基于回采工作面流場分布的拖管抽采瓦斯參數模擬研究＊

孫曉元 王 川 孫英峰 邢云峰

（1.太原科技大學環境與安全學院，山西省太原市，030024；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；3.北京起重運輸機械設計研究院，北京市東城區，100007）

受地質構造、煤層賦存及采掘方式多方面因素的影響，回采工作面及采空區的瓦斯流場表現為明顯的不均衡性和多變性。這種特點在以較快開采速度和較高開采強度為特征的現代綜合機械化采煤工藝中體現的尤為突出。作為典型的高瓦斯且具有煤與瓦斯突出危險的礦井，華晉焦煤集團沙曲礦開采的4＃煤層瓦斯壓力為1.52～1.57 MPa，瓦斯含量為7.3～17.82m3／t。根據現場測定，煤層透氣性系數為1.577～3.999 m3／MPa2·d，衰減系數0.01～0.016 （100d-1），抽放難度較大。而傳統的埋管抽放方式受空間非連續性的限制，尚未達到理想的抽放效果。鑒于此，亟需采用拖管抽采技術來改進采空區抽放方法，并在對工作面和采空區瓦斯流分布特征進行準確的理論分析和數值模擬基礎上，確定最佳抽放點位置和合理抽放參數，為實際應用提供技術支持。

1 風流在采場中的運動模型

將風流從進入工作面進風巷，流經工作面 （部分漏風流經采空區），然后從回風巷排出的整個過程視為研究對象，該過程包括風流在自由空間中的湍流過程和多孔介質 （采空區）的快速流動過程，兩種過程所表現的流動方式不同，遵循的控制方程也有所差異。

1.1 風流在自由空間中的流動方程

由于巷道和工作面正常通風時其雷諾準數遠大于臨界雷諾數，因此國內外學者往往從Navierstokes方程出發來描述其物理性質。當風流為定常流動 （定常粘度、不可壓縮，即η，ρ=const）時，其平面二維動量表達式 （N-S方程）為：

式中：u——風流在自由空間中的速度矢量，m／s；

ρ——風流密度，kg／m3；

p——風流壓力，Pa；

ν——風流的運動粘度，m2／s；

f——單位質量風流的體積力，N／kg。

式中：η——風流的動力粘度，Pa·s。

由式 （2）和 （3）可以看出，定常流動N-S方程的因變量包括速度矢量u和壓力標量p，為討論方便，將其用下標 “ns”來表示。

1.2 風流在多孔介質中的流動方程

根據O 形圈理論，在距離工作面30m 范圍內的采空區裂隙較為發育，且此范圍內有較高速度的漏風流經過。實測表明，采空區內的風流基本上屬于介于N-S自由流動和Darcy滲流之間的快速過渡流動，因此，可以選用Brinkman方程對其進行描述：

式中：ε——多孔介質的孔隙率；

I——單位矢量；

F——流體阻力，N。

同樣，根據質量守恒方程可以得出：

式（5）和 （6）組成了風流在多孔介質中運移的控制方程，可以看出，Brinkman方程的因變量包括速度矢量u和壓力標量p，為討論方便，將其用下標 “br”來表示。

1.3 風流運動模型

通過上述分析可知，利用N-S方程和Brinkman方程可以較好描述風流在自由空間和多孔介質中的流動過程，因此可以將兩者聯合起來構建風流從進入進風巷道并流經工作面 （部分經過采空區）直至流出回風巷道的運動模型，如圖1所示。實際上，將控制方程 （2）、（3）、（5）和 （6）聯立起來即可對工作面及采空區的流動速度和壓力分布進行求解，但要注意邊界的連續性，即在漏風界面上存在uns=ubr和pns=pbr。

在進行理論分析和數值模擬時，需考慮采空區滲透率和孔隙率的分布問題，即受O 形圈影響不同的區域會有所差異。一般情況下，這些參數和碎脹性系數Kp（x，y）存在函數關系。而碎脹性系數的表達式為：

圖1 風流運動模型

式中：Kp，0——初次冒落的碎脹系數；

Kp，1——壓實后的碎脹系數；

a0、a1、ξ1 ——調整系數；

L——工作面長度，m。

2 瓦斯在采場中的運移模型

上述討論研究了風流在采場中的運動規律，然而往往更要關注的是瓦斯在采場中的運移特征。為此，將瓦斯在采空區的運移分為濃度擴散和對流運移兩個過程來進行討論，這是因為若單純考慮Fick擴散第二定律來描述平面二維尺度空間內的瓦斯非穩定流動場時，其方程表達式為：

式中：c——瓦斯濃度，mol／m3；

D——擴散系數。

顯然，式（8）是基于純濃度梯度 （即濃度為唯一驅動力）和質量守恒定理得到的。但對于所要重點研究的采空區上隅角及其附近裂隙較為發育的區域則有所不妥，這是因為該區域有較高速度的流體經過，瓦斯運移的驅動力還應包括通風對流；該區域的瓦斯是存在有源補充的，匯源項包括遺煤及深部采空區不斷向外涌出的瓦斯。因此，需要將式（8）加以完善，改寫為：

