傾斜采面煤壁涌出瓦斯分布的數值模擬及分析

付志剛

(山西晉煤集團 澤州天安瑞旺煤業有限公司，山西 晉城 048000)

國內煤礦工作面的通風方式普遍使用“U”型通風，針對工作面的瓦斯涌出規律也做了諸多研究，但是專門針對不同傾斜角度的工作面在不同風速情況下的瓦斯涌出規律研究較少。本文將結合模擬工具開展此方面的研究，以掌握傾斜巷道中的風流流場、流場中的瓦斯分布和瓦斯積聚的一般規律，為更好地采取有效的針對性綜合措施、防止和控制瓦斯災害的發生提供理論依據，對于有效控制礦井采區瓦斯、防止瓦斯積聚、預防瓦斯爆炸事故發生、確保礦井安全生產具有重要的現實意義。

1 模型建立

1.1 模擬巷道的物理模型

模擬工作面長120 m(見圖1中Z)，工作面斷面為梯形：上寬3 m，下寬4 m(見圖1中X)，高3 m(見圖1中Y)。假設煤壁均勻涌出瓦斯，進風巷、回風巷斷面為4 m×3 m，為使進入和流出工作面巷道的風流達到充分發展的狀態，需要設置一定的距離[1-2]。根據河南理工大學高建良和王春霞等人的研究，根據風流的速度分布，要求流動充分發展前的長度為30～60倍管道直徑。通過理論計算分析，合理設置模擬巷道長度為30 m。巷道傾角分12°和30°兩種情況進行研究。

圖1 巷道物理幾何模型

1.2 局部加密網格的劃分

將近煤壁0.01 m區域設置為源項區域，巷道斷面按照雙向連續1.1倍等比劃分不均勻網格，這樣劃分網格，在近壁面首層網格間距不到0.03 m，就解決了近壁面流場變化大，需要加密網格的問題。進回風上、下隅角區域由于風流方向發生改變，紊流程度高，同樣也需要加密網格，將其沿Z方向網格間距劃分為0.2 m，其余煤壁正對巷道空間以及進回風巷，都沿巷道方向劃分間距1 m，整個計算區域劃分了191 456個節點，這樣劃分網格既解決了局部需要加密的要求，又做到了不增加網格數目[3-5]。通過cooper格式，劃分0.2 m均勻間距網格時的網格劃分情況進行比較。在均勻劃分0.2 m間距網格時，整個計算區域劃分了265 829個節點，比用局部加密的方法多出了74 373個節點，不僅增加了工作量，且在近煤壁處由于網格間距過大，不能反映出真實流場和瓦斯場的分布情況。

2 風速不同對上下行通風工作面煤壁涌出瓦斯分布的影響

2.1 模擬方案

模擬過程設計三種模擬方案：方案一：工作面傾斜角度為12°，平均風速1.5 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯平均濃度為0.4%；方案二：工作面傾斜角度為12°，平均風速1.0 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯平均濃度為0.6%；方案三：工作面傾斜角度為12°，平均風速0.5 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯平均濃度為1.2%。

2.2 模擬結果分析

工作面傾角為12°時，當進風巷平均風速1 m/s，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時，距煤壁1.5 m沿z軸剖面在上下行通風條件下瓦斯分布規律如圖2和圖3所示。巷道中近頂板瓦斯濃度較高，底板處瓦斯濃度較低；上行通風方式下，高瓦斯積聚層(瓦斯濃度>0.1%)的長度比下行通風方式下高瓦斯積聚層的長度要長。

圖2 瓦斯濃度分布(上行通風12°，進口風速1 m/s，X=2.5 m)

圖3 瓦斯濃度分布(下行通風12°，進口風速1 m/s，X=2.5 m)

Z=60 m處巷道斷面瓦斯分布規律如圖4所示。

圖4 瓦斯濃度分布

由圖4可以看出，從煤壁涌出的瓦斯由于密度比空氣輕，沿著煤壁自然上浮，在頂板積聚，并沿頂板向采空區方向流動，且向底板方向擴散；瓦斯出現分層現象，瓦斯濃度由頂板到底板逐漸減小，離煤壁越遠，瓦斯濃度越低；還可以看出，采用上行通風方式巷道中的高瓦斯區域(瓦斯濃度>0.8%)比下行通風方式大。

