采空区瓦斯运移规律实验及数值模拟

罗振敏 郝苗 苏彬 倪行

摘 要：为研究采空区瓦斯运移规律，以贵州某矿P41104工作面为研究对象，搭建了三维采空区气体运移综合实验台，应用Fluent数值模拟软件，从通风风速、遗煤氧化升温和高温封闭这3个方面对U型通风方式下的采空区瓦斯分布情况进行研究。结果表明：当采空区通风风速从1.25 m/s增大到1.50 m/s时，进风巷的瓦斯浓度下降4%左右，回风巷的瓦斯浓度上升2%左右，增大通風风速在一定程度上可以降低采空区瓦斯浓度，但对采空区深部空隙率较小的地方基本上没有起到作用;当采空区局部遗煤氧化升温后，随着温度的升高，瓦斯浓度梯度也在上升，在采空区内走向上和倾向上瓦斯浓度分布没有太明显的变化;当对采空区封闭时间延长时，采空区倾向上瓦斯分布梯度逐渐消失，瓦斯受到浓度差的作用，在垂直方向上升较快，当封闭时间长达3 h后，在各个方向上的浓度梯度逐渐消失，整个采空区瓦斯浓度最终趋于平衡状态;相似实验和数值模拟的结果基本上吻合。以上结论为解决综采工作面瓦斯超限和防止采空区遗煤氧化升温的治理提供重要指导意义。关键词：安全科学与工程;采空区;瓦斯运移规律;通风风速;氧化升温;封闭; 中图分类号：TD 712

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0031-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0105开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Experiments and numerical simulation research

on gas migration ingoaf

LUO Zhen-min 1，2，3，4，HAO Miao 1，2，3，4，SU Bin 1，2，3，4 ，NI Xing 1，2，3，4

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.The Western Coal Mine Safety Engineering Research Center of the Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

4.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue，Xian 710054，China）

Abstract：In order to obtain the gas migration laws in the goaf，taking No.P41104 working face of Guizhou Mining Area as the research object，the gas concentration distribution rules parameters in the goaf with U-shape ventilation system were studied from three aspects：wind speed，coal oxidation heating and sealing conditions by setting up the three dimensional gas migration comprehensive experimental platform and using the Fluent numerical simulation software.The results show that with the increase of the wind speed from 1.25 m/s to 1.5 m/s，the gas concentration in the intake airway decreases by about 4%，and return air gas concentration increases by about 2%.Increasing the wind speed can reduce the gas concentration in the goaf to a certain extent，but it has no effect on the area with small air void ratio in the deep part of the goaf.When the coal in the goaf is oxidized，the gas concentration gradient also rises with the increase of temperature，and there is no obvious change along the strike and the tendency in the goaf; with the increase of the sealing time of the goaf，the gas distribution gradient tends to disappear gradually，the gas is affected by the concentration difference and rises rapidly in the vertical direction.When the sealing time is up to 3 hours，the concentration gradient in each direction gradually disappears，and the gas concentration in the whole goaf eventually tends to balance. Similar experiments were in agreement with numerical simulation results.The above conclusions provide a guiding significance for solving the gas over-run of the fully-mechanized coal mining face and preventing the oxidation of the coal in the goaf.Key words：safety science and engineering;goaf;gas migration;wind speed;oxidation heating;sealing

0 引 言

采空区是大量游离瓦斯聚集的区域。采空区涌出瓦斯占采掘空间瓦斯涌出量的40%左右，有些矿井采空区涌出瓦斯占到采掘空间总瓦斯涌出量的60%～70% [1]。瓦斯是引起矿井动力灾害的主要因素之一，容易导致煤矿发生爆炸和煤与瓦斯突出危险[2]。采空区的气体包括甲烷、空气以及一氧化碳等其他气体，以多元混合气体形式存在，以不同浓度分布在采空区各个区域，受工作面漏风流的风压、顶板破坏的冲击力、瓦斯涌出的动力、遗煤自燃的火风压等外力作用，在采空区内部形成不同流动、组分浓度以及温度的瓦斯分布情况[3]。因此掌握采空区瓦斯运移分布规律是防治煤矿采煤工作面瓦斯超限、采空区瓦斯爆炸等问题的关键。

