基于“U”型下行通风的综放工作面瓦斯治理数值模拟研究

张增辉，薛彦平

（1.国家能源神东煤炭集团保德煤矿，山西忻州 036600；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

瓦斯是威胁煤矿井下安全生产最重要因素之一[1]，综放开采工艺在高产高效高瓦斯矿井应用过程中常因回风隅角瓦斯积聚而影响工作面安全生产，而采空区是主要瓦斯来源，占30%～60%[2]。采空区属于塌陷冒顶区域，无法通过人员直接检测瓦斯分布参数，目前只能通过束管采样的方式测定采空区瓦斯气体情况，但束管采样存在测量数据误差大，测量区域有限等诸多不利条件。随着流体流场模拟技术的发展和日趋成熟，对采空区瓦斯分布进行数字模拟成为一种行之有效的技术手段[3]。保德煤矿综放工作面由于产量集中，加之采空区瓦斯抽采量和抽采间距依据性不强，回采期间经常出现回风隅角和回风流瓦斯体积分数濒临超限的问题，严重影响安全高效生产。为此，通过研究综放工作面采空区瓦斯运移规律，多角度数值模拟不同条件下埋管抽采对回风隅角瓦斯运移和浓度分布情况的影响，确定最佳采空区埋管抽采参数，为有效解决采空区瓦斯治理提供行之有效的方案和科学合理的依据。

1 工作面概况

81308 综放工作面位于8 号煤二号主、辅运大巷以南，井田边界以北，工作面以东为81307 综放工作面采空区，以西为81309 备用工作面。工作面宽240 m，可采长度2 545 m，煤层平均厚度6.4 m，倾角平均4°，平均含夹矸3 层，单层夹矸最大厚度0.8 m，属于较稳定煤层。开采煤层为自燃煤层，煤尘具有爆炸性。采用综合机械化放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面设计采高3.7 m，放煤高度2.6 m，采放比为1∶0.7，设计日产量1.3 万t/d，回采率93%。回采煤量为567 万t，设计回采周期14 个月。工作面区域煤层原始瓦斯含量5.95 m3/t，采取了预抽煤层瓦斯的治理措施。工作面采前煤层残余可解吸瓦斯含量最大3.78 m3/t，采前瓦斯抽采达标。通过分源预测法测算并参考邻近工作面回采期间瓦斯涌出数据，工作面邻近层和开采层通过采空区涌出的瓦斯量将占工作面瓦斯涌出总量的60%以上。

2 工作面采空区瓦斯运移模型

2.1 数学模型建立的基本条件

1）采空区气体流动是个复杂的渗流过程，受制于支护条件、推进速度、采放比例、顶板垮落、采空区漏风等因素。总体上看，采空区内气体可视为恒温不可压缩气体，适用质量和动量守恒定律。

2）煤岩充填空间视为各向同性均质的含孔隙、裂隙的多孔介质，气体流动服从达西定律，主要以扩散形式运移[4]。采空区内气体为氧气、氮气和甲烷组成的混合气体，不考虑裂隙水；遗煤瓦斯压力较低，考虑为理想气体，采空区气体流动为等温过程。

3）采空区矸石垮落和遗煤充填空间视为各向同性均质的含孔隙裂隙的多孔介质，遗煤和邻近煤层连续释放瓦斯。

基于上述假设和基本条件，构建符合连续性方程、动量方程和成分守恒方程的三维空间不可压缩气体流动的数值模型。

式中：ρ 为气体密度，kg/m3；φ 为各方向上速度矢量或瓦斯体积分数求解变量的通用变量；t 为时间，s；u 为平均流速向量的分量，m/s；Γ 为广义扩散系数；S 为广义源项[5]。

2.2 采空区渗透率

采空区气体流动，孔隙率和渗透率随着垮落和充填物质参数发生变化，基于Kozeny-Carman 方程，构建采空区渗透率和孔隙率的动态变化方程。

式中：κ 为渗透率，μm2；Dp为介质的粒径，m；n为介质的孔隙率，其大小取决于介质碎胀参数。

采空区多孔介质渗透率受到工作面推进长度、倾向长度、顶底板岩性及垮落、邻近煤层及保安煤柱等相关参数影响，不同研究人员和不同计算方式确定的参数有很大差异[6]。

综放工作面瓦斯涌出主要来自于煤壁、落煤和采空区[7]。依据邻近已采81307 综放工作面实际统计数据推测，81308 综放工作面绝对瓦斯涌出量约为16.2 m3/min，采空区瓦斯涌出约10.9 m3/min。

