复杂地质条件下井下巷道瓦斯运移规律研究

胡月强 周耀

摘 要： 煤与瓦斯突出发生使得短时间大量煤与瓦斯涌入采场空间，在复杂巷道内运移，直接摧毁巷道设施、矿井通风系统，引起瓦斯爆炸事故。研究瓦斯在巷道内的传播扩散规律，构建了突出瓦斯气体释放模型，借助Fluent数值模拟对突出瓦斯气体传播扩散过程进行模拟。结果表明，无风状态下的突出瓦斯表现为子口扩散运移方式，有风状态下表现为对流-扩散运移动，突出冲击波超压峰值与瓦斯压力成正比，在巷道内的传播速度明显大于空气声速，瓦斯运移速度小于冲击气流在巷道内传播速度，突出瓦斯压力越大，复杂巷道内传播速度越大，随着传播距离增大，突出冲击波超压峰值不断衰减。

关键词： 煤矿开采；高压瓦斯；冲击气流；运移规律

中图分类号： TD82;TQ53

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0146-03

Study on the gas transport law of underground roadway under complex geological conditions

HU Yueqiang，ZHOU Yao

（ Henan Institute of Geophysics Spatial Information Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：  The occurrence of coal and gas outburst makes a large amount of coal and gas pour into theope space in a short time，moving in the complex roadway，directly destroying the roadway facilities and mine ventilation system，causing gas explosion accidents.This paper studies the law of gas propagation and diffusion in the roadway， constructs the model of outburst gas release，and simulates the process of outburst gas propagation and diffusion with  the help of Fluent.The results show that the outburst gas in the  condition of no wind is characterized by sub-outlet diffusion，while in the condition of wind it is characterized by convection-diffusion.The peak overpressure of outburst shock wave is proportional to the gas pressure;the propagation velocity in the roadway is obviously higher than the sound velocity of the air， and the gas migration velocity is lower than the propagation velocity of the impact gas in the roadway;the overpressure peak of the protruding shock wave is constantly decaying.

Key words： coal mining;high pressure gas;impact flow;migration law

目前，在瓦斯災害治理工作中，采用井下顺层钻孔、穿层钻孔由于施工简便，安全系数高而得到广泛的推广应用[1]。针对煤层受力变形下的煤体孔隙体积变化，煤层渗透率变化[2]。通过建立不同的渗透率理论模型[3]，针对抽采煤层渗透率受外界载荷的影响，分析基质收缩效应下对渗透率的影响[4]。上述模型更多的是基于均压载荷作用下的研究，而实际煤矿顺层钻孔抽采瓦斯中，更多的是变载荷作用的情形。一些研究针对煤层内多组分其他运移现象进行了研究，由混合其他域煤层相互作用角度，建立抽采瓦斯抽采理论模型，但在现场应用中，对抽采过程低浓度瓦斯现象仍缺乏合理解释，使得顺层抽采钻孔设计易出现高估抽采效果问题。基于此，针对煤与瓦斯突出状态下在复杂巷道内的运移规律进行分析研究，获得突出瓦斯气体传播扩散规律，指导实践生产作业。

1 数值模拟计算模型

1.1 突出瓦斯气流运移模型构建

[JP4]为了解高压瓦斯气体在复杂地质条件下形成的冲击气流的传播扩散规律，建立突出冲击气流几何模型[5]。

模型由压力腔体和巷道网络部分。压力腔体为一个内径300 mm，长450 mm的圆柱体，用来模拟不同装煤量试验，在主巷道内设置测点1、2、3，在进风巷道设置测点4，在回风巷道设置测点五。各监测点的坐标分别为：测点1（2.68，0），测点2（8.66，0），测点3（15.84，0），测点4（16.74，0.28），测点5（18.89，-0.62）。

1.2 网格划分

煤与瓦斯突出发生时，粉煤与瓦斯涌入巷道形成两相流动，同时瓦斯受到煤粉的解析作用，传统多相流模型难以对该类解析动作进行模拟

[6]。因此，认为瓦斯压力是影响突出气流的主要因素，根据假设条件，突出临界状态下巷道前方为高压瓦斯区，巷道内内空气压力为标准大气压，突出区瓦斯处于静止态。

模型包括入口边界、出口边界、突出口边界、壁面边界4类。本次模拟进行2个阶段进行：（1）突出发生前巷道内风流流动稳态模拟。此阶段风流在风机作用下流动，进风巷道为压力入口边界，回风巷道为压力出口边界，与大气相通；（2）突出发生后瓦斯气体的运移过程。此时突出口边界为壁面边界。

1.3 突出瓦斯气流的控制方程

Warren和Ｒoot提出各向同性的双孔模型描述瓦斯在基质内运移过程[7]。根据瓦斯在基质内运移速度快慢，分为在节理中的Darcy对流方程，在基质内Fick扩散方程，瓦斯在二者间的节理和基质内的质量传输方程表示为[8]：

M n  t +SymbolQC@

（υ n·ρ n）－SymbolQC@

（D n·SymbolQC@

M n）=Q s   （1）

式中： Q s气体源；M n 为煤层内其他质量； υ n 为气体运动速度； D n 扩散系数； ρ n 气体密度； t 为抽采时间。当忽略媒粉抛析和持续解析的影响，任意时刻下煤层瓦斯运移空间的瓦斯质量可表示为：

M ml=ρ gnφ f   （2）

式中： M ml 为煤层内瓦斯质量； ρ gn 为基质内气体密度； φ m 为基质孔隙度。煤作为一种复杂的多孔介质体，考虑混合气体对瓦斯运移的影响，确定煤层渗透率公式为：

