不同通風(fēng)方式下采空區(qū)風(fēng)流及瓦斯分布分析

申 龍

(汾西礦業(yè)集團(tuán)通風(fēng)處，山西 介休 032000)

1 工作面概況

礦井主采3號(hào)煤，絕對(duì)瓦斯涌出量為98.94 m3/min，鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井。該礦3304綜采工作面采用U型+L型通風(fēng)方式，其通風(fēng)系統(tǒng)圖見圖1。主進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量大約1 800 m3/min，輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量大約1 200 m3/min。實(shí)際情況在滯后工作面的橫川中添加風(fēng)筒供風(fēng)(900 m3/min)，以降低滯后橫川(滯后橫川)中的瓦斯?jié)舛龋?3041輔助進(jìn)風(fēng)巷和33042回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)橫川步距為80 m。

圖1 3304工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

3304工作面煤層厚度平均為4.69 m，采用一次采全高開采，頂板管理為全部垮落法，采面傾向長度220 m，煤層傾角較小，可近似看作水平煤層。

2 物理模型的建立、邊界條件及模擬參數(shù)的設(shè)定

2.1 物理模型的建立

為便于數(shù)值模擬，將3304工作面采空區(qū)的實(shí)際模型進(jìn)行簡化[1-2]，將采空區(qū)視為長方體，滯后橫川與工作面距離設(shè)定為40 m。

由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得知裂隙帶高度范圍為45.91 m～64.51 m，工作面煤層厚度為4.69 m，為便于網(wǎng)格劃分建立物理模型時(shí)取采空區(qū)高度為60 m，工作面高度為4.6 m。根據(jù)工作面實(shí)際情況，在靠近回風(fēng)側(cè)區(qū)域設(shè)置木垛。

物理模型的具體尺寸：采空區(qū)長、寬、高分別為300 m、220 m、60 m；工作面長、寬、高分別為220 m、5 m、4.6 m；進(jìn)(回)風(fēng)巷長、寬、高分別為30 m、5 m、4.6 m；滯后橫川長、寬、高分別為30 m、5 m、4.6 m，根據(jù)實(shí)際情況在靠近回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)區(qū)域設(shè)置木垛，木垛長、寬、高分別為300 m、2 m、4.6 m。

3304工作面設(shè)置有綜采支架，由于有、無支架兩種情況下采空區(qū)漏風(fēng)量、漏風(fēng)風(fēng)速分布有很大差別，為得到更加真實(shí)的采空區(qū)風(fēng)流及瓦斯分布規(guī)律，建立物理模型時(shí)需要設(shè)置綜采支架。在工作面及采空區(qū)交界處設(shè)置220組支架，每組支架寬0.9 m，支架與支架之間空隙為0.1 m。

2.2 邊界條件及模擬參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)3304工作面的實(shí)際參數(shù)及數(shù)值模擬的要求，將邊界條件及模擬參數(shù)設(shè)定為[3-5]。

回風(fēng)巷出口設(shè)定為壓力出口等，壓力值設(shè)定為0 Pa，U型+L型通風(fēng)方式的滯后橫川出口設(shè)定為壓力出口，現(xiàn)場實(shí)測(cè)滯后橫川與工作面距離為40 m時(shí)，滯后橫川與回風(fēng)巷之間的壓差為40 Pa，回風(fēng)巷出口壓力設(shè)定為0 Pa，滯后橫川出口壓力設(shè)定為-40 Pa。

3304工作面正?；夭善陂g絕對(duì)瓦斯涌出量取最大值27.6 m3/min，其中，采空區(qū)涌出的瓦斯所占比例為59.3%，涌出量為16.4 m3/min，工作面煤壁及落煤涌出的瓦斯比例為40.7%，涌出量為11.2 m3/min，考慮重力對(duì)氣體流動(dòng)的影響。

