采空區瓦斯涌出動態變化規律數值模擬*

趙 林，董子文，楊子劍，鄒 治，孟麗萍，柳勁甫

(1.內蒙古平莊能源股份有限公司，內蒙古 赤峰 024076；2.湖南工學院安全與環境學院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

綜放工作面的瓦斯來源一般包括新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空區向工作面通風空間的涌出等；采空區的瓦斯涌出主要包括在漏風影響下采空區遺煤的涌出，鄰近層的涌出，對于厚煤層分層開采還有底分層的涌出等。影響采空區瓦斯涌出因素諸多，如煤階、地質構造、含量、開采順序與速度、采煤方法及工作面布置、頂底板特征及其受采動影響的規律、通風方式與風量等[1-4]。

除瓦斯抽采措施外，工作面瓦斯的稀釋功能主要依靠通風完成，而風流不但可以稀釋工作面的瓦斯也能誘導相關區域瓦斯向工作面涌入，因此風流對工作面瓦斯的稀釋作用不能用簡單的增加風量線性、降低瓦斯濃度的方法進行描述。采空區向工作面涌出的瓦斯量，受工作面布置方式及規模、開采工藝方法、風量以及開采強度等影響，而采空區向工作面涌入的瓦斯來源為相關區域的瓦斯賦存和殘留，因此煤層瓦斯含量或整體采空區的瓦斯源項強度大小也顯著影響著其向工作面的涌出。目前采用數學模型根據分源法等進行瓦斯涌出預測和變化規律分析的方法較多，如灰色系統預測法、瓦斯地質數學預測法、趨勢面預測法、神經網絡預測法、綜合動態預測法等[5-9]。

1 瓦斯涌出量隨風量變化規律

1.1 數值模擬結果

采空區瓦斯涌出影響因素較多，圖1為工作面推進速度不同(vt：2～10 m/d)在風速(vin)0.8 m/s、1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s條件下，由初采至開采90 d期間采空區向工作面涌入的瓦斯量。由圖可知，工作面開始采煤至90 d期間，開采初期隨開采時間的延續采空區向工作面的絕對瓦斯涌出量急速增加，開采至一定時間時，絕對瓦斯涌出量達到最大值，之后隨開采時間的延續絕對瓦斯涌出量逐漸降低，絕對瓦斯涌出量降低至一定量時逐漸趨于穩定，即由初始采煤開始，采空區的絕對瓦斯涌出量先急速增加至最大值，之后涌出量逐漸衰減，然后趨于穩定。

圖1 風速及推進速度對采空區瓦斯涌出的影響Fig.1 Influence of wind speed and mining speed on gas emission from goaf

1.2 開采時間的影響

開采初始，隨著開采時間延續絕對瓦斯涌出量增加，主要是由于這個時期采空區未充分垮落、壓實。持續開采會導致可以涌出瓦斯的范圍逐漸擴大，隨時間延續絕對涌出量具有顯著增加趨勢；達到最大值以后采空區的絕對瓦斯涌出量開始下降，其原因在于，此時采空區結構逐步穩定，漏風相對穩定，且新形成的采空區中遺煤及鄰近層煤炭中的瓦斯在前期采動影響下已經有一定量的放散和涌出，后期新形成的采空區向外涌出瓦斯的源項強度顯著低于前期，雖然此時采空區可能有效涌出范圍更廣，但其含量和濃度相對較低，共同導致這個時期的瓦斯涌出量逐漸衰減；在后期采空區向工作面的絕對瓦斯涌出量基本穩定，可能是由于開采時間較長以后，采空區相對穩定，有效涌出范圍或長度相對穩定，且新形成的采空區的瓦斯在前期受采動影響的自由放散過程中很大程度上放散了大量的賦存含量，在未開采到該處時其可能涌出范圍內的瓦斯基本涌出完成，距離巷道空間較深區域的瓦斯基本不能大量擴散涌出，因此這些區域一旦落入新形成的采空區中，其瓦斯含量等基本一致，從而共同決定著在開采后期采空區的絕對瓦斯涌出量將保持在一個相對較低且穩定的范圍內。

1.3 供風速度的影響

圖1中(a)～(f)每幅圖單獨分析顯示，工作面的供風速度越大，采空區向工作面涌出的瓦斯量越大。工作面通風過程中，存在著向采空區漏風的問題，風量越大，采空區漏風范圍和漏風量越大，瓦斯涌出量增加。但風量增加、漏風增強，采空區瓦斯涌出也存在降低的可能，風量增加對采空區向工作面瓦斯涌出量的影響確實存在增加和降低2種可能，主要歸因于采空區的瓦斯源項性質及強度[14-16]。采空區瓦斯濃度分布一般由淺部向深部具有高—低或低—高—低的趨勢，所以采空區向工作面涌出瓦斯一般通過2種作用實現，一種是瓦斯濃度梯度產生的擴散作用，另一種為風壓、風速梯度導致的對流作用。近鄰煤壁的淺部采空區瓦斯涌出過程中擴散和對流引導作用均顯著；深部采空區由于與采煤工作面較遠、壓實程度高、瓦斯濃度低，其通過擴散作用向工作面涌出瓦斯較難實現，而在供風量大、漏風范圍大、漏風量大的條件下，深部采空區瓦斯向工作面涌出主要受漏風流場的影響，采空區瓦斯涌出的主導形式以對流作用為主。