當進風巷平均風速為1.5 m/s時，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時，采用上、下行通風，Z=60 m巷道斷面瓦斯分布規律如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著風速的增大，巷道斷面的平均瓦斯濃度在減小，瓦斯在頂板積聚的長度變短，說明提高風速有利于吹散在頂板積聚的瓦斯層；在提高風速的情況下，采用上、下行通風，瓦斯在巷道斷面有著相似的分布規律，但采用上行通風方式，巷道中的高瓦斯區域(瓦斯濃度>0.8%)仍然要比采用下行通風方式大。

圖5 瓦斯濃度分布

當進風巷風速為0.5 m/s時，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時，采用上、下行通風，Z=60 m巷道斷面瓦斯分布規律如圖6所示。

圖6 瓦斯濃度分布

這時回風巷濃度高達1.2%。由圖6可以看出，采用上行通風方式巷道中的高瓦斯區比下行通風方式巷道中的高瓦斯區要小。且明顯可以看出，在同一斷面(Z=60 m)的平均瓦斯濃度，采用下行通風方式比上行通風方式下的平均瓦斯濃度要高。在下行通風方式下，巷道流場進行分析，進風側巷道斷面Y=2.9 m局部風流流線如圖7所示。

圖7 局部風流流線(下行通風12°，進口風速0.5 m/s，Y=2.9 m)

由圖7可以看出，在進風巷平均風速為0.5 m/s時，由煤壁涌出的瓦斯在距離進風巷10 m附近巷道頂板發生了逆流現象。由圖還可以看出距離煤壁越近，逆流現象更明顯。

3 不同傾角對上、下行通風工作面煤壁涌出瓦斯分布的影響

模擬實驗分四種情況進行。第一種情況，上行通風方式，巷道傾角30°，進口巷平均風速1 m/s，瓦斯涌出流量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯濃度為0.6 %；第二種情況，下行通風方式，巷道傾角12°，進風巷平均風速1 m/s，瓦斯涌出量為 0.1 m3/s，回風巷瓦斯濃度為0.6%；第三種情況，上行通風方式，巷道傾角12°；進口巷平均風速1 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯濃度為0.6%；第四種情況，下行通風方式，巷道傾角30°，進口巷平均風速1 m/s，瓦斯涌出流量為0.1 m3/s，回風巷瓦斯濃度為0.6%。四種情況下Z=60 m處巷道斷面瓦斯分布規律如圖8所示。

圖8 不同傾角下上下行通風瓦斯濃度分布

由圖8可以看出，采用上行通風方式，巷道中的高瓦斯區(瓦斯濃度>0.8%)比下行通風方式巷道中的高瓦斯區要大得多；由圖8(a)和圖8(b)比較可以發現，在上行通風方式下，傾角越大，頂板瓦斯濃度就越高，高瓦斯區域就越大；由圖8(c)和圖8(d)比較可以發現，下行通風方式下，傾角越大，頂板瓦斯濃度越低，高瓦斯區域就越小。

4 結 語

1) 無論上行還是下行通風，工作面的瓦斯濃度總是沿著風流方向逐漸增大，直至回風巷口達到穩定；且巷道中近頂板瓦斯濃度較高，底板處瓦斯濃度較低。

2) 在正常情況下，在進風巷平均風速相同、煤壁涌出瓦斯量相同時，采用上行通風方式巷道中的高瓦斯區(瓦斯濃度>0.8%)比下行通風方式巷道中的高瓦斯區要大。在某些非正常情況下，導致進風巷平均速度過低時，采用下行通風方式會產生逆流現象。

3) 在上行通風方式下，傾角越大，頂板瓦斯濃度就越高，高瓦斯區域就越大；下行通風方式下，傾角越大，頂板瓦斯濃度就越低，高瓦斯區域就越小。