3 U型及U型+L型通風(fēng)方式下采空區(qū)風(fēng)流及瓦斯分布規(guī)律

3.1 采空區(qū)風(fēng)流分布規(guī)律

由于工作面兩端存在壓差且采空區(qū)是含有大量遺煤及冒落矸石的多孔介質(zhì)，因此，工作面的風(fēng)流在壓差作用下能夠漏入采空區(qū)[6]。通過Fluent數(shù)值模擬得到U型及U型+L型通風(fēng)方式下采空區(qū)的風(fēng)流流線，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)風(fēng)流流線圖

由圖2a)可知，U型通風(fēng)方式下工作面風(fēng)流主要從進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域流入采空區(qū)，一部分風(fēng)流流入采空區(qū)后沿工作面與采空區(qū)的交界面流向工作面，另一部分風(fēng)流流向采空區(qū)深部，攜帶采空區(qū)深部的瓦斯流向回風(fēng)側(cè)區(qū)域。

由圖2b)可知，U型+L型通風(fēng)方式下工作面風(fēng)流沿工作面與采空區(qū)整個(gè)交界面流入采空區(qū)，風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)后攜帶采空區(qū)的瓦斯流向滯后橫川。這是由于滯后橫川出口處的壓力比回風(fēng)巷出口處壓力要小，因此，流入采空區(qū)的風(fēng)流從滯后橫川排出，避免了U型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯隨風(fēng)流流向工作面的問題。

U型+L型通風(fēng)方式下，工作面與采空區(qū)交界面上工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流沿深入采空區(qū)方向的速度分布情況，如圖3所示。

圖3 U型+L型通風(fēng)方式下沿交界面漏風(fēng)速度分布圖

由圖3可見，U型+L型通風(fēng)方式下工作面漏風(fēng)主要集中在下隅角及上隅角處。正值代表風(fēng)流由工作面流入采空區(qū)，負(fù)值代表風(fēng)流由采空區(qū)流向工作面。由于在靠近回風(fēng)側(cè)區(qū)域有木垛支護(hù)，阻力較小，因此漏入采空區(qū)風(fēng)流速度較大。

經(jīng)計(jì)算，滯后橫川回風(fēng)量為603 m3/min，抽采瓦斯量為17.01 m3/min，加風(fēng)筒稀釋(900 m3/min)后，滯后橫川的瓦斯?jié)舛葹?.13%，符合《煤礦安全規(guī)程》中滯后橫川瓦斯?jié)舛炔荒艹^2.5%的規(guī)定。

3.2 采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律

1) 利用Fluent模擬得到的采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊夭煽諈^(qū)走向方向的分布情況，如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

由圖4a)、圖4b)可知，沿采空區(qū)走向方向，越往采空區(qū)深部瓦斯總體上是呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；U型通風(fēng)方式下在X=20 m附近采空區(qū)的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到10%，X=50 m附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到30%；U形+L型通風(fēng)方式下，深入采空區(qū)X=132 m附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%，深入采空區(qū)X=178 m附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到25%。U型通風(fēng)方式下靠近工作面區(qū)域的采空區(qū)瓦斯?jié)舛缺容^高，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，U型+L型通風(fēng)方式下，由于漏入采空區(qū)的風(fēng)流攜帶采空區(qū)的瓦斯從滯后橫川排出，大大降低了采空區(qū)的瓦斯?jié)舛取?/p>

2) 利用Fluent模擬得到的采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊夭煽諈^(qū)頂板方向的分布情況，如圖5及圖6所示。

圖5 U型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

圖6 U型+L型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

由圖5及圖6可知，采空區(qū)瓦斯在豎直方向上有明顯分層現(xiàn)象，底板附近瓦斯?jié)舛缺容^小，從采空區(qū)底部到頂部逐漸增大，頂板附近的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到90%以上。

觀察圖5a)、圖5b)、圖5c)，U型通風(fēng)方式下在Y=2 m、Y=50 m、Y=100 m 3個(gè)截面上，采空區(qū)底板附近瓦斯?jié)舛确謩e為30%、50%及70%，3個(gè)截面上Z=25 m附件處采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫堰_(dá)到90%；觀察圖6a)、圖6b)、圖6c)，U型+L型通風(fēng)方式下在Y=2 m，Y=50 m，Y=100 m 3個(gè)截面上，采空區(qū)底板附近瓦斯?jié)舛确謩e為1%、5%及10%，3個(gè)截面上在采空區(qū)頂板附近處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到90%。與U型通風(fēng)方式相比較，U型+L型通風(fēng)方式下采空區(qū)底板附近瓦斯?jié)舛纫秃芏唷?/p>