1.4 漏風流場的對流作用

漏風流場的對流作用對采空區相對深部瓦斯的影響也存在2種不同的作用，其一為誘導攜帶作用，其二為抑制作用。

誘導攜帶作用:主要指漏風對流較強區域風流對周圍風流場較弱區域的風流誘導，瓦斯隨誘導漏風流攜帶而出，以及漏風流流經過程對采空區瓦斯的直接攜帶作用，二者協同作用。誘導作用主要發生在兩道沿線附近，漏風流在進風側巷道沿線向內漏入，在回風巷道沿線向外漏出，均會誘導擾動附近受采空區影響的采空區兩側區域內部流場，從而誘導受擾動影響區域的瓦斯涌向采空區并通過采空區涌出。

抑制作用：主要指經工作面向采空區漏風經由淺部采空區流入較深部采空區、鄰近層、上覆巖層及其他相鄰貫通的裂隙帶等區域過程中會抑制上述區域涌出瓦斯向采空區淺部與工作面流動，從而抑制了這些區域瓦斯的涌出。抑制作用主要發生在采空區的較深部區域，此區域漏入風流向深部流動會導致深部瓦斯向外涌出難度增加；同時，在采空區附近同層位和上下鄰近層及其周圍區域由于采動影響產生大量裂隙帶，當漏風流風壓高于裂隙發育區域風壓時會導致風流向裂隙區域流動從而抑制通過裂隙向本采空區涌出的瓦斯；當裂隙發育區域風壓高于漏風風壓時，裂隙發育區域風流將向本采空區流動帶來大量殘存瓦斯的涌出，并隨漏風回流至本采空區進而流向工作面，該情況的漏風流對裂隙發育區域的瓦斯反而是誘導攜帶作用，會增加采空區的瓦斯涌出總量。

采空區向工作面涌出瓦斯過程中，漏風流場的對流誘導攜帶作用占主導，因此，一般供風量增加，瓦斯涌出量將顯著增強；當采空區涌出瓦斯源項主要來源于鄰近層或相關裂隙發育區域時，漏風流場的抑制作用顯著，瓦斯涌出量降低。

2 瓦斯涌出量隨推進速度變化規律

2.1 數值模擬結果

圖2為風量一定時，不同推進速度下采空區向工作面涌出的瓦斯量變化規律，可以看出，推進速度不同采空區向工作面涌出瓦斯量存在顯著差異。圖2(a)，風速0.8 m/s時除初采短暫的幾天內存在一定波動，在其它大部分時間內，推進速度越大，采空區向工作面涌入的瓦斯量越小；圖2(b)～(f)，在初采的一定時期內，推進速度越大，采空區向工作面涌入瓦斯量越大，開采一定時間后，工作面推進速度越大，采空區絕對瓦斯涌出量越小。

圖2 推進速度對采空區瓦斯涌出的影響Fig.2 Influence of mining speed on gas emission from goaf

2.2 結果分析

在開采初期尤其是在初次來壓之前，采空區未壓實，開采速度越大采空區的范圍越大，雖然頂板未出現大面積垮落等，但開采初期本煤層與鄰近層及上下分層之間由于采動影響裂隙等大量形成，導致瓦斯涌出的區域范圍較大且處于涌出初期源項強度較大，共同導致推進速度越快，向工作面涌出的瓦斯量越大。推進速度越大，采空區長度越大，采空區深部內任意點的漏風速度是衰減的，雖然殘余漏風速度比小推進速度大，但相對于較長的采空區范圍和瓦斯到達工作面需要行經的較長路線相比是微弱的，即推進速度增大瓦斯向工作面涌出時的單位長度路徑內的阻力降低，但需要經過的路線大大增加，導致其沿程總阻力增加，所以開采一定時間后采空區深部瓦斯很難達到工作面，出現開采一定時間后瓦斯涌出量出現隨推進速度增加而降低的現象；同時開采速度加快，頂板下沉量降低且對鄰近層的采動影響低，所以鄰近層的瓦斯涌出會相應降低。

