薄煤层Y型通风采场瓦斯分布规律研究

2021-07-09李良伟武文宾林府进

矿业安全与环保 2021年3期

李良伟，武文宾，林府进

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

在高瓦斯煤层工作面通风系统中，传统的U型通风系统不能很好地解决工作面上隅角瓦斯超限的问题[1-3]。因此，Y型通风方式被提出[4-6]，即回采工作面两侧进风、采空区一侧回风(简称为“两进一回”)的通风方式。

工作面及采空区瓦斯运移实际是两相介质的流动分布，对此前人进行了大量研究。J.Pawiński提出了瓦斯计算的数学模型[7]；Nottingham大学的研究人员建立了工作面的瓦斯运移模型[8-11]；李宗翔等针对工作面瓦斯超限问题，采用数值模拟方法，提出了设置调节风门、改变工作面作业方式等方法[12-13]；王凯等对J型与U型通风效果进行数值模拟对比，结果表明采取J型通风后采空区瓦斯浓度大大降低[14]；胡千庭等针对地面井抽放采空区瓦斯的情况进行了数值模拟，与实际瓦斯浓度监测结果相符[15]；李树刚等对回风侧设置排放口的情况进行了数值模拟，结果表明排放口能明显降低采空区瓦斯浓度[16]；梁运涛等在模拟采空区瓦斯分布情况时推导出非均值孔隙模型，模拟结果与U型通风工作面实测参数吻合[17]；金龙哲等采用UDF编程设置变参数的采空区多孔介质模型，模拟结果与实测瓦斯涌出量相当[18]。

综上所述，在薄煤层Y型通风条件下的瓦斯流动尤其是在不同配风比时的流动规律缺乏深入研究。因此，笔者对工作面两进一回Y型通风采场及采空区瓦斯运移流动规律进行数值模拟分析，以期确定工作面及采空区瓦斯流动分布规律，以及最佳配风比例。

1 物理模型的建立及网格划分

1.1 工作面布置及煤层情况

永荣矿务局韦家沟煤矿38404工作面布置于38402工作面以西，是二水平三盘区第3个工作面，如图1所示。

图1 38404工作面布置平面图

38404工作面走向长度为890 m，倾向长度为195 m，煤层平均倾角为2°，平均埋深为650 m，顶底板条件稳定。相邻工作面相对瓦斯涌出量为12.24 m3/t，绝对瓦斯涌出量为23.53 m3/min。

1.2 物理模型与网格划分

以38404工作面及采空区为原型，利用GAMBIT软件建立3D物理模型。视该煤层为水平煤层，工作面宽5 m、高3 m；进风巷和进风侧运输巷长度为 20 m，宽与高均为3 m；采空区长宽高分别为150 、100、10 m；进风巷沿采空区延伸30 m形成尾巷，所建立的几何模型如图2所示。采用0.5 m步长的结构化网格划分物理模型，工作面及巷道区域共划分28 200个网格，采空区区域共划分1 192 800个网格。

图2 工作面数值模拟几何模型

2 边界条件及计算方法

2.1 操作环境及边界条件

设定重力大小为-9.81 N/kg。进风巷端头与运输巷端头均设定为速度入口，不同配风比条件下设定速度不同；运输巷出口设为自由出流；采空区固壁为无滑移边界条件，即u=v=0；进风巷瓦斯浓度(甲烷体积分数)为0；工作面与采空区的两个边界面设为交界面(Interface)，在采空区设置多孔介质模型。

2.2 采空区多孔介质模型

采用数值模拟方法研究Y型通风方式下的瓦斯分布规律，主要目的是指导韦家沟煤矿在工作面回采时的通风管理，设置采空区为均质的多孔介质模型并不影响规律研究。参照经验设定孔隙率为0.25，并根据如下公式计算黏性阻力系数和惯性阻力系数：

(1)

(2)

式中：α为渗透率，等于黏性阻力系数的倒数；ε为孔隙率；DP为平均颗粒直径；C2为惯性阻力系数。

通过计算可得，黏性阻力系数为3.2×107，惯性阻力系数C2=11 200，结合现场实际情况确定采空区瓦斯涌出源项为3.6×10-7kg/(m3·s)。

2.3 计算方法

采用RNGk-ε模型，由于采空区内流体是低雷诺数的流动，故采用Differential Viscosity Model。压力耦合采用SIMPLE算法，对控制中的压力离散采用PRESTO格式，其他的选项采用二阶迎风格式，以提高收敛精度。