2.3 边界条件及物理模型

81308 综放工作面通风方式为“U”型下行通风，即81308 1#进风巷和81308 运输巷进风、81308 运输巷靠近切眼处联巷回风，81308 综放工作面布置示意图如图1。

图1 81308 综放工作面布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of 81308 fully mechanized caving face

忽略其他因素的影响，仅考虑瓦斯抽采对采空区自燃危险区域分布的动态影响。参考81307 综放工作面现场观测数据，81308 综放工作面采空区“两道”浮煤厚度约4.3 m，中部采空区浮煤厚度约1.2 m，采空区深部距离工作面500 m 处按照壁面处理，采空区渗流范围为工作面2 道之间的松散煤岩体以及跨落带和断裂带。在高出煤层一定范围后的漏风量很小，故假定影响渗流的裂隙带在采空区范围内各处高度一样。因此，81308 工作面采空区物理模型范围为：工作面长度240 m，采空区深部距工作面500 m；中部浮煤厚度为1.2 m，“两道”厚度为4.3 m，将“两道”煤柱和采空区深部500 m 设为漏风边界。以采空区进风侧外邦为坐标原点，向回风侧方向为x 方向，垂直工作面到采空区深部方向为y 方向。

2.4 几何模型及网格划分

采煤工作面配备型号、尺寸各异的设备，难以完全按照实际条件建立几何模型，在设计模型时理想化参数条件，忽略采煤工作面各种设备的影响。将采煤工作面及其进回风巷都按矩形断面处理[8-9]。最终设计简化模型尺寸为：巷道宽5.2 m，高3.5 m，工作面长240 m，采空区长500 m，高30 m，同时对模型进行网格划分。

3 模拟结果

3.1 埋管布置间距对回风隅角瓦斯分布规律影响

采用Fluent 流体数值模拟软件对工作面及回风隅角瓦斯体积分数分布规律进行数值模拟，不同埋管间距下采空区瓦斯体积分数云图如图2，不同埋管间距下工作面、回风隅角及回风流瓦斯体积分数如图3。

图2 不同埋管间距下采空区瓦斯体积分数Fig.2 Goaf gas concentration diagrams under different pipe spacings

图3 不同埋管间距下工作面、回风隅角及回风流瓦斯体积分数Fig.3 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different pipe spacings

通过图2 和图3 可知，当布置间距为130 m 时，埋管布置间距较大时，有效抽采半径无法覆盖回风隅角区域，治理效果差，回风隅角瓦斯体积分数为1.12%，回风流瓦斯体积分数为0.94%，回风隅角和回风流瓦斯体积分数濒临报警值。当布置间距小于等于120 m 时，有效抽采半径覆盖回风隅角区域，治理效果明显，回风隅角瓦斯体积分数为0.80%，回风流瓦斯体积分数为0.70%。综合考虑巷道条件和经济效益等因素，建议埋管间距设置在90～120 m范围内均比较合适。

3.2 抽采流量对回风隅角瓦斯分布规律影响

基于采空区埋管抽采流量分别为500、600、700 m3/min 条件下，对工作面、回风隅角及回风流瓦斯体积分数分布规律进行数值模拟，不同埋管抽采量下的采空区瓦斯体积分数云图如图4，不同瓦斯抽采流量下的工作面、回风隅角及回风流瓦斯体积分数如图5。

图4 不同埋管抽采量下采空区瓦斯体积分数Fig.4 Goaf gas concentration diagrams under different gas drainage amount of buried pipe

图5 不同抽采流量下的工作面、回风隅角及回风流瓦斯体积分数Fig.5 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different gas drainage flow

