基于FLUENT的“U+高抽巷”瓦斯運移規律數值模擬與布置的研究

劉成澤

(山西晉能集團,山西 盂縣 045100)

高抽巷在我國的很多高瓦斯礦井中得到了應用[1],具有抽放瓦斯成效顯著、抽采影響范圍大、使用時間長、便于維護和管理等優點[2],能夠有效的治理工作面上隅角和采空區內的瓦斯濃度超限等問題。

目前國內一些煤礦的工作面中使用“雙U型”通風方法,其中的專用排瓦斯巷可能存在巨大的安全隱患。這是因為礦井專用瓦斯排放巷無法控制巷道中的瓦斯濃度,可能會導致專用瓦斯排放巷中一直充斥著高濃度的瓦斯,一旦其內的瓦斯濃度超過規程規定的上限時,就會存在巨大的安全隱患[3]。而“單U+高抽巷”通風方式作為一種解決瓦斯超限和專用排瓦斯巷的問題,可以為這項問題的解決提供一個新的思路和方法。同時在工作面布置高抽巷,可以在高抽巷的層位布置、合理參數設定上提出方法,為提升高抽巷抽采瓦斯的效果提供科學的指導,為高抽巷的科學研究和探索奠定基礎。

1 工作面概況

某礦S1206工作面采用兩進兩回的“雙U型”通風方式,綜放工作面可采長度約1 386.7 m,走向長度2 144.6 m,工作面長約300 m,可采儲量316.8萬t,主采煤層為3號煤層,煤層平均厚度為6.4 m。工作面共布置4條巷道,分別為:進風順槽走向長1 253.6 m,膠帶順槽走向長1 245.9 m,回風順槽走向長1 174.9 m,瓦排巷走向長1 201.8 m。工作面標高+419.8 m～+550.7 m,工作面埋藏深度為359.8 m～+499.6 m。其中膠帶順槽為主要進風巷道,進風輔助巷為輔助進風巷道,回風順槽和瓦斯排放巷回風。在回風順槽與瓦斯排放巷之間每隔50 m設置一個橫貫,當工作面推進到下一個橫貫時,將這個橫貫打通,并封閉上一個橫貫。

2 高抽巷布置層位選取

礦井進行綜放開采時,上覆巖層會因應力的作用而失去原有的平衡,形成新的應力平衡狀態[4],在垂直方向上采空區覆巖自上而下形成彎曲下沉帶、斷裂帶和垮落帶,沿水平方向形成煤壁支撐影響區、巖層離層區和重新壓實區[5],采空區上覆巖層區帶劃分圖,見圖1。

圖1 采空區上覆巖層區帶劃分圖Fig.1 Division of overlying strata in goaf

采空區上部直接頂垮落形成冒落帶[6],由于垮落比較完全,垮落巖體自然堆積起來,內部形成大量孔隙通道,氣體通透性較好,容易形成采空區漏風,結構不穩定。

當偽頂和直接頂相繼垮落后,基本頂板巖層在連續性力的作用下開始垮落,老頂受巖層拉應力和自身重力的作用下,開始發生變形和彎曲所產生的的裂隙會與采空區貫通形成斷裂帶。在斷裂帶內裂隙之間間隔較大,空氣連通性也很高,導氣性良好,利于瓦斯等氣體的運移,結構相對穩定。因此,此帶是布置頂板高抽巷的最佳場所[7]。

彎曲帶由于層與層之間整體性和結構保持穩定,所以連通性和透氣性都比較差。巖層只會發生微小的形變,巖層的層理性保持的相對較好,不容易產生裂隙,所以其對瓦斯等氣體的運移影響很小。

根據覆巖裂隙變化規律及礦井實際情況,利用經驗公式計算三帶高度[8]及高抽巷布置的最佳水平位置[9]。根據計算結果可知,高抽巷布置的垂直范圍是28 m ～68 m,最佳水平范圍是17 m ～52 m。所以在利用Fluent模擬確定布置高抽巷的最佳位置時,選取垂直位置為38 m、48 m和58 m,水平位置分別為27 m、36 m和45 m。高抽巷布置層位方案如表1所示。

表1 高抽巷布置層位方案表Table 1 Layout plan of high-level drainage roadway

3 數值模型的建立

1)質量守恒方程

采空區內瓦斯流動適用于質量守恒定律。其方程為:

(1)

引用散度符號:

div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z上式可以表示為:

(2)

式(1)、式(2)中:t為時間;U為速度矢量;ρ為流體的密度;u、ν和w為流體流速在x、y和z方向上的分量。

2)動量守恒方程

經過對相關試驗的結果分析,可以得出動量方程中壓力和速度之間存在耦合關系。簡化動量方程,可以得到適用性很強的簡化模型:指數模型和二項式模型。其表達式為:

(3)