式中：θs——瓦斯瞬時比例系數；Ri——匯源項；

u1——瓦斯平均流速，m／s。

關于平均流速的計算模型，文獻采用Darcy方程來進行刻畫，鑒于本文研究區域的特殊性，故采用Brinkman方程來描述速度場分布，即聯立公式（5）、（7）和 （9）來探討采空區裂隙發育帶及上隅角附近的瓦斯運移規律。

3 瓦斯在抽放滲流場中的運移模型

在對瓦斯進行抽放時，其有效抽放影響范圍內瓦斯的流動滿足質量守恒方程：

式中：Q——單位體積煤巖體所含有的瓦斯量，

kg／t；

v1——鉆孔周邊的瓦斯滲流速度，m／s；ρ1——瓦斯密度，kg／m3。

顯然，單位體積煤巖體中的瓦斯含量應包括吸附瓦斯含量和游離瓦斯含量兩部分。其中吸附瓦斯含量由Langmiur等溫吸附方程求得：

式中：Qa——吸附瓦斯含量，kg／t；

p1——瓦斯壓力，MPa；

a——吸附常數，單位體積煤體的極限瓦斯吸附量，m3／t；

b——吸附常數，MPa-1；

ρ0——標準大氣壓下的瓦斯密度，kg／m3。

與之相對應的，若將瓦斯滲流視為理想氣體在不考慮吸附解吸的等溫過程時，游離瓦斯含量為：

式中：Qf——游離瓦斯含量，kg／t；

ε——多孔介質的孔隙率；

β——瓦斯氣體的壓縮因子，kg／m3·Pa。

顯然，存在公式：

假設瓦斯在煤層中的滲流模式為達西流動，并考慮Klinkenberg效應，則滲流的速度為：

式中：k——煤巖的滲透率，m2；

v1——滲流速度，m／s；

μ——瓦斯的動力粘度系數，Pa；

?p——壓力梯度；

m——Klinkenberg等效因子。若考慮等溫過程多孔介質孔隙率的變化：

式中：ζ——含瓦斯煤巖的體積應變。

將式 （11）～ （15）聯立可得瓦斯在抽放滲流場中運移的控制方程為：

4 數值模型及結果分析

通過上述分析，求得回采工作面風流與瓦斯的流場分布及抽放滲流場控制方程的解析解是十分困難的，這是因為這些方程絕大部分都含有一階或二階偏微分項。因此，可以專門采用基于偏微分方程的有限元求解平臺COMSOL Multiphysics多物理場耦合分析工具。

4.1 幾何模型

算例選用沙曲礦14205綜采工作面，工作面長度為158m，高度2.5m，進風巷和回風巷凈斷面尺寸為4m×2.5m，采空區冒落帶高度為8m，為模擬O形圈內的瓦斯運移規律，走向長度選為50m。

4.2 初始值和邊界條件

在14205綜采工作面正常回采期間的生產班和非生產班多次測定其進回風巷和工作面的風速、風量和瓦斯濃度等參數。通過統計分析，相關初始條件與其他邊界條件的取值：進風巷風速172m／min，進風巷風量1800m3／min，空氣密度1.29kg／m3，空氣動力粘度5×10-5Pa·s，瓦斯動力粘度1.34×10-5Pa·s，煤壁瓦斯涌出量34.21m3／min，落煤及遺煤瓦斯涌出量14.5m3／min，內部采空區瓦斯涌出量49.85m3／min，工作面、采空區初始氣體壓力0.1MPa，采空區初始瓦斯濃度3mol／m3，瓦斯分子擴散系數0.0756 m2／h，采空區初始碎脹系數1.5，抽放管路負壓2kPa。

圖2 風流在采空區和工作面運動模型的濃度分布云圖

4.3 模擬結果分析

單獨模擬風流在采空區和工作面運移時速度和濃度場分布，如圖2所示。其中在工作面運動方程采用N-S 方程，在采空區 （多孔介質）中采用Brinkman方程來刻畫速度場，將上述兩方程求得的速度場帶入空氣溶質的對流傳遞中，以實現方程的耦合。圖2中橫坐標代表模擬的不同時刻，從圖中可以看出，風流大部分經工作面由回風巷排出，少部分風流進入采空區。由于采空區各處碎脹性系數設置的不同，其滲透率也有所差異。風流在進入采空區后，受風流方向及滲透率的影響，采空區靠近進風巷及工作面的位置空氣濃度首先上升，原因是其區域位于O 形圈范圍內。而中部區域由于滲透率較低，其濃度比O 形圈內要低，見圖2 （c），但隨著時間步的推移，中部區域的濃度也逐漸上升，說明瓦斯也逐步流入此區域，見圖2 （d），并最終達到平衡。