3 瓦斯涌出達到最大值的時間及變化規律

3.1 工作面推進速度對絕對瓦斯涌出量的影響

工作面推進一段時間后，由于推進速度越小，采空區長度越小，雖然采空區內漏風較小，但深部瓦斯運移至工作面的路徑較短，總阻力相對較低，所以后期推進速度慢時瓦斯涌量越大，且采空區長度小時漏風對采空區的穿透和擾動能力較強，共同導致這一結果。對于采空區的絕對瓦斯涌出量受工作面推進速度影響的問題，前人研究持2種不同觀點，文獻[14]及文獻[15]認為隨推進速度的增加，采空區的絕對瓦斯涌出存在增加與降低2種可能；經過現場實測提出推進速度增加，絕對瓦斯涌出量也相應增加，這與圖2開采前期階段規律一致。因此，風量相同條件下工作面開采速度對瓦斯涌出量的影響分為2個階段2種情形，在工作面開采的初期階段，開采推進快，瓦斯涌出量高，開采一定時期后，規律則相反。

3.2 絕對瓦斯涌出量最大值對應時間

采空區瓦斯涌出量隨開采時間的持續先增加至最大值后隨時間衰減，一定時間后趨于穩定，采空區絕對瓦斯涌出量最大值對應時間(tQCH4max)為開采過程中采空區瓦斯涌出的特殊時間點，該時間點前后的采空區絕對瓦斯涌出量受推進速度影響，規律相反。圖3為采空區瓦斯涌出量最大值對應開采時間的變化規律，圖3(a)顯示推進速度越大采空區瓦斯涌出量達到最大值所需的時間越長，圖3(b)顯示風速越大達到最大值所需時間越長。圖3(a)顯示，任意推進速度下風速增加采空區絕對瓦斯涌出量達到峰值時所需時間隨風速線性增加，具有式(1)的直線關系，不同推進速度下擬合數據見表1。

圖3 進風速度及開采速度對絕對涌出量達到最大值所需時間的影響Fig.3 Influence of wind speed and mining speed on the time required for absolute gas emission to reach the maximum

表1 瓦斯涌出達到峰值所需時間與風速關系擬合曲線的系數Table 1 Fitting curve coefficient of the relationship between the time needed for gas emission to reach the peak value and the wind speed

tQCH4max=a+b·vin

(1)

表1中不同推進速度下直線方程公式(1)的斜率a和截距b與推進速度vt之間具指數關系，見式(2)、(3)，形成統一的不同推進速度和不同風速下采空區絕對瓦斯涌出量達到最大值的時間均可以由式(4)進行判定。

a=8.8+86.4exp(-0.60vt)

(2)

b=-5.6-63.5exp(-0.72vt)

(3)

tQCH4max=86.4exp(-0.60vt)-[5.6-63.5exp(-0.72vt)]vin+8.8

(4)

3.3 絕對瓦斯涌出量最大值與其對應時間的關系

由于采煤開始至采空區絕對瓦斯涌出量達到最大值所需要的時間(tQCH4max)占整個工作面開采期的比例較小，因此對最大值以后的采空區絕對瓦斯涌出量QCH4max變化規律進行分析具有重要意義。(tQCH4max)以后的采空區絕對瓦斯涌出量QCH4max(m3/min)與時間t(d)之間具有式(5)所示的關系，式(5)中a、b與推進速度的關系如(6)、(7)，式(6)中a1、b1與風速之間具有式(8)、(9)的關系，式(7)中a2、b2與風速之間具有式(10)、(11)的關系。

QCH4=10AtB

(5)

A=a1ln(vt)+b1

(6)

B=a2ln(vt)+b2

(7)

a1=0.964 7vin2-2.133vin+1.383 5

(8)

b1=-1.31vin2+3.090 9vin-1.568 4

(9)

a2=-0.078 1vin2+0.157 7vin-0.378 3

(10)

b2=0.024 7vin2+0.209 8vin-0.365 1

(11)

以上方程(5)～(11)將瓦斯涌出量達到最大值以后開采過程中采空區絕對瓦斯涌出量與工作面推進速度和風速之間建立了量化關系。將式(6)～(11)代入式(5)即可依據工作面推進速度和風速判斷采空區絕對瓦斯涌出量。

4 結論

(1)工作面開采初期瓦斯涌出量較低，隨開采時間的延續逐漸增加，達到涌出量峰值后逐漸下降并趨于穩定；風量增加、開采速度加快瓦斯涌出量最大值增加，達到瓦斯涌出量最大值的時間前者增加、后者降低。

(2)采空區瓦斯涌出量受風速和推進速度影響顯著，一般風量越大采空區瓦斯涌出量越大；相同風量條件下，不同開采速度下，瓦斯涌出量達最大值前，推進速度越大，瓦斯涌出量越大，瓦斯涌出量至最大值后，推進速度快其瓦斯涌出量低。

(3)采空區瓦斯涌出以擴散和對流作用形式出現，一般漏風流場對瓦斯涌出具有誘導、攜帶作用導致瓦斯涌出量增加；也具有抑制作用導致采空區瓦斯涌出量降低，抑制作用主要發生在風壓低于漏入風流風壓的深部采空區以及部分裂隙發育區域內的瓦斯。