赵庄矿高抽巷抽采负压优化模拟研究

赵璐璐，杨宏伟，高 宏，钱志良，韩 兵，马金魁

(1.晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046605； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016； 3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

对采空区瓦斯抽采从安全与环保角度都具有重要意义。高抽巷对治理采空区瓦斯涌出使工作面瓦斯超限具有明显效果同时具有避免抽采管路维护，系统简单可靠等优点。国内外学者对采空区瓦斯治理及高抽巷技术应用进行了大量研究[1-5]。娄金福基于采空区“O”型圈理论对不同层位上高抽巷的平距对其与工作面的距离的影响做了探讨[6]。李晓泉[7]运用数学方法推出高抽巷瓦斯抽采纯量与风排瓦斯量间的数值模型，并在工业试验的数据基础之上证明了该模型的合理性。李迎超、张英华等[8]学者利用CFD数值模拟软件详尽阐明了高抽巷的平距和垂距对瓦斯抽采效果的影响。王成[9]使用数值方法高抽巷抽采混合流量、负压对抽采效果的影响，并确定了效果最佳的抽采混合流量和负压。国内对于高抽巷的研究主要集中在对其布置层位以及布置方式的研究，其他诸如抽采负压、流量及支护方面的研究还较少。

本文以赵庄煤矿1309工作面为研究背景，基于覆岩破坏规律及采空区煤岩“O”型冒落分布的特点，采用现场实测与数值模拟相结合的手段，研究采空区瓦斯运移规律及特征，针对高瓦斯厚煤层中普遍存在的采空区瓦斯大量涌入工作面，并造成工作面及上隅角瓦斯浓度超限的这一难题，总结出高抽巷的抽采负压对高抽巷抽采效果的影响，为高抽巷治理采空区及上隅角瓦斯提供优化方案。

1 数值模型的建立

1.1 高抽巷布置位置理论计算

高抽巷布置层位不仅影响抽采效果，还会对工作面风量产生负面影响。这种情况一般发生在高抽巷布置在冒落带时发生，布置在该层位时，高抽巷虽对上隅角瓦斯涌出的治理起到良好的效果，同时由于与工作面形成风流短路，也会增加采空区漏风、采空区遗煤自燃的危险性。反之，若高抽巷布置层位过高，布置在裂隙带之上时，对瓦斯的抽采浓度虽高，却不能分流上隅角瓦斯，兼顾不到上隅角瓦斯治理问题。综合考虑各方面因素，高抽巷布置层位必须在合理范围内，否则不仅制约瓦斯抽采效果，还会增加其他危险。顶板走向高抽巷布置如图1所示，通常用式(1)初步计算高抽巷布置层位，即距煤层底板的垂距：

h高=h1cosβ+Δh

(1)

式中，h高为高抽巷与煤层顶板垂距，m；h1为冒落带高度，m；β为煤层倾角，取β=18°；Δh为防止高抽巷破坏保险高度，这里取Δh=10m。

高抽巷与回风巷的水平距离称为平距，可由式(2)计算：

式中，α为回风巷附近断裂角，取α=74°；Δs为高抽巷伸入裂隙带水平投影长度，Δs一般为10～25m，这里取Δs=10m。

根据式(1)、(2)计算得高抽巷布置垂高应为25m，高抽巷与回风巷的平距应为20m。

图1 顶板走向高抽巷布置示意图

1.2 基本假设

在采空区数值模拟中，一般近似认为采空区由煤体与岩石组成的多孔介质构成，为了简化分析，对计算模型作出如下假设：模拟中忽略采空区遗煤自燃、工作面各种设备等对流场的影响；不考虑瓦斯在弯曲下沉带内的渗流和采空区顶底板漏风；采空区多孔介质看作是各向同性的介质；将采空区内的气体的流动近似视为服从Darcy定律[10]，各组分之间无化学反应。

1.3 模型参数及网格划分

本文对赵庄煤矿1309工作面高抽巷瓦斯抽采技术进行数值模拟。工作面采用“U”型通风方式，平均风量2475m3/min，平均绝对瓦斯涌出量59.19m3/min。按照现场条件以及数值模拟的要求，对采空区的几何模型作出简化处理。采空区高度设为47m，走向长300m，倾向长190m。对运顺、回顺、高抽巷及工作面部分进行局部网格加密，模型共划分382630个网格单元，简化后的几何模型及其尺寸如图2所示。

图2 几何模型及网格划分

1.4 模型参数及边界条件

FLUENT数值模拟中，主要遵循三大基本守恒定律，即能量、动量、质量的守恒，基于这三大定律的控制方程[11]建立数学模型。

尽管采空区内部的空隙是非连续的，但在不违背气体渗流规律的前提下，可近似认为冒落带和裂隙带的煤、岩具有多孔介质的性质，采空区可建立为多孔介质模型。采空区多孔介质内煤岩的冒落压实大致按照“O”型圈分布，根据采空区非均质模型[12]，确定采空区冒落煤、岩在x和y两个方向的碎胀系数分布函数：

