高抽巷+Y型通风工作面采空区瓦斯流场数值模拟研究

张兴润

(山西潞安化工集团 余吾煤业公司, 山西 长治 046103)

瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一。传统的U型通风系统不能很好地解决巷道瓦斯超限问题,尤其是工作面上隅角瓦斯浓度常常超标。造成这种现象的最根本原因是采空区漏风流场易引起上隅角瓦斯积聚。基于此问题大量学者提出Y型通风模式并展开相应研究。何满潮等[1-3]提出在沿空留巷无煤柱开采中使用Y型通风,相比与“U”型通风,可更好地治理上隅角瓦斯超限问题;王炯等[4]提出了一种沿空留巷Y型通风条件下的留巷侧现场测量碎胀系数测量方法,基于此确定采空区模型的渗透率等参数,并研究采空区漏风分布规律,但并未提出采空区漏风治理措施;李艳昌[5]和李良伟等[6]分别模拟“一进两回”和“两进一回”Y型通风模式,都证明Y型通风可以消除上隅角瓦斯;Qin[7]采用数值模拟分析了采空区瓦斯抽采规律,得出采空区周边瓦斯更容易被抽采;康建宏等[8]利用Fluent对采空区中高抽巷抽采前后,瓦斯的流场分布进行了研究,从而得到了高抽巷的最佳空间布置位置。范红伟等[9]提出结合瓦斯抽采与通风模式治理采空区;高茜等[10-12]模拟研究Y型采空区综放面流场与瓦斯流动规律,并与U型系统通风比较总结出Y型通风特点;同时翟国华等[13-15]针对Y型通风瓦斯运移规律提出采空区埋管和钻孔等措施综合治理瓦斯;薛俊华等[16-18]研究不同风量配比对Y型通风采空区瓦斯流动的影响。基于前人研究,采用计算机模拟方法对“高抽巷+Y型通风”及联合采空区埋管的瓦斯治理模式对采空区瓦斯流场进行分析和研究。

1 采空区流场数学模型

1.1 模型假设

采空区和巷道的实际工况复杂且多变,为便于研究,风流模拟过程中采用以下假设：

1) 忽略综采工作面和巷道内设备产生的风阻影响。

2) 采空区中不考虑温度变化影响,组分之间不考虑化学反应。

3) 不计水蒸气蒸发和瓦斯解吸,同时将固体、气体的物理性质参数视作常数。

4) 采空区内部区域视为多孔介质区域,渗透率和孔隙率等均符合经验函数。

1.2 基本控制方程

采空区中的瓦斯运移遵循达西定律。达西定律最初是研究水在岩体中的渗流规律,后被推广应用到流体在煤岩体及采空区中的运移规律。达西定律：

(1)

式中：q为渗流量;v表示渗流速度;K为多孔介质的渗透率;A为渗透面积;dp表示在dx长度内的压差;i为水力梯度。

在假设和理论分析的基础上,研究过程中,煤体的受力属于固体力学的内容,煤体变形应满足下面的固体力学平衡方程：

σi,j=Fi

(2)

式中：σ为分量顺序,表示为σi,j;Fi为应力张量,表示体积力。

研究过程中,煤体被视为多孔弹性介质,并且具有均匀且各向同性的属性,则满足以下的弹性本构关系式：

σi,j=Dijklεi,j-aδijP

(3)

式中：Dijkl为弹性张量;a表示孔隙水压力系数;εi,j为应变张量;δij是Kronecker符号,当i=j时,值为1,否则为0;P为流体压力。

2 物理模型构建及参数设定

2.1 工作面概况

余吾煤业N1100工作面位于北风井西翼采区,沿南北方向布置。井下位置：南侧为西翼采区5条大巷(自北向南分别为1#回风大巷、辅助运输大巷、胶带大巷、进风大巷、2#回风大巷);北侧为实体煤;东侧为N1101工作面(已采);西侧为实体煤。N1100胶带顺槽长1 952 m,回风顺槽长1 930 m,高抽巷长1 329 m;回采斜距1 193 m,回采平距1 191 m,切眼斜距328 m,切眼平距326.4 m,工作面可采储量348.1万t. N1100工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法,采用MGTY400/930-3.3 D型双滚筒采煤机,采用“两进一回”的Y型通风方式。

