薄煤層Y型通風采場瓦斯分布規律研究

李良偉，武文賓，林府進

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

在高瓦斯煤層工作面通風系統中，傳統的U型通風系統不能很好地解決工作面上隅角瓦斯超限的問題[1-3]。因此，Y型通風方式被提出[4-6]，即回采工作面兩側進風、采空區一側回風(簡稱為“兩進一回”)的通風方式。

工作面及采空區瓦斯運移實際是兩相介質的流動分布，對此前人進行了大量研究。J.Pawiński提出了瓦斯計算的數學模型[7]；Nottingham大學的研究人員建立了工作面的瓦斯運移模型[8-11]；李宗翔等針對工作面瓦斯超限問題，采用數值模擬方法，提出了設置調節風門、改變工作面作業方式等方法[12-13]；王凱等對J型與U型通風效果進行數值模擬對比，結果表明采取J型通風后采空區瓦斯濃度大大降低[14]；胡千庭等針對地面井抽放采空區瓦斯的情況進行了數值模擬，與實際瓦斯濃度監測結果相符[15]；李樹剛等對回風側設置排放口的情況進行了數值模擬，結果表明排放口能明顯降低采空區瓦斯濃度[16]；梁運濤等在模擬采空區瓦斯分布情況時推導出非均值孔隙模型，模擬結果與U型通風工作面實測參數吻合[17]；金龍哲等采用UDF編程設置變參數的采空區多孔介質模型，模擬結果與實測瓦斯涌出量相當[18]。

綜上所述，在薄煤層Y型通風條件下的瓦斯流動尤其是在不同配風比時的流動規律缺乏深入研究。因此，筆者對工作面兩進一回Y型通風采場及采空區瓦斯運移流動規律進行數值模擬分析，以期確定工作面及采空區瓦斯流動分布規律，以及最佳配風比例。

1 物理模型的建立及網格劃分

1.1 工作面布置及煤層情況

永榮礦務局韋家溝煤礦38404工作面布置于38402工作面以西，是二水平三盤區第3個工作面，如圖1所示。

圖1 38404工作面布置平面圖

38404工作面走向長度為890 m，傾向長度為195 m，煤層平均傾角為2°，平均埋深為650 m，頂底板條件穩定。相鄰工作面相對瓦斯涌出量為12.24 m3/t，絕對瓦斯涌出量為23.53 m3/min。

1.2 物理模型與網格劃分

以38404工作面及采空區為原型，利用GAMBIT軟件建立3D物理模型。視該煤層為水平煤層，工作面寬5 m、高3 m；進風巷和進風側運輸巷長度為 20 m，寬與高均為3 m；采空區長寬高分別為150 、100、10 m；進風巷沿采空區延伸30 m形成尾巷，所建立的幾何模型如圖2所示。采用0.5 m步長的結構化網格劃分物理模型，工作面及巷道區域共劃分28 200個網格，采空區區域共劃分1 192 800個網格。

圖2 工作面數值模擬幾何模型

2 邊界條件及計算方法

2.1 操作環境及邊界條件

設定重力大小為-9.81 N/kg。進風巷端頭與運輸巷端頭均設定為速度入口，不同配風比條件下設定速度不同；運輸巷出口設為自由出流；采空區固壁為無滑移邊界條件，即u=v=0；進風巷瓦斯濃度(甲烷體積分數)為0；工作面與采空區的兩個邊界面設為交界面(Interface)，在采空區設置多孔介質模型。

2.2 采空區多孔介質模型

采用數值模擬方法研究Y型通風方式下的瓦斯分布規律，主要目的是指導韋家溝煤礦在工作面回采時的通風管理，設置采空區為均質的多孔介質模型并不影響規律研究。參照經驗設定孔隙率為0.25，并根據如下公式計算黏性阻力系數和慣性阻力系數：

(1)

(2)

式中：α為滲透率，等于黏性阻力系數的倒數；ε為孔隙率；DP為平均顆粒直徑；C2為慣性阻力系數。

通過計算可得，黏性阻力系數為3.2×107，慣性阻力系數C2=11 200，結合現場實際情況確定采空區瓦斯涌出源項為3.6×10-7kg/(m3·s)。

2.3 計算方法

采用RNGk-ε模型，由于采空區內流體是低雷諾數的流動，故采用Differential Viscosity Model。壓力耦合采用SIMPLE算法，對控制中的壓力離散采用PRESTO格式，其他的選項采用二階迎風格式，以提高收斂精度。

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3 流場模擬結果

3.1 30 m尾巷對采空區瓦斯分布的影響

為對比有、無30 m尾巷情況下的流場差異，分別提取流場流線與瓦斯濃度等值線圖,如圖3～4 所示。

(a)有30 m尾巷

(b)無30 m尾巷

(a)有30 m尾巷

(b)無30 m尾巷

由圖3、圖4可以看出，有、無30 m尾巷對采空區風流流動與瓦斯分布的影響較大。在存在30 m尾巷的情況下，氣流通過拐角負壓渦旋區及尾巷直接進入采空區，使得瓦斯向工作面流動，形成瓦斯高低濃度三角區。三角區其中一個角點靠近工作面上隅角，同時采空區瓦斯濃度整體比無尾巷情況時高，因此尾巷留設不利于采空區及工作面瓦斯管理。