Kp(x，y)=Kp，min+(Kp，max-Kp，min)e-a1d1(1-e-ξa0d0)

(3)

式中，ξ为控制模型分布形态的调整数，取0.233；Kp，max为初始冒落碎胀系数，根据现场实测，取1.5；Kp，min为冒落岩石压实时的碎胀系数，取1.2；a0、a1分别为距离固壁和工作面的衰减率，分别取0.27m-1、0.037m-1；d0、d1分别为点(x，y)与固壁和工作面l边界的距离，m。

采空区孔隙度n为：

n=1-1/Kp

(4)

式中，Kp为采空区冒落煤岩碎胀系数分布函数，跟采空区内的位置有关，无因次。将采空区视为多孔介质后，采空区多孔介质孔隙率近似为n[13]。

模拟选用压力基隐式稳态求解器，采用标准k-epsilon湍流模型。流体区域材料选用甲烷—空气混合气体，多孔介质固体设置为1309工作面煤样的具体参数。运顺处的入口边界条件设置为速度入口，根据现场实测，风速设为2.5m/s；气体组分为：O2体积分数占21%，N2体积分数占79%；回风顺槽和高抽巷出口边界条件均设置为压力出口。工作面和高抽巷与采空区的交界面均设置为内部界面。除运输巷、回风巷、高抽巷的进出口及交界面的边界条件外所有边界条件都设定为标准状态壁面。

将采空区、工作面、巷道视为多孔介质，并采用UDF程序分别定义采空区多孔介质的粘性阻力损失系数、惯性阻力损失系数、孔隙率和瓦斯质量源相等，数值运算时将其加载到主程序中，使数值模拟更加贴近现场。采空区内部各处的瓦斯涌出分布情况很难进行准确的判断和测定，模拟中将采空区内瓦斯的涌出近似视为各处均匀涌出，计算方法如下：

式中，Qs为模型瓦斯涌出源项，kg/(m3·s)；Qg为瓦斯涌出量，取51.99m3/min；ρg为瓦斯密度，取0.7167kg/m3；Vg为瓦斯质量源项所占体积，m3。由上式可得采空区瓦斯涌出强度为2.32×10-7kg/(m3·s)，设置该值为采空区多孔介质瓦斯涌出源项。

为确定高抽巷的合理抽采负压，方案设置高抽巷平距为20m，垂距为25m，进风巷风速为2.5m/s，工作面供风量为2475m3/min，而抽采负压分别为15kPa、20kPa、30kPa，3组数值模拟实验，以考察高抽巷不同抽采负压对瓦斯抽采效果的影响。

2 模拟结果分析

2.1 无抽采条件下采空区瓦斯运移规律

1309工作面不采用瓦斯抽采措施下的采空区瓦斯体积分数分布如图3所示。图3中左上图显示了整个采空区内的瓦斯体积分数分布规律；右上图选取了z=2m的横截面，并在x=50m、150m、250m处选取采空区内部倾向方向纵截面；左下图为z=2m的横截面；右下图取y=187m的走向方向纵截面。从图3中可以看出，整个采空区瓦斯浓度沿走向方向(y轴正方向)逐渐升高，在上隅角附近达到最高，在不采用瓦斯抽采技术的前提下，1309工作面上隅角瓦斯浓度最高可达18%，严重影响工作面的安全回采。

图3 无抽采条件下采空区瓦斯浓度分布

选取采空区内部x=10m、z=1.5m沿倾向方向的直线为特征线，考察采空区内瓦斯体积分数沿倾向的变化规律如图3所示。可以看出，采空区内回风侧瓦斯浓度较高(190m处)，将近20%，这部分瓦斯会在工作面回采过程中会随着顶板周期来压不断涌向上隅角，对工作面回采造成潜在的威胁。而工作面进风侧则只有3%。工作面方向上前100m范围内瓦斯浓度升高幅度不大，而100～160m范围内瓦斯浓度迅速上升，160～190m范围内的瓦斯浓度上升趋势又归于平缓，这是由于采空区中部气体流动速率较低，瓦斯集中释放而不随风流移动，“滞留”在采空区中部，而采空区两端风流流动快，能及时带走遗煤释放出来的瓦斯，因此瓦斯浓度上升缓慢。

工作面由于两端风流存在压差，致使工作面向采空区存在一定程度的漏风，采空区进风侧的漏风速率最高为0.12m/s，集中于0～13m范围内，越靠近采空区中部，风速急剧降低；风流在采空区回风侧流入工作面，风流速度较进风侧明显降低，集中于180～190m范围内，最大风速为0.04m/s。采空区气体在进回风侧风流的带动下产生运移，而正是由于采空区漏风的作用，致使部分高浓度瓦斯会被带入工作面。

