method of three spontaneous combustion zones in goaf of fully mechanized top coal craving mining face[J].Coal Soience and Technology，2011，39(1)：65-68.

我校成功申办2018年第十一届世界矿山通风大会

西安科技大学成功申办2018年第十一届世界矿山通风大会，世界矿山通风大会是当前矿山通风领域涉及范围最广、与会专家学者最多的国际学术盛会之一，是世界各国矿山通风专家学者进行新技术、新观念、新成果交流的重要平台。2014年8月，第十届世界矿山通风大会在南非举行，我校学术代表团参加了大会。会上，校申办组委会向大会提出申请承办2018年第十一届世界矿山通风大会并获批准。 这次成功申办突显了国际矿山通风学术界对我校相关学术水平的肯定，更是学校进一步强化学科专业特色、提升学科建设水平、增进国际交流与合作、开阔学术视野的良好契机。

Safety mining in working face with high drainage roadway

ZHANG Jian-rang1，2，CHEN Wei1，2，ZHANG Quan1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：To study the influence of high drainage roadway to safety mining in working face，the mathematical-physical model of working face and goaf was established according to the roadway layout in 401101 Face.A numerical simulation on the rules of the oxygen concentration field and gas concentration distribution in both with and without high drainage roadway conditions at the working face and under different pumping capacity was carried out by the FLUENT software.The distribution of gas concentration at the upper corner and oxygen concentration in goaf were obtained.The simulation results showed that：the gas override problem could be effectively solved by high drainage roadway.And along with the increase of the drainage capacity factor，the upper corner gas concentration reduced continually；while the width and depth of the oxidization and heat accumulation zone both rose，making the pressure of fire prevention and extinguishing increases.Comprehensive consideration of preventing gas override and coal spontaneous combustion in goaf，and ensuring safety mining in working face，the optimized factor of drainage capacity was designated at 0.25～0.3.

Key words：high drainage roadway；goaf；spontaneous combustion risk；numerical simulation

中图分类号：TD 712

文献标志码：A

通讯作者：张俭让(1963-)，男，陕西岐山人，教授，E-mail：zhaangjr@sohu.com

收稿日期：*2015-03-12责任编辑：高佳

文章编号：1672-9315(2016)01-0013-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0103