2.2 物理模型与网格划分

根据工程概况对采空区进行简化建模,采空区为328 m×150 m,其中冒落带高度为20 m,裂隙带高度为50 m,巷道断面为5.4 m×3.8 m,根据实际模拟情况,沿空留巷设计为150 m×5.4 m×3.8 m,设计高抽巷为5 m×3 m×100 m,在次进风水平30 m,竖直35 m位置对裂隙带进行抽采,分别研究添加单独采空区瓦斯运移与高抽巷抽采后采空区瓦斯运移规律,模型见图1. 完整网格包含1 529 848个域单元、105 566个边界单元和2 936个边单元。

图1 模型几何及网格划分图

2.3 求解参数设置

模型参数：瓦斯密度0.716 kg/m3,瓦斯动力黏度1.08×10-5Pa·s,基体等效压缩率2.18×10-3Pa-1,流体压缩率1.394 2×10-5Pa-1,煤体密度1 470 kg/m3,自然堆积区孔隙率0.3,载荷影响区孔隙率0.12,稳定压实区孔隙率0.04,裂隙带孔隙率0.03,煤体泊松比0.33,煤体初始渗透率0.907×10-15m2,煤体杨氏模量3 000 MPa,煤体瓦斯初始压力0.31 MPa,标准大气压1.01×105Pa,Biot-willis系数0.801.

模型设置工作面瓦斯涌出量为11 m3/min,采空区瓦斯涌出量为25 m3/min,采空区0～50 m,瓦斯平均浓度为0.67%,高抽巷抽采负压11 kPa. 以此对不同进风情况下采空区瓦斯运移规律进行数值模拟研究。

3 数值模拟结果分析

3.1 沿空留巷采空区流场及瓦斯浓度分布特征

设置3组2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min不同进风量对不抽采情况下采空区流场及瓦斯分布规律进行分析,见图2.

图2 不同进风量采空区流场分布图

对比分析不同进风量下沿空留巷瓦斯分布规律可以发现,采空区流场分布与进风量的大小有直接关系,进风量越大,采空区流场速度越大,流线越密集,不同进风量下采空区流场分布特征相似,瓦斯随风流从回风巷流出。

不同进风量条件下采空区瓦斯浓度分布见图3,对比分析可以发现,随着进风量的不断增加,靠近工作面采空区瓦斯浓度逐步降低,同时工作面涌出瓦斯也随风流进入回风巷,降低了工作面的瓦斯浓度。当进风量为2 028 m3/min时,可以看到工作面瓦斯浓度依然很高,而当进风量增大至2 328 m3/min时,工作面瓦斯浓度已降低至安全作业浓度以下,由此可以初步判断,主进风巷道进风量应不低于2 328 m3/min.

图3 不同进风量采空区瓦斯场分布图

不同进风量条件下上隅角瓦斯浓度见图4,对比分析可以发现,当进风量为2 028 m3/min时,上隅角瓦斯浓度较大,达到了0.7%,当进风量增加至2 328 m3/min,上隅角瓦斯浓度有明显降低,风量继续增加,上隅角瓦斯浓度变化不大。综合考虑经济效益等因素,沿空留巷采空区主进风风量优选为2 328 m3/min.

图4 不同进风量下上隅角瓦斯浓度图

3.2 不同位置高抽巷以及联合采空区埋管条件下沿空留巷采空区流场分布特征

图5(a)所示为高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m条件下采空区流场分布图,可以看到,风流自主进风巷和次进风巷流入后,随着沿空留巷流至回风巷,采空区内部的流场由于裂隙带高抽巷的存在,导致高抽巷范围内流线集中,大量瓦斯从高抽巷被抽出。

图5 不同位置高抽巷条件下采空区流场分布图

图5(b)与图5(c)所示分别为高抽巷位置为水平20 m、垂直40 m和水平30 m、垂直50 m联合埋管条件下采空区流场分布图,可以看到,风流自主进风巷和次进风巷流入后,随着沿空留巷流至回风巷,采空区内部的流场由于裂隙带高抽巷以及采空区埋管的存在,导致高抽巷与采空区埋管范围内流线集中,大量瓦斯从高抽巷及采空区埋管被抽出。

