不同通风方式下采空区风流及瓦斯分布分析

申 龙

(汾西矿业集团通风处，山西 介休 032000)

1 工作面概况

矿井主采3号煤，绝对瓦斯涌出量为98.94 m3/min，鉴定结果为高瓦斯矿井。该矿3304综采工作面采用U型+L型通风方式，其通风系统图见图1。主进风巷进风量大约1 800 m3/min，辅助进风巷进风量大约1 200 m3/min。实际情况在滞后工作面的横川中添加风筒供风(900 m3/min)，以降低滞后横川(滞后横川)中的瓦斯浓度，33041辅助进风巷和33042回风巷之间的联络横川步距为80 m。

图1 3304工作面通风系统图

3304工作面煤层厚度平均为4.69 m，采用一次采全高开采，顶板管理为全部垮落法，采面倾向长度220 m，煤层倾角较小，可近似看作水平煤层。

2 物理模型的建立、边界条件及模拟参数的设定

2.1 物理模型的建立

为便于数值模拟，将3304工作面采空区的实际模型进行简化[1-2]，将采空区视为长方体，滞后横川与工作面距离设定为40 m。

由经验公式计算得知裂隙带高度范围为45.91 m～64.51 m，工作面煤层厚度为4.69 m，为便于网格划分建立物理模型时取采空区高度为60 m，工作面高度为4.6 m。根据工作面实际情况，在靠近回风侧区域设置木垛。

物理模型的具体尺寸：采空区长、宽、高分别为300 m、220 m、60 m；工作面长、宽、高分别为220 m、5 m、4.6 m；进(回)风巷长、宽、高分别为30 m、5 m、4.6 m；滞后横川长、宽、高分别为30 m、5 m、4.6 m，根据实际情况在靠近回风侧的采空区区域设置木垛，木垛长、宽、高分别为300 m、2 m、4.6 m。

3304工作面设置有综采支架，由于有、无支架两种情况下采空区漏风量、漏风风速分布有很大差别，为得到更加真实的采空区风流及瓦斯分布规律，建立物理模型时需要设置综采支架。在工作面及采空区交界处设置220组支架，每组支架宽0.9 m，支架与支架之间空隙为0.1 m。

2.2 边界条件及模拟参数的设定

根据3304工作面的实际参数及数值模拟的要求，将边界条件及模拟参数设定为[3-5]。

回风巷出口设定为压力出口等，压力值设定为0 Pa，U型+L型通风方式的滞后横川出口设定为压力出口，现场实测滞后横川与工作面距离为40 m时，滞后横川与回风巷之间的压差为40 Pa，回风巷出口压力设定为0 Pa，滞后横川出口压力设定为-40 Pa。

3304工作面正常回采期间绝对瓦斯涌出量取最大值27.6 m3/min，其中，采空区涌出的瓦斯所占比例为59.3%，涌出量为16.4 m3/min，工作面煤壁及落煤涌出的瓦斯比例为40.7%，涌出量为11.2 m3/min，考虑重力对气体流动的影响。

3 U型及U型+L型通风方式下采空区风流及瓦斯分布规律

3.1 采空区风流分布规律

由于工作面两端存在压差且采空区是含有大量遗煤及冒落矸石的多孔介质，因此，工作面的风流在压差作用下能够漏入采空区[6]。通过Fluent数值模拟得到U型及U型+L型通风方式下采空区的风流流线，如图2所示。

图2 采空区风流流线图

由图2a)可知，U型通风方式下工作面风流主要从进风侧区域流入采空区，一部分风流流入采空区后沿工作面与采空区的交界面流向工作面，另一部分风流流向采空区深部，携带采空区深部的瓦斯流向回风侧区域。

由图2b)可知，U型+L型通风方式下工作面风流沿工作面与采空区整个交界面流入采空区，风流进入采空区后携带采空区的瓦斯流向滞后横川。这是由于滞后横川出口处的压力比回风巷出口处压力要小，因此，流入采空区的风流从滞后横川排出，避免了U型通风方式下采空区瓦斯随风流流向工作面的问题。

U型+L型通风方式下，工作面与采空区交界面上工作面漏入采空区的风流沿深入采空区方向的速度分布情况，如图3所示。

图3 U型+L型通风方式下沿交界面漏风速度分布图

由图3可见，U型+L型通风方式下工作面漏风主要集中在下隅角及上隅角处。正值代表风流由工作面流入采空区，负值代表风流由采空区流向工作面。由于在靠近回风侧区域有木垛支护，阻力较小，因此漏入采空区风流速度较大。

经计算，滞后横川回风量为603 m3/min，抽采瓦斯量为17.01 m3/min，加风筒稀释(900 m3/min)后，滞后横川的瓦斯浓度为1.13%，符合《煤矿安全规程》中滞后横川瓦斯浓度不能超过2.5%的规定。