從進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流攜帶采空區(qū)瓦斯流向回風(fēng)側(cè)區(qū)域，使得沿工作面傾向方向，從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛戎饾u增大。

3) 工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植记闆r

工作面上隅角附近流體速度很慢，在其附近區(qū)域形成一個(gè)氣壓相對(duì)較低的中心，在工作面上隅角附近出現(xiàn)渦流，使得上隅角風(fēng)流難以進(jìn)入主風(fēng)流，瓦斯積聚在渦流區(qū)域(工作面上隅角)，出現(xiàn)上隅角瓦斯超限問題，因此，研究分析上隅角瓦斯?jié)舛确植加蟹浅Ｖ匾囊饬x。

本文通過Fluent數(shù)值模擬得到U型及U型+L型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植紙D，如圖7所示。

由圖7a)可知，U型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?0%，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定上隅角瓦斯?jié)舛炔坏贸^1%，U型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛葒?yán)重超過了規(guī)程的規(guī)定值。

在U型通風(fēng)系統(tǒng)中，流入工作面的風(fēng)流在壓差作用下，一部分直接從工作面流向回風(fēng)巷，另一部分從工作面中、下部進(jìn)入采空區(qū)，攜帶采空區(qū)的瓦斯回到工作面上部及上隅角，使得瓦斯積聚在工作面上隅角，出現(xiàn)上隅角瓦斯嚴(yán)重超限問題。

圖7 U型及U型+L型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植紙D

為保證3304工作面安全生產(chǎn)，采用U型+L型通風(fēng)方式解決了上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。由圖7b)可知，U型+L型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.34%，遠(yuǎn)低于規(guī)程的規(guī)定值，保證了3304工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文考慮能反映3304工作面煤巖冒落實(shí)際情況的滲透率分布，根據(jù)該工作面實(shí)際情況，利用Fluent軟件模擬了U型及U型+L型通風(fēng)方式下采空區(qū)風(fēng)流及瓦斯分布規(guī)律。通過分析得到以下結(jié)論。

1) U型通風(fēng)方式下工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流攜帶采空區(qū)瓦斯流向工作面，U型+L型通風(fēng)方式下漏入采空區(qū)的風(fēng)流攜帶其內(nèi)部的瓦斯通過滯后橫川排出，通過計(jì)算得到U型+L型通風(fēng)下，滯后橫川回風(fēng)量為603 m3/min，抽采瓦斯量為17 m3/min，加上風(fēng)筒稀釋后，滯后橫川的瓦斯?jié)舛葹?.13%，符合規(guī)程的規(guī)定值。

2) U型及U型+L型通風(fēng)方式下，沿采空區(qū)走向方向，越往采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛瓤傮w上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。U型通風(fēng)方式下，在X=20 m附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到10%，采空區(qū)高瓦斯?jié)舛瓤拷ぷ髅?，而U型+L型通風(fēng)方式下，深入采空區(qū)X=132 m附近瓦斯?jié)舛葍H達(dá)5%，大大降低了采空區(qū)同一位置處的瓦斯?jié)舛取?/p>

3) 采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊夭煽諈^(qū)頂板方向逐漸增大；U型通風(fēng)采空區(qū)底板附近的瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型+L型通風(fēng)底板附近的瓦斯?jié)舛?；U型通風(fēng)方式下在Z=25 m附近處采空區(qū)瓦斯?jié)舛染偷竭_(dá)90%，而U型+L型通風(fēng)在頂板附近處瓦斯?jié)舛炔胚_(dá)到90%。

4) 3304工作面采用U型+L型通風(fēng)方式的工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.34%，解決了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯超限問題。