2.2 抽采负压对抽采效果的影响

高抽巷在平距20m、垂距25m，进风巷风速为2.5m/s，工作面供风量为2475m3/min时，瓦斯抽采负压分别为10kPa、20kPa、30kPa的数值模拟的结果如图4—6所示。从图中可以看出，采空区内上隅角附近受高抽巷抽采的影响，瓦斯浓度较低，抽采负压的增大会导致上隅角附近瓦斯浓度的降低，而对采空区其他区域影响较小，而影响范围会随着抽采负压的增加而扩大。说明采空区内距离高抽巷越近的区域，瓦斯浓度变化越快，变化梯度越大，高抽巷瓦斯抽采技术对上隅角瓦斯的治理作用显著。

图4 抽采负压10kPa

图5 抽采负压20kPa

图6 抽采负压30kPa

不同抽采负压下在采空区回风侧y=187m、z=1.5m的走向观测线上的瓦斯体积分数变化趋势如图7所示。通过比较分析得出：随着高抽巷抽采负压的增大，采空区各处瓦斯浓度均逐渐降低，上隅角附近的低瓦斯浓度区域由不存在逐渐扩大到47m，而采空区深部的高瓦斯浓度区域则由175m缩小到70m，抽采负压为30kPa时，采空区内各处的瓦斯浓度达到最低，低瓦斯浓度区域最大(47m)，高瓦斯浓度区域最小(70m)。随着抽采负压的升高，工作面上隅角和回风巷的瓦斯体积分数在不断降低，小于20kPa时降低速度较快，大于20kPa时降低速度缓慢且趋于平稳，如图8所示。抽采负压从10kPa增加到20kPa的过程中，上隅角瓦斯浓度由0.35%减小到0.25%，仅降低了0.1%；回风巷瓦斯体积分数从0.24%减小到0.19%，也只降低了0.05%。这说明抽采负压的增大虽然会对上隅角和回风巷的瓦斯浓度有降低作用，但幅度较小，其控制因素主要在于工作面的供风量。以上两个图中的曲线从一方面显示了抽采负压的增大会增强瓦斯抽采的效果，体现了增加抽采负压的优越性。

图7 采空区回风侧瓦斯体积分数

图8 上隅角及回风巷瓦斯体积分数

随着高抽巷抽采负压的增加，瓦斯抽采纯量在逐渐升高，但由于抽采混合流量的大幅提高，瓦斯抽采浓度却在逐渐降低，瓦斯抽采纯量的这一变化趋势，从另一个角度体现了提高抽采负压对于增强采空区瓦斯抽采效果的优越性，如图9所示。抽采负压为10kPa时，瓦斯抽采浓度最高(20%)，瓦斯抽采纯量最低(37.5m3/min)；抽采负压为30kPa时，瓦斯抽采浓度最低(11.5%)，瓦斯抽采纯量最高(44.22m3/min)；抽采负压为20kPa时高抽巷瓦斯抽采浓度为18.7%，此时是曲线的转折点：抽采浓度在抽采负压低于20kPa时降低趋势平缓，高于20kPa时则迅速降低，相反，抽采纯量在抽采负压低于20kPa时上升较快，高于20kPa时上升趋势平缓。可见，高抽巷抽采负压为20kPa时，无论是瓦斯抽采浓度还是纯量都处于较高的值。

图9 高抽巷瓦斯抽采浓度及纯量

综上所述，考虑到预防采空区自然发火的危险，高抽巷抽采负压不能太大。权衡抽采效果与安全考虑同时考虑经济性，结合数值模拟结果可以确定，1309工作面高抽巷合理的抽采负压为20kPa，此时不仅高抽巷的瓦斯抽采浓度和纯量较高，工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度较低，而且引起的采空区漏风也相对较小，可以更好地治理采空区瓦斯。

3 现场验证

1309工作面高抽巷抽采负压调整为20kPa 后，通过光学瓦斯检测仪检测高抽巷抽采浓度，上隅角瓦斯浓度及回风巷瓦斯浓度在3个月时间里的浓度值，并计算平均值，分别与模拟值进行对比。

由数值模拟结果的分析可知，1309工作面高抽巷在各最佳抽采参数的瓦斯抽采纯量为43.61m3/min，抽采浓度为18.95%，上隅角瓦斯浓度为0.25%，回风巷瓦斯浓度为0.2%。1309工作面现场实测数据表明：高抽巷瓦斯抽采纯量平均为43.93m3/min，抽采浓度平均为11.2%，通过高抽巷一段时间的抽采后，上隅角瓦斯浓度平均为0.4%，回风巷瓦斯浓度平均为0.38%，与数值模拟数据的差距较小，验证了数值模拟的可靠性，因此，通过数值模拟对1309工作面高抽巷各参数进行优化是可行的。

4 结 论

1)经现场实测及分析计算得1309工作面高抽巷布置垂高应为25m，高抽巷与回风巷的平距应为20m。

2)不同抽采负压下模拟结果显示，1309工作面高抽巷的在抽采负压为20kPa时上隅角瓦斯浓度减小到0.25%，回风巷瓦斯体积分数减小到0.19%，高抽巷瓦斯抽采浓度为18.7%。在保证抽采效果的同时可避免漏风增加采空区自燃风险。

3)通过现场实测20kPa下高抽巷瓦斯抽采纯量平均为43.93m3/min，验证模拟结果准确可靠。