国内外学者结合理论分析、实验研究及数值模拟对采空区瓦斯运移规律进行了研究。其中，李树刚、许满贵等将采空区分为自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区3个区域，并基于采空区瓦斯渗流控制方程，应用Fluent软件，模拟研究了采空区瓦斯运移规律[4-6]。胡千庭等采用CFD数值模拟方法研究了采空区正常回采的工作面内瓦斯的流动及其分布的一般规律[7]。Yuan等研究了不同通风系统的采空区漏风流场，得到采空区流场分布情况[8]。凡永鹏等通过建立采空区数值模拟解算模型，研究了“U+I”型工作面在不同进风量、不同抽采负压下的工作面瓦斯浓度，得出了进风量和顶板巷抽采负压对工作面瓦斯浓度的影响[9]。高建良等通过建立采空区数学模型研究了在不同供风量和高抽巷抽采情况下采空区漏风及瓦斯浓度分布情况，得到了工作面全程的漏风及采空区瓦斯分布规律[10-11]。李俊贤等更进一步地研究了“U+I”通风系统，加上了抽采瓦斯，研究了复杂流场下采空区风流流场及瓦斯分布[12]。李英明等对U型工作面上隅角有无埋管抽采采空区瓦斯进行了数值模拟对比研究[13]。温良秀、杨明等分别研究了地面钻孔抽采和不同煤层倾角下的采空区瓦斯分布情况[14-15];Kang，Hao等分别研究了采空区瓦斯浓度场及采空区上隅角的瓦斯分布规律[16-17]。Balusu等通过建立长壁工作面采空区流场动力模型，研究各种复杂条件下的采空区内流场分布及瓦斯分布情况[18]。姜华通过搭建小型采空区气体渗流相似模拟实验平台，研究采空区在U型通风方式下的漏风流场分布规律[19]。蒋仲安等通过实验研究了不同风速条件下的瓦斯运移规律及上隅角瓦斯浓度变化规律[20]。丁厚成采用相似材料实验与模拟结合的方法对采空区内不同通风方式下的瓦斯运移规律进行了研究，获取U+L型通风综采采空区瓦斯运移规律[21]。李韫华搭建采空区气体渗流物理相似实验台，对U型通风方式下采空区漏风流场的分布规律进行了研究，分析了采空区漏风对遗煤自燃危险性的影响[22]。魏引尚等通过建立回风隅角滞后模型，模拟回风隅角处风流流场和压力分布状况，研究矿井工作面回风隅角风流流场与其布置方式之间的关系，并分析回风隅角有害气体积聚的原因[23]。

针对不同条件下的工作面采空区瓦斯分布规律，上述学者已有了大量研究成果，大部分研究是采用数值模拟方式。由于采空区的复杂性，采空区流场及瓦斯运移规律研究还存在一些问题，对于采空区高温封闭情况下气体分布情况的研究还不是很多。针对贵州矿区煤层赋存条件，文中拟采用三维采空区实验台进行相似实验，对不同风速、遗煤升温及高温封闭这3种情况下的采空区瓦斯分布情况进行研究，并采用Fluent数值模拟方

法对实验结果进行验证，得到采空区瓦斯运移规律。

1 实验系统

1.1 相似性实验

1.1.1 实验对象及模型设定

实验选取贵州某矿P41104综放工作面为原型，工作面走向布置，面长150 m.采空区走向长度200 m，采空区深度400 m，煤层平均厚度7 m，该工作面地表标高2 083～1 861 m，煤层倾角平均14°.煤层上覆岩层主要包括泥灰岩、细砂岩、泥岩、粉砂岩等。

实验主要是研究不同条件下的采空区瓦斯运移规律。为了达到实验目的，在实验过程中要满足的相似条件有几何相似、运动相似以及动力相似。通过计算确定几何相似比1∶300，风速相似比1∶1，密度相似比1∶1.三維小型相似实验台所能模拟的实际模型尺寸为0.8 m×0.5 m×0.6 m（长×宽×高），根据相似比之间的换算，可以模拟的采空区尺寸为240 m×150 m×180 m（长×宽×高），根据换算的尺寸可知，三维相似运移实验台符合模拟工作面P41104的采空区尺寸。