3.2 不同配風比對采空區瓦斯分布的影響

進風巷、運輸巷配風比為1∶1時的空間瓦斯場切片如圖5所示。

圖5 進風巷、運輸巷配風比為1∶1時瓦斯場切片云圖

由圖5可知，在此配風比下上隅角瓦斯會發生聚積與上浮，是導致瓦斯濃度超限的原因，不能發揮Y型通風的優勢。因此分別對進風巷、運輸巷配風比為2∶1、3∶1、4∶1時工作面采空區漏風流場進行模擬研究。

進風巷、運輸巷在不同配風比條件下的采空區流線圖如圖6所示。

(a)配風比為2∶1

(b)配風比為3∶1

(c)配風比為4∶1

由圖6可知，整個流場基本流動狀態不會隨著配風比的增高而改變，但是通過尾巷進入采空區的風流會有一部分返回到工作面。

進風巷、運輸巷在不同配風比條件下的瓦斯濃度等值線圖如圖7所示。

(a)配風比為2∶1

(b)配風比為3∶1

(c)配風比為4∶1

沿工作面風流方向瓦斯濃度變化曲線如圖8 所示。

圖8 沿工作面風流方向瓦斯濃度變化曲線

由圖8可知，靠近進風巷側瓦斯濃度較高，這是由于30 m尾巷中風流將采空區瓦斯帶至工作面所致，峰值位置恰好在y方向80～90 m區域。沿著風流方向即y軸負方向，采空區釋放到工作面的瓦斯較少，新鮮風流的充分混合使得瓦斯濃度逐漸降低。配風比越高稀釋工作面瓦斯的能力越強，工作面瓦斯濃度隨著配風比的增高而呈下降趨勢。

沿運輸巷瓦斯濃度變化曲線如圖9 所示。

圖9 沿運輸巷瓦斯濃度變化曲線

由圖9可知，在運輸巷與工作面交匯處因匯入含瓦斯風流瓦斯濃度迅速上升，配風比越高稀釋工作面瓦斯的能力越強，工作面瓦斯濃度隨著配風比的增高而呈下降趨勢。

y=10 m和y=80 m處采空區走向瓦斯濃度分布曲線如圖10～11所示。

圖10 y=10 m處采空區瓦斯濃度變化曲線

圖11 y=80 m處采空區瓦斯濃度變化曲線

由圖10～11可知，兩者曲線均存在峰值位置，y=10 m處的峰值線緩而低，y=80 m處的峰值線急而高，越靠近進風巷峰值越高。隨著配風比的增高，瓦斯濃度整體呈增大趨勢，但僅在峰值附近瓦斯濃度增大明顯，而越靠近兩端位置瓦斯濃度相差越小。

4 瓦斯濃度分布規律現場考察

在38404工作面檢修期間，通過布置測點對瓦斯濃度進行連續監測。測試地點布置在回風巷及運輸巷回風方向0、5、20、50、80、150 m共 6個地點，經過連續6 d在工作面檢修期間對6個測點的瓦斯濃度進行現場監測，其平均值分別為0.014%、0.014%、0.013%、0.016%、0.022%、0.039%。沿空留巷平均瓦斯濃度分布曲線如圖12所示。

圖12 38404工作面運輸巷實測瓦斯濃度分布曲線

由圖12可以看出，在距工作面20 m內，瓦斯濃度變化不大；在距工作面20～50 m內，瓦斯濃度大幅度增高；在距工作面50～150 m內瓦斯濃度增加幅度更大。形成這一現象的原因是在5 m范圍內，采空區瓦斯較多地涌入到采煤工作面，且采空區漏風大，瓦斯在漏風作用下流至采空區深部；距工作面 20 m 后，采空區漏風逐漸減少，同時采空區大量瓦斯涌入尾巷，導致瓦斯聚積、瓦斯濃度持續增高，與Fluent軟件對采空區內漏風和瓦斯流場的模擬結果基本一致。

5 結論

1)當進風巷、運輸巷配風比為1∶1時，運輸巷一側風流流速較高，不易導致瓦斯超限。但由于工作面上隅角處局部阻力與風流轉向仍然出現了低速紊流區，可能導致瓦斯聚積超限，不能發揮Y型通風的優勢。

2)由于尾巷與進風巷相聯通，上隅角附近的采空區瓦斯會涌入工作面，不利于工作面瓦斯管理，建議盡量不留設尾巷。

3)工作面瓦斯濃度隨著進風巷與運輸巷配風比的增高瓦斯濃度整體降低，運輸巷瓦斯濃度隨配風比的增高整體呈微降趨勢。

4)采空區沿走向方向存在峰值瓦斯濃度位置，越靠近進風巷峰值越高，隨著配風比的增高，瓦斯濃度整體呈增大趨勢。