3.3 不同位置高抽巷不同抽采时间联合采空区埋管条件下沿空留巷采空区瓦斯浓度分布特征

图6(a)为高抽巷水平位置30 m、垂直位置35 m不同抽采时间下瓦斯分布规律,可以看出,当抽采时间50 d时,采空区瓦斯分布出现改变,沿空留巷上方的高抽巷开始对瓦斯分布产生影响,随着抽采时间的增加,高抽巷附近煤岩层内瓦斯浓度逐步降低,当抽采时间达到200 d时,可以明显看到瓦斯浓度下降,使区域瓦斯浓度达标。

图6 不同位置高抽巷不同抽采时间下采空区瓦斯分布图

图6(b)和图6(c)分别为高抽巷水平位置20 m、垂直位置40 m和水平位置30 m、垂直位置50 m联合采空区埋管不同抽采时间下瓦斯分布规律,可以看出,当抽采时间30 d时,采空区瓦斯分布出现改变,沿空留巷上方的高抽巷及采空区埋管开始对瓦斯分布产生影响,随着抽采时间的增加,高抽巷附近煤岩层内瓦斯浓度逐步降低,同时采空区内部瓦斯浓度也逐步降低,两种方式联合抽采可以明显使采空区瓦斯浓度下降,使区域瓦斯浓度达标。

模拟结果表明,采用高抽巷及采空区埋管方式对沿空留巷采空区及裂隙带瓦斯进行抽采,抽采效果更为明显;对比高抽巷不同位置下采空区瓦斯分布特征,水平位置对瓦斯抽采效果影响不大,高抽巷位置为水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m时,均比实际高抽巷位置抽采效果好,因此建议高抽巷垂直位置为40～55 m为宜。

4 现场实际效果考察

表1为U型和Y型通风方式下N1100工作面不同位置瓦斯浓度变化。由表1可以看出,改变通风方式后回风顺槽瓦斯浓度明显降低,上隅角瓦斯得到消除。

表1 U型和Y型通风方式下N1100工作面瓦斯浓度变化表

对两种通风方式下工作面柔模墙抽采量、高抽巷抽采量进行分析。如图7所示,工作面U型通风方式下采用采空区上隅角悬管抽采上隅角瓦斯,抽采纯量平均值为0.80 m3/min,Y型通风方式下采用柔模墙4英寸管抽采采空区瓦斯,抽采纯量平均值为0.56 m3/min,较U型通风方式减少0.14 m3/min,近似认为两种通风方式下采空区抽采纯量无变化;工作面U型通风方式下高抽巷抽采纯量18.73 m3/min,Y型通风方式下高抽巷抽采纯量23.54 m3/min,抽采纯量提升4.81 m3/min.

图7 N1100工作面高抽巷、采空区抽采量变化情况图

5 结 论

1) “两进一回”Y型通风系统采空区瓦斯浓度分布规律为：沿走向向采空区深部瓦斯浓度逐渐增大,沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大,靠近沿空留巷瓦斯浓度最大。“两进一回”Y型通风沿空留巷的末端是能位的最低点,漏风向沿空留巷末端流动。在风量分配合理的前提下,采空区瓦斯不会被带至工作面及上隅角,因此瓦斯不会在上隅角积聚,彻底解决了上隅角瓦斯超限问题。

2) 分别建立进风量在2 028 m3/min、2 328 m3/min、2 628 m3/min下的采空区瓦斯浓度分布数值模拟。对比分析可以发现,当进风量增大至2 328 m3/min时,工作面瓦斯浓度已经降低至安全作业浓度以下,结合经济效益判断,主进风巷道进风量应在2 328～2 628 m3/min.

3) 模拟结果表明,高抽巷联合采空区埋管治理瓦斯效果更好;高抽巷位置为水平20 m、垂直40 m 或水平30 m、垂直50 m时,均比实际高抽巷位置抽采效果好。结合现场实际考察效果Y型通风能够消除上隅角瓦斯,但高抽巷抽采效果并不是很好,因此建议高抽巷垂直位置为40～55 m为宜。