采空区瓦斯涌出动态变化规律数值模拟*

赵 林，董子文，杨子剑，邹 治，孟丽萍，柳劲甫

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司，内蒙古 赤峰 024076；2.湖南工学院安全与环境学院，湖南 衡阳 421002)

0 引言

综放工作面的瓦斯来源一般包括新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空区向工作面通风空间的涌出等；采空区的瓦斯涌出主要包括在漏风影响下采空区遗煤的涌出，邻近层的涌出，对于厚煤层分层开采还有底分层的涌出等。影响采空区瓦斯涌出因素诸多，如煤阶、地质构造、含量、开采顺序与速度、采煤方法及工作面布置、顶底板特征及其受采动影响的规律、通风方式与风量等[1-4]。

除瓦斯抽采措施外，工作面瓦斯的稀释功能主要依靠通风完成，而风流不但可以稀释工作面的瓦斯也能诱导相关区域瓦斯向工作面涌入，因此风流对工作面瓦斯的稀释作用不能用简单的增加风量线性、降低瓦斯浓度的方法进行描述。采空区向工作面涌出的瓦斯量，受工作面布置方式及规模、开采工艺方法、风量以及开采强度等影响，而采空区向工作面涌入的瓦斯来源为相关区域的瓦斯赋存和残留，因此煤层瓦斯含量或整体采空区的瓦斯源项强度大小也显著影响着其向工作面的涌出。目前采用数学模型根据分源法等进行瓦斯涌出预测和变化规律分析的方法较多，如灰色系统预测法、瓦斯地质数学预测法、趋势面预测法、神经网络预测法、综合动态预测法等[5-9]。

1 瓦斯涌出量随风量变化规律

1.1 数值模拟结果

采空区瓦斯涌出影响因素较多，图1为工作面推进速度不同(vt：2～10 m/d)在风速(vin)0.8 m/s、1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s条件下，由初采至开采90 d期间采空区向工作面涌入的瓦斯量。由图可知，工作面开始采煤至90 d期间，开采初期随开采时间的延续采空区向工作面的绝对瓦斯涌出量急速增加，开采至一定时间时，绝对瓦斯涌出量达到最大值，之后随开采时间的延续绝对瓦斯涌出量逐渐降低，绝对瓦斯涌出量降低至一定量时逐渐趋于稳定，即由初始采煤开始，采空区的绝对瓦斯涌出量先急速增加至最大值，之后涌出量逐渐衰减，然后趋于稳定。

图1 风速及推进速度对采空区瓦斯涌出的影响Fig.1 Influence of wind speed and mining speed on gas emission from goaf

1.2 开采时间的影响

开采初始，随着开采时间延续绝对瓦斯涌出量增加，主要是由于这个时期采空区未充分垮落、压实。持续开采会导致可以涌出瓦斯的范围逐渐扩大，随时间延续绝对涌出量具有显著增加趋势；达到最大值以后采空区的绝对瓦斯涌出量开始下降，其原因在于，此时采空区结构逐步稳定，漏风相对稳定，且新形成的采空区中遗煤及邻近层煤炭中的瓦斯在前期采动影响下已经有一定量的放散和涌出，后期新形成的采空区向外涌出瓦斯的源项强度显著低于前期，虽然此时采空区可能有效涌出范围更广，但其含量和浓度相对较低，共同导致这个时期的瓦斯涌出量逐渐衰减；在后期采空区向工作面的绝对瓦斯涌出量基本稳定，可能是由于开采时间较长以后，采空区相对稳定，有效涌出范围或长度相对稳定，且新形成的采空区的瓦斯在前期受采动影响的自由放散过程中很大程度上放散了大量的赋存含量，在未开采到该处时其可能涌出范围内的瓦斯基本涌出完成，距离巷道空间较深区域的瓦斯基本不能大量扩散涌出，因此这些区域一旦落入新形成的采空区中，其瓦斯含量等基本一致，从而共同决定着在开采后期采空区的绝对瓦斯涌出量将保持在一个相对较低且稳定的范围内。

1.3 供风速度的影响

图1中(a)～(f)每幅图单独分析显示，工作面的供风速度越大，采空区向工作面涌出的瓦斯量越大。工作面通风过程中，存在着向采空区漏风的问题，风量越大，采空区漏风范围和漏风量越大，瓦斯涌出量增加。但风量增加、漏风增强，采空区瓦斯涌出也存在降低的可能，风量增加对采空区向工作面瓦斯涌出量的影响确实存在增加和降低2种可能，主要归因于采空区的瓦斯源项性质及强度[14-16]。采空区瓦斯浓度分布一般由浅部向深部具有高—低或低—高—低的趋势，所以采空区向工作面涌出瓦斯一般通过2种作用实现，一种是瓦斯浓度梯度产生的扩散作用，另一种为风压、风速梯度导致的对流作用。近邻煤壁的浅部采空区瓦斯涌出过程中扩散和对流引导作用均显著；深部采空区由于与采煤工作面较远、压实程度高、瓦斯浓度低，其通过扩散作用向工作面涌出瓦斯较难实现，而在供风量大、漏风范围大、漏风量大的条件下，深部采空区瓦斯向工作面涌出主要受漏风流场的影响，采空区瓦斯涌出的主导形式以对流作用为主。