(4)

式中:Jx為方向的壓力梯度;Kx為方向的滲透系數,其中ax是在x方向上的粘性阻力系數,bx是在x方向上的慣性阻力系數。

3)能量守恒方程

在對于流體能量守恒的研究中,一般不考慮流體動能和勢能的變化,只研究流體內能的能量守恒。因此,研究內能時,由于內能i與溫度T有關,即i=cpT,其中cp為物體的比熱容。所以,以溫度為變量,建立能量方程:

(5)

式中:k為流體的傳熱系數;ST為粘性耗散項。

4 模型主要參數及邊界條件的設定

4.1 孔隙率

礦井采空區各區帶的孔隙率一般用各巖層碎脹系數來求得,如下公式:

(6)

式中:n為孔隙率;Kp為碎脹系數。

4.2 粘性阻力系數

粘性阻力系數為滲透系數的倒數,即:

(7)

式中:R為粘性阻力系數;K為滲透系數。

4.3 瓦斯源項

根據礦井瓦斯實測涌出數據,冒落帶瓦斯源項為5.63e-8kg/(m3·s);裂隙帶瓦斯源項為1.12e-8kg/(m3·s);煤壁與落煤瓦斯源項為1.5e-5kg/(m3·s)。

自然堆積區瓦斯源項為3.69e-9kg/(m3·s); 載荷影響區瓦斯源項為1.57e-8kg/(m3·s); 壓實穩定區瓦斯源項為3.71e-8kg/(m3·s)。

4.4 其他邊界條件

設置進風巷道進口為速度入口,風量為3 300 m3/min,湍動能為0.033 5,湍流耗散率為0.002 9;設置回風巷出口為自由出口,壓差為-130 Pa,高抽巷出口為壓力出口,抽采負壓為-1 300 Pa;進風巷內空氣由氮氣和氧氣組成。

5 數值模擬分析

根據表1的幾組方案對各層位下高抽巷抽采瓦斯效果進行數值模擬分析,利用Fluent軟件進行模擬。首先得出方案一、二、三的數值模擬結果，見圖2-圖4。

通過對各圖的對比分析,可以得出各水平位置下各觀測點的瓦斯濃度變化曲線圖,見圖5-圖6。

圖2 垂高為48 m,平距27 m時采空區瓦斯濃度分布及工作面上隅角瓦斯濃度分布圖Fig.2 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48m and horizontal distance of 27m)

圖3 垂高為48m,平距36m時采空區瓦斯濃度分布及工作面上隅角瓦斯濃度分布圖Fig.3 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48m and horizontal distance of 36m)

圖4 垂高為48 m,平距45 m時采空區瓦斯濃度分布及工作面上隅角瓦斯濃度分布圖Fig.4 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the vertical height of 48 m and horizontal distance of 45 m)

圖5 不同平距下高抽巷抽采瓦斯濃度變化趨勢曲線圖Fig.5 Variation of gas concentration of high-level drainage roadway at different horizontal distances

圖6 不同平距下上隅角瓦斯濃度變化趨勢曲線圖Fig.6 Variation of gas concentration of the upper corner at different horizontal distances

從瓦斯濃度變化曲線圖表中可以看出,當高抽巷垂直距離一定,水平距離分別為27 m、36 m、45 m時,高抽巷口瓦斯濃度呈先上升后下降的趨勢,抽采瓦斯濃度在36 m處最大。這表明距離回風巷水平距離為27 m時,由于距離回風巷過近,受高抽巷抽采負壓的影響,回風巷的部分風流會流向高抽巷,從而降低了高抽巷抽采瓦斯效率,同時,高抽巷距離回風巷過近會導致其抽采高濃度的瓦斯范圍有限;當水平距離為36 m時,高抽巷抽采瓦斯濃度增大,這表明在此水平位置處,高抽巷能抽采到大范圍內的高濃度瓦斯;當水平距離為45 m時,高抽巷抽采瓦斯濃度逐漸減少,表明當水平距離逐漸增大時,高抽巷所能抽采的高濃度瓦斯范圍在減小。而當水平距離從27 m到45 m變化時,工作面上隅角瓦斯濃度在逐漸增大,這說明高抽巷距離回風巷水平距離越遠,其對工作面上隅角的抽采影響越小。并且不同的水平距離下,工作面上隅角瓦斯濃度相差不是很大,這說明不同的水平距離的變化對于工作面上隅角的瓦斯濃度影響較小。