圖3模擬的是未采取抽放措施時采空區和工作面的瓦斯體積分數分布云圖。其中瓦斯在采空區（多孔介質）的平移擴散時的速度場為Brinkman方程的模擬結果。由圖3可以看到，雖然在初始值設置的時候將采空區的瓦斯濃度預定為3mol／m3，并且有內部采空區和落煤 （遺煤）瓦斯的涌入，隨著時間的推移，采空區中高瓦斯濃度所占有的區域逐漸減小，并呈現出一定的規律性，即傾向方向上越接近進風巷瓦斯體積濃度越低，下降的速度越快，而越接近回風巷道瓦斯體積濃度越高，且濃度下降的速率越慢；走向方向上瓦斯體積濃度隨深度的增大而逐漸增加；垂向方向上隨高度的增大瓦斯體積濃度也在增大；采空區中部滲透率較低區域的瓦斯濃度下降速率小于O 形圈范圍，說明在裂隙發育帶的氣體流動速率較快。

圖3 未采取抽放措施時采空區及工作面的瓦斯體積濃度分布云圖

圖4顯示的是抽放前后采空區及工作面瓦斯體積分數與濃度等值面對比圖，這里采用了以縫代孔的方式來模擬抽放。通過分析可以發現，雖然單純利用通風可以降低采空區及工作面的瓦斯，但一方面降低的速率較慢，另一方面在上隅角附近尤其是“三角區”范圍內的瓦斯濃度依然較大，如圖4（b）所示，仍存在發生瓦斯事故的危險。因此，有必要采取抽放措施。圖4 （c）～4 （f）顯示了拖管抽放后的采空區及工作面瓦斯體積濃度等值面圖和分布云圖，對比圖3 （a）和圖3 （b），拖管抽放后上隅角瓦斯濃度迅速下降，抽放100000s后上隅角瓦斯濃度降為10.9%，其效果與未抽放1000000s時單純靠通風降低瓦斯的效果 （9.27%）基本相似，當拖管抽放1000000s時，上隅角附近的瓦斯濃度已降到了5.97%。經過模擬發現，隨著時間的推移，當拖管抽放時間達到2000000s時，上隅角的濃度降為0.9%，若能對上隅角進行適當的封堵，減小該區域的滲透率，將能進一步降低上隅角的瓦斯濃度并提高抽放效率。

圖4 拖管抽放前后等值面與瓦斯體積分數對比圖

圖5 拖管抽放深度及與回風巷外幫距離參數的確定

為了確定14205綜采工作面拖管的合理位置，需要對不同高度、深度及距回風巷外幫位置處的瓦斯抽放效果進行模擬。顯然，抽放管內的瓦斯濃度隨高度的增加而增大，這是由瓦斯的升浮彌散特性所決定的。由此，只需要根據現場實際情況將瓦斯抽放拖管的位置抬到工程允許的適合高度即可，這里將其確定為2.3m。圖5顯示的是不同抽采深度和距離外幫不同位置時，上隅角及抽放管內瓦斯濃度（抽放時間均為2000000s），上隅角的取樣位置選擇在采空區縱深1m、距離底板2.3m、距回風巷外幫0.3 m 處，抽放管的取樣位置選擇在抽放管內距離瓦斯流出點1 m 處。由圖5 （a）可以看出，隨著抽放管進入采空區深度的增加，拖管內的瓦斯濃度也在逐漸上升，但當拖管抽放口進入采空區深度過大時，其距離工作面較遠，上隅角位置的瓦斯濃度控制效果較差，從安全考慮，選擇進入采空區深度為15m 為宜；由圖5 （b）可以看出，由于采空區瓦斯流場分布的復雜性，抽放管并非越接近回風巷外幫越好，確定準則應綜合上隅角瓦斯濃度及拖管內瓦斯濃度綜合考量，經過分析，選擇在距離外幫1.5m 處為宜。

綜上所述，沙曲礦14205綜采工作面拖管抽采的合理抽放參數為抽放高度2.3m，拖管進入采空區深度15m，抽放位置距離回風巷外幫1.5m。

5 結論

（1）采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合分析工具可以合理準確的研究回采工作面與采空區的速度場和濃度場特征，同時也可利用該工具來對拖管抽采措施進行效果考察，從而為工程實踐提供了一定的參考依據。

（2）風流在自由空間內的運動規律遵循Navier-stokes方程，而在采空區O 形圈內遵循Brinkman方程。同樣，瓦斯在采空區內的速度場分布也符合Brinkman方程。風流和瓦斯氣體的混合過程為對流擴散和溶質傳遞過程，運用上述方程可以很好地刻畫工作面和采空區的流場分布規律。

（3）由于沙曲礦14205綜采工作面的特殊性，有必要采取拖管抽放措施。合理的抽放參數為抽放高度2.3m，拖管進入采空區深度15m，抽放位置距離回風巷外幫1.5m。

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