1.1.2 模型铺设及测点布置

三维瓦斯运移模拟实验台包括5个部分：实验台箱体及煤层开采系统、通风系统、气体释放系统、温度装置系统、气体监测系统。实验箱体骨架前后由钢板材料左右由有机玻璃材料通过螺栓紧固而成，通过箱体左右两侧可以看出实验过程中岩层形态。实验台箱体底部的中间位置布置有28个尺寸为0.50 m×0.03 m（长×宽）的条钢，通过双螺旋杆进行升降条钢，实现矿井开采过程，自然形成垮落形态，实验台设备如图1所示。

为了保证实验过程安全，采用安全性强而且对环境没有影响的氦气作为示踪气体模拟运移规律[24-25]，所以实验过程中测取气体浓度的仪器为氦气分析仪。实验铺设以及完成过程中，岩层所需要的材料为淀粉、水泥、云母粉。将相似材料按照相似比例逐层铺好，在每层之间用适量的云母粉进行分层，确保层理分明。将温度传感器、温度加热棒、U型通风管、氦气分析仪等按预设位置布置在模型中。实验台铺设完成以后对实验台以及底部通气周围采用704硅橡胶进行密封工作，保证实验过程中管路的气密性。

测气管路位置的布置：为了能够尽量测取每一处位置的数据，在每层主要布置了49个点，其中在采空区走向上每隔100 mm布置一个点，总共布置7个测气点;在倾向上每隔60 mm布置一个点，总共布置7个点。为了能够反映采空区垂直高度上瓦斯浓度的分布规律，共布置有3层测气点，在

垂直方向上可以观测温度源以及封闭对采空区瓦斯浓度分布的影响。测气管路布置平面图如图2所示。

1.2 数值模拟

1.2.1 数学模型的建立

为了深入分析，突出研究问题的重点，需要对采空区进行一些合理的简化假设[26-27]

①采空区内气体为不可压缩理想混合气体，其流动服从渗流规律;

②瓦斯涌入源只考虑采空区遗煤瓦斯涌出和下邻近层瓦斯涌出;

③采空区近似为各向同性，其渗透率不随时间变化;

④采空区内瓦斯的密度远小于空气的密度，所以瓦斯在三维空间内会因重力上浮，故在模型中应考虑重力效应。

采空区内气体流动状态非常复杂，根据上述假设，流动气体满足以下基本方程：湍流流动方程、连续性方程、动量守恒方程和组分质量守恒方程。

（2）

式中 ρ为流体密度;k为渗透率;μ为动力黏度系数;μt为湍流黏度;Gk为层流速度梯度产生的湍流能项;Gb为浮力产生的湍流能项;YM为可压缩流动中耗散率的贡献项;C1ε，C2εC3ε为模型常数;σk，σε分别为k方程和ε方程的湍流Prandtl数;Sk，Sε分别为用户定义的湍动能项和湍流耗散源项。

2）连续性方程

式中 ρ为混合气体密度;t为时间;为孔隙率;V为多孔介质中气体流动速度;q为汇强度;源为正项;汇为负项。

3）动量守恒方程

式中 为粘性应力张量，对不可压缩气体来说，

=μ（v+vT）;KP为多孔介质的渗透率;μ为气体的动力粘度;C2称为惯性阻力因子。

4）组分质量守恒方程

式中 u，v，w为速度矢量分别在x，y，z方向上的分量;Cch4，

ρcch4，Dch4分别为组分S的体积浓度、质量浓度和扩散系数;S

ch4为微元体的生成率。

1.2.2 几何模型

根据采空区破碎岩体的垮落特征，确定采空区瓦斯运移范围，采空区走向长度800 mm，宽度400 mm，总体高度600 mm，其中裂隙带和下沉弯曲带总高度480 mm，冒落带100 mm.沿采空区走向上，由浅部向深部孔隙率逐渐减小，把模型垮落带分成3部分，孔隙率分别为0.26，0.24，0.20.沿垂直方向设为0.15.瓦斯涌出源只考虑采空区遗煤瓦斯涌出和上下邻近层瓦斯涌出，涌出方式为均匀涌出。边界条件的设定主要考虑进出口风速，进风口为空气，进风速度模拟了实验速度，分别为1.25，1.5 m/s.热源设置在采空区冒落带的自然堆积区深部，距离荷载区附近，模拟温度分别为373，423 K.