φ m=α+（φ m0－α）   （3）

exp ［ 1 K （ 1 K + b 0 a 0K f ）－1（ε v－ε v0－ε s－ε s0）］   （4）

式中： φ m0 为初始状态下基质孔隙率； ε v 为单元体积变形； ε s 为基质瓦斯吸附应变。

2 数值模拟结果分析

2.1 突出前巷道内风流分布特征

模型压力入口边界设置在风机位置，压力出口边界设置在回风巷道，突出口设为壁面边界，获得突出前巷道内风流流动稳态模拟如图1。

由图1可以看出，突出前，风流由風机作用进入进风巷道，经回风巷道后返回到大气中，此时进风巷风速约0.5 m/s，回风巷中风速同样保持在0.5 m/s，进风巷和回风巷风速保持一致。突出巷道此时作为一个独头巷道，稳定后的风速约0 m/s。在分岔口回风巷一侧，风速受巷道拐弯地形的限制，形成湍流区，风速分布极为混乱，风流静压下降明显。

2.2 泄压后突出冲击波传播特征规律

为获得不同瓦斯压力下复杂巷道内突出冲击波的传播规律，选取0.2、0.4、0.6 MPa瓦斯压力进行数值计算。图2为3个梯度瓦斯压力条件下监测点1、监测点2、监测点3处突出冲击波压力变化曲线。

从图2可以看出，瓦斯压力相同时，沿着巷道侧，突出冲击波的传播不断衰减；瓦斯压力越大，超压峰值越大。高压瓦斯急剧膨胀形成突出冲击波到达监测点1处，超压瞬间升高后马上衰减到0以下，随着突出的持续推进，测点超压最终与大气压相等，瓦斯压越大，超压峰也越大。测点1、测点2和测点3超压变化基本相同，这是由于突出打开瞬间，前提内高压瓦斯泄压急剧膨胀并压缩巷道静态空气形成压缩波，由前后压缩波相互叠加形成冲击波。

通过软件拟合得到压力曲线上峰值与时间的关系曲线，利用监测点间的距离与2个压力峰值之间的差计算突出冲击波在测点间的平均速度如表1。

由表1可以看出，突出冲击波在巷道内传播速度明显大于空气传播速度，且瓦斯压力越大，传播速度越大，不同瓦斯压力下的冲击波能量衰减显著。

2.3 泄压后瓦斯气体运移扩散规律

以0.4 MPa瓦斯压力为例，分别对布置在巷道的5个监测点位置的瓦斯浓度分布情况进行分析；图3为巷道内各测点瓦斯浓度变化规律。

从图3可以看出，监测点1的瓦斯浓度波动最大，瓦斯浓度开始急剧上升后迅速下降，当达到一定定值后，衰减速度减缓，表明突出发生时，在突出口附近，驱替运移占主要地位，当速度衰减到一定值后，以自由扩散为主。监测点2和监测点3的瓦斯浓度峰值较小，波动较为平缓，这是由于测点距突出口较远，突出瓦斯以自由扩散为主。

图4为瓦斯浓度在进风巷道内与回风巷道内的变化规律。

从图4可以看出，进风巷道内瓦斯浓度波动较小，产生的峰值极低，突出瓦斯并未进入进风通道，这是由于受限于突出腔体体积，突出瓦斯并未扩散到整个巷道空间内，当突出瓦斯由监测点1扩散到监测点2时，运移速度已经衰减到零，此时主巷道内突出瓦斯的运移方式以自由扩散为主。进风通道由于风机风压的影响，对瓦斯自由扩散起到一定限制作用，使得回风巷道内侧峰值较小。当突出瓦斯扩散至分岔处，进风巷道进来的风流与瓦斯团形成撞击，在该撞击作用下，突出瓦斯随气流以对分子扩散和对流运移方式运动。

3 结语

（1）突出冲击波超压峰值与瓦斯压力成正比，在巷道内的传播速度明显大于空气声速，且瓦斯压力越大，复杂巷道内传播速度越大，随着传播距离增大，突出冲击波超压峰值不断衰减；

（2）无风状态下的突出瓦斯表现为子口扩散运移方式，有风状态下表现为对流-扩散运移动，突出发生后，突出口附近驱替迁移运动明显，突出瓦斯运移速度小于冲击气流在巷道内传播速度。

【参考文献】

[1]  常海雷，刘彦青，张浪，等.“U+I”型通风形式下综放工作面采空区遗煤及支架上方煤壁瓦斯放散与运移规律研究[J].矿业安全与环保，2017，44（2）：39-44.

[2] 罗振敏，郝苗.采空区瓦斯运移规律实验及数值模拟[J].西安科技大学学报，2020，40（1）：31-39.

[3]  孙振军.基于FLAC和Fluent数值模拟的煤层瓦斯运移规律研究[J].能源与环保，2019，41（10）：30-32.

[4] 王文卫.钻孔预抽煤层瓦斯运移规律研究[J].能源与环保，2019，41（9）：25-27.

[5]  唐建平，孙东玲，武文宾.注水煤层瓦斯运移规律研究现状与发展方向[J].煤矿安全，2018，49（5）：175-177.

[6] 张建山.瓦斯运移规律气固耦合数值模拟研究[J].煤矿现代化，2019（3）：109-112.

[7]  许江，苏小鹏，彭守建，等.卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验[J].岩土力学，2018，39（1）：103-111.

[8] 蒋金泉，王普，郑朋强，等.高位硬厚岩层下采动裂隙和支承应力演化特征及其对瓦斯运移的影响[J].采矿与安全工程学报，2017，34（4）：624-631.