張圣國 高明濤

(新汶礦業(yè)集團有限責任公司，山東省泰安市，271200)

1 煤礦概述

趙官煤礦生產能力為90萬t／a，開拓方式為立井單水平上下山開采，通風方式為中央并列式，抽出式通風方法，目前礦井通風量為4585m3／min，礦井等級孔3.96m2，礦井絕對瓦斯涌出量為31.66m3／min。1705工作面為本礦井的首采工作面，單斜構造，工作面布置如圖1所示。工作面煤層傾角約4°～8°，煤厚平均為1.3m。工作面老頂巖性為灰—深灰色砂巖，厚3.6m，層理發(fā)育，見植物葉化石及較多菱鐵質結核，巖石硬度系數為5.0；直接頂為灰黑色泥巖，厚度為4.5m，巖石硬度系數為3.0；偽頂為炭質泥巖，厚度0.12～0.2m，灰黑色，參差狀斷口，含炭量較高，具有較高的發(fā)熱量，巖石硬度系數為2.5。直接底為深灰色粉砂巖，厚度為1.11m，含植物根化石，下部夾細砂巖薄層，巖石硬度系數為3.0；老底為淺灰—灰色細砂巖，厚度為4.84m，致密、堅硬，成份以石英為主，長石次之，巖石硬度系數為5.0，煤層瓦斯涌出量3～5m3／min。

圖1 1705工作面示意圖

2 瓦斯運動規(guī)律模擬

2.1 基本參數的選擇

瓦斯涌出不均衡系數1.05；工作面回風流中瓦斯的最高允許濃度為1%；工作面進風風量750 m3／min。瓦斯成分中 CO2為 5.356%、CH4為91.758%、N2為2.886%。

2.2 網格劃分

切眼斷面形狀為長方形，長為4.5m，高為2.2m；巷道斷面形狀為梯形，上部長3m，下部長5m，高為2.2m，利用GAMBIT軟件進行工作面模型網格劃分，如圖2所示，圖2從不同角度對工作面模型網格的劃分進行了展示。

圖2 工作面模型網格劃分圖

3 實測結果與模擬結果對比

3.1 1705工作面實測結果

趙官煤礦分別在1705上平巷距工作面切眼位置、距切眼上端頭位置及下平巷距工作面切眼位置的瓦斯?jié)舛冗M行了實際測量。上平巷各測點距工作面切眼位置分別為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時，瓦斯?jié)舛葘崪y值 分 別 為 0.07%、0.11%、0.17%、0.23%、0.27%、0.03%、0.35%、0.41%；距切眼上端頭20m、40m、60m、80m位置時，瓦斯?jié)舛葘崪y值分別為0.43%、0.44%、0.46%、0.49%；下平巷各測點距工作面切眼位置為50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m時，瓦斯?jié)舛葘崪y值分別為0.53%、0.59%、0.65%、 0.71%、 0.77%、 0.83%、 0.87%、0.92%。從實測結果可以看出1705煤巷瓦斯含量較高，上平巷 (進風側)瓦斯?jié)舛鹊?，下平?(回風側)瓦斯?jié)舛雀?，接近于報警濃度?/p>

3.2 FLUENT模擬結果

模擬涉及湍流模型、浮力驅動、可壓縮流動等。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分。

利用FLUENT軟件模擬1705工作面上平巷100m、200m處巷道斷面瓦斯?jié)舛?，如圖3、圖4所示。

1705工作面下平巷100m、300m處巷道斷面瓦斯?jié)舛?，如圖5、圖6所示。

3.3 對比分析

(1)圖7是1705工作面上平巷、切眼和下平巷相關點的實測瓦斯?jié)舛?。從實測結果可以看出，由風流的入口到工作面切眼，再到風流的出口，瓦斯?jié)舛仁侵饾u增大的，由于通風機的選型合理，在該工作面內無瓦斯超限的地點，同時還可以看出本工作面瓦斯涌出量很大，在出口處瓦斯?jié)舛葞缀踹_到超限規(guī)定。

(2)圖8為1705工作面上平巷、切眼和下平巷模擬瓦斯?jié)舛?。從模擬結果可以看出，由風流的入口到工作面切眼，再到風流的出口，瓦斯?jié)舛纫彩侵饾u增大的，就某一斷面而言，瓦斯在巷道上部集中，在巷道底部濃度較低。從這方面可以認為模擬結果是合理的，但其準確性還需通過對比分析才能得出。

(3)通過對實測結果與模擬結果進行分析，工作面上平巷距切眼位置100m、200m、300m處各模擬地點誤差分別為0.182%、0.13%、0.1%，切眼內距上端頭40m處模擬地點誤差為0.114%；下平巷距工作面切眼100m、200m、300m、400 m處各模擬地點誤差分別為0.051%、0.03%、0.072%、0.054%。

由以上數據以及圖7和圖8分析可知，模擬結果與實測結果存在一定誤差的主要原因是模擬過程中為了簡化計算以及運算速度，將各點瓦斯涌出量按平均值模擬，實際工作面中各點的斷面形狀存在一定的差異，支護設備等也會導致巷道壁面阻力增加，而模擬過程中假設巷道是光滑無阻力的，而巷道風流中實際存在的物質包括CH4、O2、N2、H2O、CO2等氣體，但是在模擬過程中為了避免氣體成分過于復雜而影響空氣流動速度只包括CH4、O2、N2。

由此可以看出此次模擬雖然得出的1705工作面中的瓦斯?jié)舛扰c實際結果比較吻合，但是模型以及邊界設置還存在許多應該改進的地方。

4 結論

(1)在沿風流流動方向上，進風側的瓦斯隨風流向回風側運移，導致回風側瓦斯?jié)舛鹊脑龃蟆?/p>

(2)在巷道某斷面沿高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使頂板附近的瓦斯?jié)舛雀哂诘装甯浇耐咚節(jié)舛龋@種分布特點適用于整個工作面。

(3)利用FLUENT模擬工作面瓦斯運動分布規(guī)律與現實情況比較吻合，此種模擬方法對瓦斯?jié)舛阮A測具有現實的指導意義。

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