通过图4 和图5 可知，抽采流量越大，工作面及回风隅角瓦斯的治理效果越好。在抽采流量为500 m3/min 条件下，回风隅角瓦斯体积分数为1.1%，回风流瓦斯体积分数为1.04%；在抽采流量为600 m3/min条件下，回风隅角瓦斯体积分数为0.68%，回风流瓦斯体积分数为0.59%；在抽采流量为700 m3/min 条件下，回风隅角瓦斯体积分数为0.32%，回风流瓦斯体积分数为0.28%。考虑到瓦斯抽采流量越大，采空区漏风越严重，易造成采空区遗煤自燃[10-11]，建议抽采流量为600 m3/min，并采取一定的安全措施。

4 现场应用

保德煤矿81308 综放工作面2019 年5 月开始回采，采用“U”型下行通风，配风量2 100 m3/min，沿81308 辅运巷设置1 趟DN800 mm 抽采主管，运输巷和辅运巷之间通过联巷或煤柱螺旋钻孔设置DN800 mm 抽采支管。在间距大于100 m 的联巷中间施工大孔径螺旋钻孔布置抽采支管，保证抽采支管间距在70～120 m 之间。为确保采空区瓦斯抽采安全，采取了自动监控和人工监控自然发火标志性气体的安全措施，并在距最近在用抽采支管口100 m 范围内安设自动喷粉抑爆装置。

4.1 抽采参数与回风隅角瓦斯体积分数关系

1）抽采量是回风隅角瓦斯体积分数主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右时，回风隅角周平均瓦斯体积分数为0.8%，实测最大值超过1%；抽采量在610 m3/min 左右时，回风隅角周平均瓦斯体积分数在0.4%左右，实测最大值0.6%；抽采量在680 m3/min 左右时，回风隅角周平均瓦斯体积分数在0.24%左右，实测最大值0.42%。

2）埋管间距为回风隅角瓦斯体积分数的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回风隅角瓦斯体积分数随埋管间距增大而增大，在间距70～120 m 范围内，回风隅角瓦斯体积分数在±0.18%的范围内波动。2019 年4 月至11 月期间，抽采参数及回风隅角瓦斯体积分数统计图如图6。

图6 抽采参数及回风隅角瓦斯体积分数统计图Fig.6 Statistics of drainage parameters and return air corner gas concentration

4.2 抽采参数与回风流瓦斯体积分数关系

1）抽采量是回风流瓦斯体积分数主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右时，回风流周平均瓦斯体积分数为0.6%，实测最大值超过0.92%；抽采量在610 m3/min 左右时，回风流周平均瓦斯体积分数为0.3%，实测最大值0.5%；抽采量在680 m3/min 左右时，回风流周平均瓦斯体积分数在0.18%左右，实测最大值0.36%。

2）埋管间距为回风隅角瓦斯体积分数的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回风隅角瓦斯体积分数随埋管间距增大而增大，在间距70～120 m范围内，回风流瓦斯体积分数在±0.11%的范围内波动。2019 年4 月至11 月期间，抽采参数及回风流瓦斯体积分数统计图如图7。

图7 抽采参数及回风流瓦斯体积分数统计图Fig.7 Statistics of drainage parameters and return air flow gas concentration

81308 综放工作面现场长达7 个月的试验结果与数字模拟分析结果基本吻合，证明采取的数字建模方式是科学的、可靠的，具有超前指导矿井未来综放工作面采空区埋管抽采参数的科学价值。

5 结 语

1）高瓦斯综放工作面“U”型通风条件下，回风隅角瓦斯治理尤为关键。通过建立采空区瓦斯渗流数学模型，模拟不同抽采参数条件下工作面及采空区瓦斯运移及瓦斯体积分数分布状况，可为合理选择回风隅角瓦斯治理措施提供依据。

2）保德煤矿综放工作面在“U”型下行通风条件下，依据模拟结果并通过现场试验，采取合理的采空区埋管抽采参数有效解决了回风隅角和回风流瓦斯超限问题。在类似煤层瓦斯赋存及开采条件下，综合考虑经济和采空区防灭火等因素，埋管抽采间距为100 m，抽采量为580～610 m3/min。3）抽采量是影响工作面回风隅角及回风流瓦斯积聚的主控因素。随着工作面瓦斯涌出量的增大，若继续采取采空区埋管抽采的治理措施，势必需相应增大抽采量，这样将对采空区防灭火带来不利影响。届时，建议采取综合瓦斯治理措施。