1.4 漏风流场的对流作用

漏风流场的对流作用对采空区相对深部瓦斯的影响也存在2种不同的作用，其一为诱导携带作用，其二为抑制作用。

诱导携带作用:主要指漏风对流较强区域风流对周围风流场较弱区域的风流诱导，瓦斯随诱导漏风流携带而出，以及漏风流流经过程对采空区瓦斯的直接携带作用，二者协同作用。诱导作用主要发生在两道沿线附近，漏风流在进风侧巷道沿线向内漏入，在回风巷道沿线向外漏出，均会诱导扰动附近受采空区影响的采空区两侧区域内部流场，从而诱导受扰动影响区域的瓦斯涌向采空区并通过采空区涌出。

抑制作用：主要指经工作面向采空区漏风经由浅部采空区流入较深部采空区、邻近层、上覆岩层及其他相邻贯通的裂隙带等区域过程中会抑制上述区域涌出瓦斯向采空区浅部与工作面流动，从而抑制了这些区域瓦斯的涌出。抑制作用主要发生在采空区的较深部区域，此区域漏入风流向深部流动会导致深部瓦斯向外涌出难度增加；同时，在采空区附近同层位和上下邻近层及其周围区域由于采动影响产生大量裂隙带，当漏风流风压高于裂隙发育区域风压时会导致风流向裂隙区域流动从而抑制通过裂隙向本采空区涌出的瓦斯；当裂隙发育区域风压高于漏风风压时，裂隙发育区域风流将向本采空区流动带来大量残存瓦斯的涌出，并随漏风回流至本采空区进而流向工作面，该情况的漏风流对裂隙发育区域的瓦斯反而是诱导携带作用，会增加采空区的瓦斯涌出总量。

采空区向工作面涌出瓦斯过程中，漏风流场的对流诱导携带作用占主导，因此，一般供风量增加，瓦斯涌出量将显著增强；当采空区涌出瓦斯源项主要来源于邻近层或相关裂隙发育区域时，漏风流场的抑制作用显著，瓦斯涌出量降低。

2 瓦斯涌出量随推进速度变化规律

2.1 数值模拟结果

图2为风量一定时，不同推进速度下采空区向工作面涌出的瓦斯量变化规律，可以看出，推进速度不同采空区向工作面涌出瓦斯量存在显著差异。图2(a)，风速0.8 m/s时除初采短暂的几天内存在一定波动，在其它大部分时间内，推进速度越大，采空区向工作面涌入的瓦斯量越小；图2(b)～(f)，在初采的一定时期内，推进速度越大，采空区向工作面涌入瓦斯量越大，开采一定时间后，工作面推进速度越大，采空区绝对瓦斯涌出量越小。

图2 推进速度对采空区瓦斯涌出的影响Fig.2 Influence of mining speed on gas emission from goaf

2.2 结果分析

在开采初期尤其是在初次来压之前，采空区未压实，开采速度越大采空区的范围越大，虽然顶板未出现大面积垮落等，但开采初期本煤层与邻近层及上下分层之间由于采动影响裂隙等大量形成，导致瓦斯涌出的区域范围较大且处于涌出初期源项强度较大，共同导致推进速度越快，向工作面涌出的瓦斯量越大。推进速度越大，采空区长度越大，采空区深部内任意点的漏风速度是衰减的，虽然残余漏风速度比小推进速度大，但相对于较长的采空区范围和瓦斯到达工作面需要行经的较长路线相比是微弱的，即推进速度增大瓦斯向工作面涌出时的单位长度路径内的阻力降低，但需要经过的路线大大增加，导致其沿程总阻力增加，所以开采一定时间后采空区深部瓦斯很难达到工作面，出现开采一定时间后瓦斯涌出量出现随推进速度增加而降低的现象；同时开采速度加快，顶板下沉量降低且对邻近层的采动影响低，所以邻近层的瓦斯涌出会相应降低。