從瓦斯濃度變化曲線圖表中可以看出,當高抽巷垂直距離一定,水平距離分別為27 m、36 m和45 m時,高抽巷口瓦斯濃度呈先上升后下降的趨勢,抽采瓦斯濃度在36 m處最大。這表明距離回風巷水平距離為27 m時,由于距離回風巷過近,受高抽巷抽采負壓的影響,回風巷的部分風流會流向高抽巷,從而降低了高抽巷抽采瓦斯效率,同時,高抽巷距離回風巷過近會導致其抽采高濃度的瓦斯范圍有限;當水平距離為36 m時,高抽巷抽采瓦斯濃度增大,這表明在此水平位置處,高抽巷能抽采到大范圍內的高濃度瓦斯;當水平距離為45 m時,高抽巷抽采瓦斯濃度逐漸減少,表明當水平距離逐漸增大時,高抽巷所能抽采的高濃度瓦斯范圍在減小。而當水平距離從27 m到45 m變化時,工作面上隅角瓦斯濃度在逐漸增大,這說明高抽巷距離回風巷水平距離越遠,其對工作面上隅角的抽采影響越小。并且不同的水平距離下,工作面上隅角瓦斯濃度相差不是很大,這說明不同的水平距離的變化對于工作面上隅角的瓦斯濃度影響較小。

通過表中分析可知,高抽巷距回風巷水平距離為36 m時,其所能抽采的瓦斯濃度最大,工作面上隅角瓦斯濃度為0.67%,符合《煤礦安全規程》規定的不高于1%的要求。因此,選取36 m為距離回風巷的水平距離是合理的。

對方案四、五進行數值模擬,結果見圖7- 8所示。

圖7 平距36 m,垂高38 m時采空區瓦斯濃度分布及工作面上隅角瓦斯濃度分布圖Fig.7 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the horizontal distance of 36m and vertical height of 38 m)

圖8 平距36 m,垂高58 m時采空區瓦斯濃度分布及工作面上隅角瓦斯濃度分布圖Fig.8 Gas concentration distribution in goaf and upper corner (at the horizontal distance of 36m and vertical height of 58 m)

通過對各圖的對比分析,可以得出不同水平位置下各觀測點的瓦斯濃度變化曲線圖,見圖9、圖10。

圖9 不同垂距下采空區瓦斯濃度變化趨勢曲線圖Fig.9 Variation of gas concentration of goaf at different vertical distances

圖10 不同垂距下上隅角瓦斯濃度變化趨勢曲線圖Fig.10 Variation of gas concentration of upper corner at different vertical distances

從不同垂直位置時各觀測點的瓦斯濃度數據歸納而來的表中可以看出,隨著垂直位置的增加,高抽巷抽采瓦斯濃度呈先增大后減少趨勢,這是因為在垂高38 m處于采動裂隙帶的下部,能抽采裂隙帶高位置處內的瓦斯較少,因為與工作面的距離較近,能抽采的工作面瓦斯相對較多,但是此位置距離回風巷比較近,容易導致回風巷漏風從而降高抽巷抽采瓦斯的濃度和純量;而在垂高48 m處,高抽巷抽采居于裂隙帶的中部位置,能夠有效地抽采裂隙帶內的瓦斯,故此位置高抽巷抽采瓦斯純量最大,故瓦斯抽采純量較其他層位相對較大,而此位置對于回風巷的漏風影響就相對較小。在垂高為58 m時,此位置距離工作面比較遠,處于裂隙帶的上部,雖然由于瓦斯的密度較小,會產生上浮效應,能夠有效抽采采空區上浮瓦斯,但是距離工作面較遠,同時,這兩個層位距離采空區底板高度很高,隨著高度的增加,瓦斯向上流動的阻力會加大,導致高抽巷抽采采空區瓦斯的難度加大,所以能夠抽采的瓦斯濃度相比上一個層位時,會越來越小,抽采瓦斯純量也越來越小,采空區內部的瓦斯濃度會很大,從而可能導致采空區自然發火的可能性變大。而布置于垂高58m高抽巷,工作面上隅角瓦斯濃度較大,但是依然處于1%的范圍之內。

綜上所述,當高抽巷距底板垂直高度為48m時,高抽巷抽采瓦斯濃度最高,抽采瓦斯純量最高,同時在高抽巷的作用下工作面上隅角瓦斯濃度為0.68%,符合《煤礦安全規程》中規定的上隅角瓦斯濃度低于1%的要求。所以結合這些方面的情況,將距離采空區垂直高度為48 m時的高抽巷的層位是合理的。

6 結論

1)通過對比高抽巷在不同層位下抽采瓦斯濃度及工作面上隅角瓦斯濃度的效果可知,選取高抽巷在水平距離為36 m,垂直高度48 m時效果是最佳的。

2)根據相關法規的規定,對礦井現有通風系統巷道的布置措施進行更改,采用“U+高抽巷”替代“雙U型”通風方式,通過數值模擬可以驗證這項方案的合理性,證明了高抽巷可以有效解決工作面及采空瓦斯超限問題,從而驗證“U+高抽巷”替代“雙U型”通風方式的合理性。