2 结果与分析

2.1 不同风速下采空区瓦斯浓度分布情况

实验采用U型通风方式，热源温度300 K，释放时间180 min，调整工作面风速分别为1.25和1.5 m/s时研究采空区瓦斯浓度分布规律。图3和图4所示分别为不同风速下瓦斯分别沿走向和倾向浓度分布情况。

从图3可以看出，当工作面巷道通风风速为1.25 m/s时，采空区内瓦斯浓度分布受到漏风的影响。沿采空区走向，瓦斯浓度由浅部到深部逐渐增大，靠近浅部的瓦斯浓度有所降低。在走向上，瓦斯浓度分布分为3个区间段，100～300 mm之间瓦斯浓度平缓，浓度为14%左右，在300 mm以后瓦斯浓度呈上升趋势，最终瓦斯浓度达到80%左右。发生这种浓度分布的原因主要是靠近工作面的采空区浅部，由于垮落时所造成的空隙空间比较大，这部分区域的孔隙率相比采空区深部大，在正常通风条件下，从工作面进入采空区的漏风稀释了浅部的瓦斯浓度，降低了瓦斯浓度，随着采空区走向上距离的变大，空隙空间受到矿压作用在采空区深部已经被严重压实，由于采空区深部压实所引起的孔隙度越来越小，离工作面相对较远，进去采空区的漏风基本上很难到达该区域，所以对这部分区域基本上没有影响。在倾向上，沿倾向20 mm到260 mm之间气体浓度梯度不大，而在260 mm到回風巷之间的浓度逐渐变大。分析原因是由于在漏风的影响下，随着进风巷的风流流向回风巷，风流带走了浅部的大量瓦斯，导致采空区回风巷上隅角的瓦斯浓度明显高于进风巷浓度。

从图3和图4对比中可以看出，当通风风速变大时，采空区浅部瓦斯浓度较之前正常通风情况下相比有所降低，进风巷以及周围的瓦斯浓度有较明显的下降，在进风巷处的瓦斯浓度下降了4%左右，相应情况下回风巷的瓦斯浓度上升了2%左右。随着采空区内的漏风量变大，过多的风流会稀释更多的瓦斯浓度，改变通风风速可以有效降低采空区浅部瓦斯浓度;而在采空区深部沿走向的瓦斯浓度并没有发生较明显的变化。回风巷处瓦斯浓度升高的原因是由于通风后在采空区内进风巷瓦斯在受漏风的作用下，瓦斯向采场的回风巷流动，随风流进入回风巷。当通风量越大时，漏风就越大，进风巷和回风巷的浓度差也越大。

经过相似比之间的转换，对实验图3中距回风巷20 mm曲线图进行放大，除了相应的位置扩大300倍以外，对实验所测的数据进行缩放3倍与现场所测数据进行相比较。通过图5可以看出，相似实验所测取的实验数据基本趋势与现场实测数据趋势基本相似，瓦斯分布趋势也基本符合现场规律，随着采空区的深入，瓦斯浓度也变大，通过对通风情况下的对比，证明了相似实验的可靠性。

图6所示为不同风速下采空区瓦斯浓度分布云图，通过对不同风速下的采空区瓦斯浓度对比分析可以得出，增大通风风速对采空区深部空隙率较小的地方基本上没有起到作用。该模拟所展现的瓦斯分布规律与实验测得数据基本吻合。