3 瓦斯涌出达到最大值的时间及变化规律

3.1 工作面推进速度对绝对瓦斯涌出量的影响

工作面推进一段时间后，由于推进速度越小，采空区长度越小，虽然采空区内漏风较小，但深部瓦斯运移至工作面的路径较短，总阻力相对较低，所以后期推进速度慢时瓦斯涌量越大，且采空区长度小时漏风对采空区的穿透和扰动能力较强，共同导致这一结果。对于采空区的绝对瓦斯涌出量受工作面推进速度影响的问题，前人研究持2种不同观点，文献[14]及文献[15]认为随推进速度的增加，采空区的绝对瓦斯涌出存在增加与降低2种可能；经过现场实测提出推进速度增加，绝对瓦斯涌出量也相应增加，这与图2开采前期阶段规律一致。因此，风量相同条件下工作面开采速度对瓦斯涌出量的影响分为2个阶段2种情形，在工作面开采的初期阶段，开采推进快，瓦斯涌出量高，开采一定时期后，规律则相反。

3.2 绝对瓦斯涌出量最大值对应时间

采空区瓦斯涌出量随开采时间的持续先增加至最大值后随时间衰减，一定时间后趋于稳定，采空区绝对瓦斯涌出量最大值对应时间(tQCH4max)为开采过程中采空区瓦斯涌出的特殊时间点，该时间点前后的采空区绝对瓦斯涌出量受推进速度影响，规律相反。图3为采空区瓦斯涌出量最大值对应开采时间的变化规律，图3(a)显示推进速度越大采空区瓦斯涌出量达到最大值所需的时间越长，图3(b)显示风速越大达到最大值所需时间越长。图3(a)显示，任意推进速度下风速增加采空区绝对瓦斯涌出量达到峰值时所需时间随风速线性增加，具有式(1)的直线关系，不同推进速度下拟合数据见表1。

图3 进风速度及开采速度对绝对涌出量达到最大值所需时间的影响Fig.3 Influence of wind speed and mining speed on the time required for absolute gas emission to reach the maximum

表1 瓦斯涌出达到峰值所需时间与风速关系拟合曲线的系数Table 1 Fitting curve coefficient of the relationship between the time needed for gas emission to reach the peak value and the wind speed

tQCH4max=a+b·vin

(1)

表1中不同推进速度下直线方程公式(1)的斜率a和截距b与推进速度vt之间具指数关系，见式(2)、(3)，形成统一的不同推进速度和不同风速下采空区绝对瓦斯涌出量达到最大值的时间均可以由式(4)进行判定。

a=8.8+86.4exp(-0.60vt)

(2)

b=-5.6-63.5exp(-0.72vt)

(3)

tQCH4max=86.4exp(-0.60vt)-[5.6-63.5exp(-0.72vt)]vin+8.8

(4)

3.3 绝对瓦斯涌出量最大值与其对应时间的关系

由于采煤开始至采空区绝对瓦斯涌出量达到最大值所需要的时间(tQCH4max)占整个工作面开采期的比例较小，因此对最大值以后的采空区绝对瓦斯涌出量QCH4max变化规律进行分析具有重要意义。(tQCH4max)以后的采空区绝对瓦斯涌出量QCH4max(m3/min)与时间t(d)之间具有式(5)所示的关系，式(5)中a、b与推进速度的关系如(6)、(7)，式(6)中a1、b1与风速之间具有式(8)、(9)的关系，式(7)中a2、b2与风速之间具有式(10)、(11)的关系。

QCH4=10AtB

(5)

A=a1ln(vt)+b1

(6)

B=a2ln(vt)+b2

(7)

a1=0.964 7vin2-2.133vin+1.383 5

(8)

b1=-1.31vin2+3.090 9vin-1.568 4

(9)

a2=-0.078 1vin2+0.157 7vin-0.378 3

(10)

b2=0.024 7vin2+0.209 8vin-0.365 1

(11)

以上方程(5)～(11)将瓦斯涌出量达到最大值以后开采过程中采空区绝对瓦斯涌出量与工作面推进速度和风速之间建立了量化关系。将式(6)～(11)代入式(5)即可依据工作面推进速度和风速判断采空区绝对瓦斯涌出量。

4 结论

(1)工作面开采初期瓦斯涌出量较低，随开采时间的延续逐渐增加，达到涌出量峰值后逐渐下降并趋于稳定；风量增加、开采速度加快瓦斯涌出量最大值增加，达到瓦斯涌出量最大值的时间前者增加、后者降低。

(2)采空区瓦斯涌出量受风速和推进速度影响显著，一般风量越大采空区瓦斯涌出量越大；相同风量条件下，不同开采速度下，瓦斯涌出量达最大值前，推进速度越大，瓦斯涌出量越大，瓦斯涌出量至最大值后，推进速度快其瓦斯涌出量低。

(3)采空区瓦斯涌出以扩散和对流作用形式出现，一般漏风流场对瓦斯涌出具有诱导、携带作用导致瓦斯涌出量增加；也具有抑制作用导致采空区瓦斯涌出量降低，抑制作用主要发生在风压低于漏入风流风压的深部采空区以及部分裂隙发育区域内的瓦斯。