基于FLUENT的“U+高抽巷”瓦斯运移规律数值模拟与布置的研究

刘成泽

(山西晋能集团,山西 盂县 045100)

高抽巷在我国的很多高瓦斯矿井中得到了应用[1],具有抽放瓦斯成效显著、抽采影响范围大、使用时间长、便于维护和管理等优点[2],能够有效的治理工作面上隅角和采空区内的瓦斯浓度超限等问题。

目前国内一些煤矿的工作面中使用“双U型”通风方法,其中的专用排瓦斯巷可能存在巨大的安全隐患。这是因为矿井专用瓦斯排放巷无法控制巷道中的瓦斯浓度,可能会导致专用瓦斯排放巷中一直充斥着高浓度的瓦斯,一旦其内的瓦斯浓度超过规程规定的上限时,就会存在巨大的安全隐患[3]。而“单U+高抽巷”通风方式作为一种解决瓦斯超限和专用排瓦斯巷的问题,可以为这项问题的解决提供一个新的思路和方法。同时在工作面布置高抽巷,可以在高抽巷的层位布置、合理参数设定上提出方法,为提升高抽巷抽采瓦斯的效果提供科学的指导,为高抽巷的科学研究和探索奠定基础。

1 工作面概况

某矿S1206工作面采用两进两回的“双U型”通风方式,综放工作面可采长度约1 386.7 m,走向长度2 144.6 m,工作面长约300 m,可采储量316.8万t,主采煤层为3号煤层,煤层平均厚度为6.4 m。工作面共布置4条巷道,分别为:进风顺槽走向长1 253.6 m,胶带顺槽走向长1 245.9 m,回风顺槽走向长1 174.9 m,瓦排巷走向长1 201.8 m。工作面标高+419.8 m～+550.7 m,工作面埋藏深度为359.8 m～+499.6 m。其中胶带顺槽为主要进风巷道,进风辅助巷为辅助进风巷道,回风顺槽和瓦斯排放巷回风。在回风顺槽与瓦斯排放巷之间每隔50 m设置一个横贯,当工作面推进到下一个横贯时,将这个横贯打通,并封闭上一个横贯。

2 高抽巷布置层位选取

矿井进行综放开采时,上覆岩层会因应力的作用而失去原有的平衡,形成新的应力平衡状态[4],在垂直方向上采空区覆岩自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带,沿水平方向形成煤壁支撑影响区、岩层离层区和重新压实区[5],采空区上覆岩层区带划分图,见图1。

图1 采空区上覆岩层区带划分图Fig.1 Division of overlying strata in goaf

采空区上部直接顶垮落形成冒落带[6],由于垮落比较完全,垮落岩体自然堆积起来,内部形成大量孔隙通道,气体通透性较好,容易形成采空区漏风,结构不稳定。

当伪顶和直接顶相继垮落后,基本顶板岩层在连续性力的作用下开始垮落,老顶受岩层拉应力和自身重力的作用下,开始发生变形和弯曲所产生的的裂隙会与采空区贯通形成断裂带。在断裂带内裂隙之间间隔较大,空气连通性也很高,导气性良好,利于瓦斯等气体的运移,结构相对稳定。因此,此带是布置顶板高抽巷的最佳场所[7]。

弯曲带由于层与层之间整体性和结构保持稳定,所以连通性和透气性都比较差。岩层只会发生微小的形变,岩层的层理性保持的相对较好,不容易产生裂隙,所以其对瓦斯等气体的运移影响很小。

根据覆岩裂隙变化规律及矿井实际情况,利用经验公式计算三带高度[8]及高抽巷布置的最佳水平位置[9]。根据计算结果可知,高抽巷布置的垂直范围是28 m ～68 m,最佳水平范围是17 m ～52 m。所以在利用Fluent模拟确定布置高抽巷的最佳位置时,选取垂直位置为38 m、48 m和58 m,水平位置分别为27 m、36 m和45 m。高抽巷布置层位方案如表1所示。

表1 高抽巷布置层位方案表Table 1 Layout plan of high-level drainage roadway

3 数值模型的建立

1)质量守恒方程

采空区内瓦斯流动适用于质量守恒定律。其方程为:

(1)

引用散度符号:

div(a)=∂ax/∂x+∂ay/∂y+∂az/∂z上式可以表示为:

(2)

式(1)、式(2)中:t为时间;U为速度矢量;ρ为流体的密度;u、ν和w为流体流速在x、y和z方向上的分量。

2)动量守恒方程

经过对相关试验的结果分析,可以得出动量方程中压力和速度之间存在耦合关系。简化动量方程,可以得到适用性很强的简化模型:指数模型和二项式模型。其表达式为:

(3)

(4)

式中:Jx为方向的压力梯度;Kx为方向的渗透系数,其中ax是在x方向上的粘性阻力系数,bx是在x方向上的惯性阻力系数。

3)能量守恒方程

在对于流体能量守恒的研究中,一般不考虑流体动能和势能的变化,只研究流体内能的能量守恒。因此,研究内能时,由于内能i与温度T有关,即i=cpT,其中cp为物体的比热容。所以,以温度为变量,建立能量方程:

(5)

式中:k为流体的传热系数;ST为粘性耗散项。

4 模型主要参数及边界条件的设定

4.1 孔隙率

矿井采空区各区带的孔隙率一般用各岩层碎胀系数来求得,如下公式:

(6)

式中:n为孔隙率;Kp为碎胀系数。

4.2 粘性阻力系数

粘性阻力系数为渗透系数的倒数,即:

(7)

式中:R为粘性阻力系数;K为渗透系数。

4.3 瓦斯源项

根据矿井瓦斯实测涌出数据,冒落带瓦斯源项为5.63e-8kg/(m3·s);裂隙带瓦斯源项为1.12e-8kg/(m3·s);煤壁与落煤瓦斯源项为1.5e-5kg/(m3·s)。

自然堆积区瓦斯源项为3.69e-9kg/(m3·s); 载荷影响区瓦斯源项为1.57e-8kg/(m3·s); 压实稳定区瓦斯源项为3.71e-8kg/(m3·s)。

4.4 其他边界条件

设置进风巷道进口为速度入口,风量为3 300 m3/min,湍动能为0.033 5,湍流耗散率为0.002 9;设置回风巷出口为自由出口,压差为-130 Pa,高抽巷出口为压力出口,抽采负压为-1 300 Pa;进风巷内空气由氮气和氧气组成。

5 数值模拟分析

根据表1的几组方案对各层位下高抽巷抽采瓦斯效果进行数值模拟分析,利用Fluent软件进行模拟。首先得出方案一、二、三的数值模拟结果，见图2-图4。

通过对各图的对比分析,可以得出各水平位置下各观测点的瓦斯浓度变化曲线图,见图5-图6。

图2 垂高为48 m,平距27 m时采空区瓦斯浓度分布及工作面上隅角瓦斯浓度分布图Fig.2 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48m and horizontal distance of 27m)

图3 垂高为48m,平距36m时采空区瓦斯浓度分布及工作面上隅角瓦斯浓度分布图Fig.3 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48m and horizontal distance of 36m)

图4 垂高为48 m,平距45 m时采空区瓦斯浓度分布及工作面上隅角瓦斯浓度分布图Fig.4 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48 m and horizontal distance of 45 m)

图5 不同平距下高抽巷抽采瓦斯浓度变化趋势曲线图Fig.5 Variation of gas concentration of high-level drainage roadway at different horizontal distances

图6 不同平距下上隅角瓦斯浓度变化趋势曲线图Fig.6 Variation of gas concentration of the upper corner at different horizontal distances

从瓦斯浓度变化曲线图表中可以看出,当高抽巷垂直距离一定,水平距离分别为27 m、36 m、45 m时,高抽巷口瓦斯浓度呈先上升后下降的趋势,抽采瓦斯浓度在36 m处最大。这表明距离回风巷水平距离为27 m时,由于距离回风巷过近,受高抽巷抽采负压的影响,回风巷的部分风流会流向高抽巷,从而降低了高抽巷抽采瓦斯效率,同时,高抽巷距离回风巷过近会导致其抽采高浓度的瓦斯范围有限;当水平距离为36 m时,高抽巷抽采瓦斯浓度增大,这表明在此水平位置处,高抽巷能抽采到大范围内的高浓度瓦斯;当水平距离为45 m时,高抽巷抽采瓦斯浓度逐渐减少,表明当水平距离逐渐增大时,高抽巷所能抽采的高浓度瓦斯范围在减小。而当水平距离从27 m到45 m变化时,工作面上隅角瓦斯浓度在逐渐增大,这说明高抽巷距离回风巷水平距离越远,其对工作面上隅角的抽采影响越小。并且不同的水平距离下,工作面上隅角瓦斯浓度相差不是很大,这说明不同的水平距离的变化对于工作面上隅角的瓦斯浓度影响较小。