3.2 采空区瓦斯分布规律

1) 利用Fluent模拟得到的采空区瓦斯浓度沿采空区走向方向的分布情况，如图4所示。

图4 采空区瓦斯浓度分布图

由图4a)、图4b)可知，沿采空区走向方向，越往采空区深部瓦斯总体上是呈现增大趋势；U型通风方式下在X=20 m附近采空区的瓦斯浓度达到10%，X=50 m附近瓦斯浓度达到30%；U形+L型通风方式下，深入采空区X=132 m附近瓦斯浓度达到5%，深入采空区X=178 m附近瓦斯浓度达到25%。U型通风方式下靠近工作面区域的采空区瓦斯浓度比较高，严重影响工作面的安全生产，U型+L型通风方式下，由于漏入采空区的风流携带采空区的瓦斯从滞后横川排出，大大降低了采空区的瓦斯浓度。

2) 利用Fluent模拟得到的采空区瓦斯浓度沿采空区顶板方向的分布情况，如图5及图6所示。

图5 U型通风方式下采空区瓦斯浓度分布图

图6 U型+L型通风方式下采空区瓦斯浓度分布图

由图5及图6可知，采空区瓦斯在竖直方向上有明显分层现象，底板附近瓦斯浓度比较小，从采空区底部到顶部逐渐增大，顶板附近的瓦斯浓度达到90%以上。

观察图5a)、图5b)、图5c)，U型通风方式下在Y=2 m、Y=50 m、Y=100 m 3个截面上，采空区底板附近瓦斯浓度分别为30%、50%及70%，3个截面上Z=25 m附件处采空区瓦斯浓度已达到90%；观察图6a)、图6b)、图6c)，U型+L型通风方式下在Y=2 m，Y=50 m，Y=100 m 3个截面上，采空区底板附近瓦斯浓度分别为1%、5%及10%，3个截面上在采空区顶板附近处瓦斯浓度达到90%。与U型通风方式相比较，U型+L型通风方式下采空区底板附近瓦斯浓度要低很多。

从进风侧区域进入采空区的风流携带采空区瓦斯流向回风侧区域，使得沿工作面倾向方向，从进风侧到回风侧采空区瓦斯浓度逐渐增大。

3) 工作面上隅角瓦斯浓度分布情况

工作面上隅角附近流体速度很慢，在其附近区域形成一个气压相对较低的中心，在工作面上隅角附近出现涡流，使得上隅角风流难以进入主风流，瓦斯积聚在涡流区域(工作面上隅角)，出现上隅角瓦斯超限问题，因此，研究分析上隅角瓦斯浓度分布有非常重要的意义。

本文通过Fluent数值模拟得到U型及U型+L型通风方式下工作面上隅角瓦斯浓度分布图，如图7所示。

由图7a)可知，U型通风方式下工作面上隅角瓦斯浓度为20%，《煤矿安全规程》规定上隅角瓦斯浓度不得超过1%，U型通风方式下工作面上隅角瓦斯浓度严重超过了规程的规定值。

在U型通风系统中，流入工作面的风流在压差作用下，一部分直接从工作面流向回风巷，另一部分从工作面中、下部进入采空区，携带采空区的瓦斯回到工作面上部及上隅角，使得瓦斯积聚在工作面上隅角，出现上隅角瓦斯严重超限问题。

图7 U型及U型+L型通风方式下工作面上隅角瓦斯浓度分布图

为保证3304工作面安全生产，采用U型+L型通风方式解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。由图7b)可知，U型+L型通风方式下工作面上隅角瓦斯浓度为0.34%，远低于规程的规定值，保证了3304工作面安全生产。

4 结论

本文考虑能反映3304工作面煤岩冒落实际情况的渗透率分布，根据该工作面实际情况，利用Fluent软件模拟了U型及U型+L型通风方式下采空区风流及瓦斯分布规律。通过分析得到以下结论。

1) U型通风方式下工作面漏入采空区的风流携带采空区瓦斯流向工作面，U型+L型通风方式下漏入采空区的风流携带其内部的瓦斯通过滞后横川排出，通过计算得到U型+L型通风下，滞后横川回风量为603 m3/min，抽采瓦斯量为17 m3/min，加上风筒稀释后，滞后横川的瓦斯浓度为1.13%，符合规程的规定值。

2) U型及U型+L型通风方式下，沿采空区走向方向，越往采空区深部瓦斯浓度总体上呈现增大趋势。U型通风方式下，在X=20 m附近瓦斯浓度达到10%，采空区高瓦斯浓度靠近工作面，而U型+L型通风方式下，深入采空区X=132 m附近瓦斯浓度仅达5%，大大降低了采空区同一位置处的瓦斯浓度。

3) 采空区瓦斯浓度沿采空区顶板方向逐渐增大；U型通风采空区底板附近的瓦斯浓度远远大于U型+L型通风底板附近的瓦斯浓度；U型通风方式下在Z=25 m附近处采空区瓦斯浓度就到达90%，而U型+L型通风在顶板附近处瓦斯浓度才达到90%。

4) 3304工作面采用U型+L型通风方式的工作面上隅角瓦斯浓度为0.34%，解决了U型通风工作面上隅角瓦斯超限问题。