2.2 遗煤氧化升温后采空区瓦斯浓度分布情况

当采空区内部出现高温时，分别对热源设置温度300，373，473 K进行实验。

图7为在不同温度下采空区底层沿走向上的瓦斯浓度分布，

随着温度的升高，热源周围的瓦斯浓度在上升，上升的梯度随着温度的升高而变大，当热源的温度为473 K时，热源处的浓度比之前温度为300 K时上升了5%左右。浓度升高的原因是温度升高后，加剧了分子的热运动，加速了分子的扩散，并运移到采空区顶部，所以采空区顶层瓦斯浓度明显上升。

图8为不同温度下采空区瓦斯浓度分布云图，当采空区内部遗煤氧化升温后，瓦斯浓度分布的趋势并没有发生明显的运移，较之前相比，分布趋势基本一致。

2.3 封闭后采空区瓦斯浓度分布情况

调节温控仪使温度达到473 K时，关闭蠕动泵，对进风口进行封闭，用硅橡胶对进风口进行密闭处理。图9所示是不同封闭时间下采空区内沿走向的瓦斯浓度分布。

可以看出，当采空区发生遗煤氧化升温并进行封闭后，整个采空区气体浓度不再受漏风的影响，随着封闭时间的延长，采空区浅部的瓦斯浓度上升较快，而采空区深部的瓦斯浓度在扩散的作用下缓慢减小。

封闭1.5 h后，采空区浅部的瓦斯浓度上升到20%，封闭3 h后，采空区浅部的瓦斯浓度上升到

37%，当对采空区封闭5 h后，采空区深部的瓦斯

浓度在浓度差的作用下，从原来的80%下降到61%，采空区的瓦斯浓度基本达到平衡状态，整个采空区内瓦斯浓度差较小，最终浓度达到61%.产

生这种状态的原因是当进回风巷道封闭后，没有漏风流影响采空区瓦斯浓度，加上之前采空区存在的瓦斯浓度差，采空区深部瓦斯浓度向浅部运移，导致浅部瓦斯浓度上升较快，最终上升到浓度差很小，在温度的影响下，下层的瓦斯浓度也向采空区上层运移。

图10所示为封闭情况下采空区瓦斯浓度分布云图，当采空区封闭后，采空区深部瓦斯浓度继续上升，沿走向采空区深部瓦斯浓度比在浅部瓦斯浓度要高一些，但趋势不明显。倾向上，封闭后进风口不再漏风，采空区内没有风流，进风巷和回风巷之间的浓度差逐渐消失。

2.4 相似实验与数值模拟对比分析

选取特定条件下相似实验和数值模拟的结果进行对比分析。图11所示分别为不同风速、遗煤氧化升温和采空区封闭180 min的实验与数值模拟结果的对比。

可以看出，实验和模拟所反映的采空区瓦斯运移规律基本一致，局部位置存在微小差别，主要是由于实验过程中相似材料铺设与Fluent模拟中参数的设置存在一定误差，同时实验过程采用氦气代替瓦斯气体，因为氦气和瓦斯气体的密度存在一定大小差异，以及实际过程中不可能做到完全密封，总体上实验与模拟间的差异在可接受的合理范围之内。

3 结 论

1）随着通风风速的增大，漏风量变大，采空区浅部瓦斯浓度较之前正常通风情况下相比有所降低，进风巷以及周围的瓦斯浓度下降4%左右，相应情况下回风巷的瓦斯浓度上升2%左右。改变通风风速可以有效降低采空区浅部的瓦斯浓度;但对采空区深部的瓦斯浓度分布没有产生影响。

2）当采空区内部遗煤在漏风影响下，发生氧化升温后，采空区内瓦斯浓度分布情况与常温比并没有明显改变。在遗煤氧化升温的位置瓦斯浓度相比较之前升高了2%左右，周围瓦斯浓度有小幅度升高，在倾向上，瓦斯浓度受到漏风的影响，在上隅角处瓦斯浓度比较高，在垂直方向上受到升浮作用的加剧，瓦斯气体在采空区顶部的浓度升高。

3）对采空区进行封闭后，整个采空区气体浓度不再受漏风的影响，随着封闭时间延长，采空区浅部瓦斯浓度迅速上升，而采空区深部瓦斯浓度在扩散的作用下缓慢下降，当对采空区进行封闭5 h后，采空区内部的瓦斯浓度基本达到平衡状态。

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