从瓦斯浓度变化曲线图表中可以看出,当高抽巷垂直距离一定,水平距离分别为27 m、36 m和45 m时,高抽巷口瓦斯浓度呈先上升后下降的趋势,抽采瓦斯浓度在36 m处最大。这表明距离回风巷水平距离为27 m时,由于距离回风巷过近,受高抽巷抽采负压的影响,回风巷的部分风流会流向高抽巷,从而降低了高抽巷抽采瓦斯效率,同时,高抽巷距离回风巷过近会导致其抽采高浓度的瓦斯范围有限;当水平距离为36 m时,高抽巷抽采瓦斯浓度增大,这表明在此水平位置处,高抽巷能抽采到大范围内的高浓度瓦斯;当水平距离为45 m时,高抽巷抽采瓦斯浓度逐渐减少,表明当水平距离逐渐增大时,高抽巷所能抽采的高浓度瓦斯范围在减小。而当水平距离从27 m到45 m变化时,工作面上隅角瓦斯浓度在逐渐增大,这说明高抽巷距离回风巷水平距离越远,其对工作面上隅角的抽采影响越小。并且不同的水平距离下,工作面上隅角瓦斯浓度相差不是很大,这说明不同的水平距离的变化对于工作面上隅角的瓦斯浓度影响较小。

通过表中分析可知,高抽巷距回风巷水平距离为36 m时,其所能抽采的瓦斯浓度最大,工作面上隅角瓦斯浓度为0.67%,符合《煤矿安全规程》规定的不高于1%的要求。因此,选取36 m为距离回风巷的水平距离是合理的。

对方案四、五进行数值模拟,结果见图7- 8所示。

图7 平距36 m,垂高38 m时采空区瓦斯浓度分布及工作面上隅角瓦斯浓度分布图Fig.7 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the horizontal distance of 36m and vertical height of 38 m)

图8 平距36 m,垂高58 m时采空区瓦斯浓度分布及工作面上隅角瓦斯浓度分布图Fig.8 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the horizontal distance of 36m and vertical height of 58 m)

通过对各图的对比分析,可以得出不同水平位置下各观测点的瓦斯浓度变化曲线图,见图9、图10。

图9 不同垂距下采空区瓦斯浓度变化趋势曲线图Fig.9 Variation of gas concentration of goaf at different vertical distances

图10 不同垂距下上隅角瓦斯浓度变化趋势曲线图Fig.10 Variation of gas concentration of upper corner at different vertical distances

从不同垂直位置时各观测点的瓦斯浓度数据归纳而来的表中可以看出,随着垂直位置的增加,高抽巷抽采瓦斯浓度呈先增大后减少趋势,这是因为在垂高38 m处于采动裂隙带的下部,能抽采裂隙带高位置处内的瓦斯较少,因为与工作面的距离较近,能抽采的工作面瓦斯相对较多,但是此位置距离回风巷比较近,容易导致回风巷漏风从而降高抽巷抽采瓦斯的浓度和纯量;而在垂高48 m处,高抽巷抽采居于裂隙带的中部位置,能够有效地抽采裂隙带内的瓦斯,故此位置高抽巷抽采瓦斯纯量最大,故瓦斯抽采纯量较其他层位相对较大,而此位置对于回风巷的漏风影响就相对较小。在垂高为58 m时,此位置距离工作面比较远,处于裂隙带的上部,虽然由于瓦斯的密度较小,会产生上浮效应,能够有效抽采采空区上浮瓦斯,但是距离工作面较远,同时,这两个层位距离采空区底板高度很高,随着高度的增加,瓦斯向上流动的阻力会加大,导致高抽巷抽采采空区瓦斯的难度加大,所以能够抽采的瓦斯浓度相比上一个层位时,会越来越小,抽采瓦斯纯量也越来越小,采空区内部的瓦斯浓度会很大,从而可能导致采空区自然发火的可能性变大。而布置于垂高58m高抽巷,工作面上隅角瓦斯浓度较大,但是依然处于1%的范围之内。

综上所述,当高抽巷距底板垂直高度为48m时,高抽巷抽采瓦斯浓度最高,抽采瓦斯纯量最高,同时在高抽巷的作用下工作面上隅角瓦斯浓度为0.68%,符合《煤矿安全规程》中规定的上隅角瓦斯浓度低于1%的要求。所以结合这些方面的情况,将距离采空区垂直高度为48 m时的高抽巷的层位是合理的。

6 结论

1)通过对比高抽巷在不同层位下抽采瓦斯浓度及工作面上隅角瓦斯浓度的效果可知,选取高抽巷在水平距离为36 m,垂直高度48 m时效果是最佳的。

2)根据相关法规的规定,对矿井现有通风系统巷道的布置措施进行更改,采用“U+高抽巷”替代“双U型”通风方式,通过数值模拟可以验证这项方案的合理性,证明了高抽巷可以有效解决工作面及采空瓦斯超限问题,从而验证“U+高抽巷”替代“双U型”通风方式的合理性。