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3 流场模拟结果

3.1 30 m尾巷对采空区瓦斯分布的影响

为对比有、无30 m尾巷情况下的流场差异，分别提取流场流线与瓦斯浓度等值线图,如图3～4 所示。

(a)有30 m尾巷

(b)无30 m尾巷

(a)有30 m尾巷

(b)无30 m尾巷

由图3、图4可以看出，有、无30 m尾巷对采空区风流流动与瓦斯分布的影响较大。在存在30 m尾巷的情况下，气流通过拐角负压涡旋区及尾巷直接进入采空区，使得瓦斯向工作面流动，形成瓦斯高低浓度三角区。三角区其中一个角点靠近工作面上隅角，同时采空区瓦斯浓度整体比无尾巷情况时高，因此尾巷留设不利于采空区及工作面瓦斯管理。

3.2 不同配风比对采空区瓦斯分布的影响

进风巷、运输巷配风比为1∶1时的空间瓦斯场切片如图5所示。

图5 进风巷、运输巷配风比为1∶1时瓦斯场切片云图

由图5可知，在此配风比下上隅角瓦斯会发生聚积与上浮，是导致瓦斯浓度超限的原因，不能发挥Y型通风的优势。因此分别对进风巷、运输巷配风比为2∶1、3∶1、4∶1时工作面采空区漏风流场进行模拟研究。

进风巷、运输巷在不同配风比条件下的采空区流线图如图6所示。

(a)配风比为2∶1

(b)配风比为3∶1

(c)配风比为4∶1

由图6可知，整个流场基本流动状态不会随着配风比的增高而改变，但是通过尾巷进入采空区的风流会有一部分返回到工作面。

进风巷、运输巷在不同配风比条件下的瓦斯浓度等值线图如图7所示。

(a)配风比为2∶1

(b)配风比为3∶1

(c)配风比为4∶1

沿工作面风流方向瓦斯浓度变化曲线如图8 所示。

图8 沿工作面风流方向瓦斯浓度变化曲线

由图8可知，靠近进风巷侧瓦斯浓度较高，这是由于30 m尾巷中风流将采空区瓦斯带至工作面所致，峰值位置恰好在y方向80～90 m区域。沿着风流方向即y轴负方向，采空区释放到工作面的瓦斯较少，新鲜风流的充分混合使得瓦斯浓度逐渐降低。配风比越高稀释工作面瓦斯的能力越强，工作面瓦斯浓度随着配风比的增高而呈下降趋势。

沿运输巷瓦斯浓度变化曲线如图9 所示。

图9 沿运输巷瓦斯浓度变化曲线

由图9可知，在运输巷与工作面交汇处因汇入含瓦斯风流瓦斯浓度迅速上升，配风比越高稀释工作面瓦斯的能力越强，工作面瓦斯浓度随着配风比的增高而呈下降趋势。

y=10 m和y=80 m处采空区走向瓦斯浓度分布曲线如图10～11所示。

图10 y=10 m处采空区瓦斯浓度变化曲线

图11 y=80 m处采空区瓦斯浓度变化曲线

由图10～11可知，两者曲线均存在峰值位置，y=10 m处的峰值线缓而低，y=80 m处的峰值线急而高，越靠近进风巷峰值越高。随着配风比的增高，瓦斯浓度整体呈增大趋势，但仅在峰值附近瓦斯浓度增大明显，而越靠近两端位置瓦斯浓度相差越小。

4 瓦斯浓度分布规律现场考察

在38404工作面检修期间，通过布置测点对瓦斯浓度进行连续监测。测试地点布置在回风巷及运输巷回风方向0、5、20、50、80、150 m共 6个地点，经过连续6 d在工作面检修期间对6个测点的瓦斯浓度进行现场监测，其平均值分别为0.014%、0.014%、0.013%、0.016%、0.022%、0.039%。沿空留巷平均瓦斯浓度分布曲线如图12所示。

图12 38404工作面运输巷实测瓦斯浓度分布曲线

由图12可以看出，在距工作面20 m内，瓦斯浓度变化不大；在距工作面20～50 m内，瓦斯浓度大幅度增高；在距工作面50～150 m内瓦斯浓度增加幅度更大。形成这一现象的原因是在5 m范围内，采空区瓦斯较多地涌入到采煤工作面，且采空区漏风大，瓦斯在漏风作用下流至采空区深部；距工作面 20 m 后，采空区漏风逐渐减少，同时采空区大量瓦斯涌入尾巷，导致瓦斯聚积、瓦斯浓度持续增高，与Fluent软件对采空区内漏风和瓦斯流场的模拟结果基本一致。