郭世杰 夏彬偉

特厚煤層綜放開采采空區(qū)瓦斯運移數(shù)值模擬

郭世杰 夏彬偉

針對大同礦區(qū)特厚煤層綜放開采過程中瓦斯異常涌出的問題，本文以大同某礦工作面為研究對象，結合“O”型圈理論分析了采動裂隙場形態(tài)，對采空區(qū)進行了細致的塊狀劃分并建立了U型+走向高抽巷通風方式的采空區(qū)幾何模型，運用FLUENT數(shù)值模擬軟件計算分析了采空區(qū)瓦斯分布狀態(tài)，研究表明采空區(qū)大量的泄壓瓦斯匯集到回風巷側裂隙圈后進入高抽巷，對回風巷及上隅角瓦斯起到良好的控制作用，采空區(qū)瓦斯在采空區(qū)深部300m范圍內(nèi)達到最大，對采空區(qū)瓦斯后期治理起到指導作用。

特厚煤層多采用綜放開采工藝，開采強度大，采空區(qū)范圍廣，往往伴隨著瓦斯超限等瓦斯災害。以大同某礦為代表的特厚煤層生產(chǎn)過中多采用頂板高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯，在一定程度上減少了瓦斯災害，但瓦斯超限時有發(fā)生，因此，對頂板高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯運移進行研究有著重要意義。

國內(nèi)外學者針對特厚煤層綜放工作面瓦斯運移等相關方面進行了研究，錢鳴高分析了采動裂隙場分布特征，提出了采空區(qū)“O”型圈理論；梁運濤等對采空區(qū)孔隙率分布及其變化規(guī)律進行了研究；孟憲銳等研究了高瓦斯綜放開采工作面瓦斯涌出運移規(guī)律；張瑞林等對影響工作面瓦斯涌出的因素進行了詳細的分析；李樹剛等分析了采動影響下煤巖卸壓瓦斯的流動特性，得出綜放面支承壓力與卸壓瓦斯運移的關系；然而對特厚煤層綜放開采工作面采用頂板高抽巷一進兩回的通風方式下的采空區(qū)瓦斯運移研究較少。

本文以大同某礦某工作面為研究對象，分析采動裂隙場裂隙形態(tài)，結合“O”型圈理論建立了頂板高抽巷抽采作用下得采空區(qū)瓦斯運移模型，運用FLUENT流體計算軟件，分析了采空區(qū)瓦斯分布，為進一步的瓦斯治理提供理論支撐。

工作面概況

設計生產(chǎn)能力1500萬t/a，平均煤厚12m，屬特厚煤層，工作面采用綜放低位放頂煤一次采全高的方法，采煤厚度3.5m，放煤厚度8.5m，通風采用一進兩回的通風方式，進風風量為3600m3/min，回風風量為2400m3/min，高抽巷風量為1200m3/min。當前礦井工作面正?；夭善陂g絕對瓦斯涌出量保持在30～60m3/min之間。煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。

采動覆巖裂隙場形態(tài)

錢鳴高“O”形圈理論認為隨著回采工作面的推進，認為上覆巖層裂隙的發(fā)育呈現(xiàn)兩階段：1.離層裂隙在采空區(qū)中部最為發(fā)展；2.采空區(qū)中部趨于壓實，而四周呈現(xiàn)離層裂隙發(fā)育的“O”形圈。

圖1　巖層柱狀圖

圖2　采動裂隙帶平行于煤層平面形態(tài)示意圖

圖3　采動裂隙帶走向剖面形態(tài)示意圖

圖4　采動裂隙帶傾向剖面形態(tài)示意圖

華明國認為采空區(qū)裂隙場在空間上沿工作面走向、傾向上存在三個區(qū)域：如圖3所示從采空區(qū)深部方向來看，開切眼和工作面位置裂隙發(fā)育程度最高，采空區(qū)中部趨于壓實裂隙密度較小；如圖4所示，沿工作面方向，進風巷和回風巷位置裂隙發(fā)育程度最高，中部趨于壓實。

采空區(qū)瓦斯運移狀態(tài)方程

質量守恒方程

有質量守恒定律，推導出流體流動質量守恒方程的微分形式：

式中：ρ—流場密度；t —時間；U —為速度矢量，u，v，w為流速在x，y，z 方向上的分量。

動量守恒方程

對動量守恒方程進行簡化，經(jīng)常用到的簡化模型有二項式模型和指數(shù)模型：

式中：Jx—為x 方向的壓力梯度；Kx—x方向的滲透系數(shù)，ax為多孔介質的x 方向粘性阻力系數(shù)；bx—x方向慣性阻力系數(shù)。

擴散運動方程

圖5　相似模型試驗裂隙圈范圍

根據(jù)菲克定律與質量守恒定律，擴散運動的微分方程為：

式中：x —煤粒瓦斯含量，m3/t 或m3/m3；r—煤粒內(nèi)任一點半徑，m；t—時間，s。

綜放面采空區(qū)及采場上覆巖層建模及網(wǎng)格劃分

采空區(qū)裂隙場形態(tài)確定

采動裂隙矩形梯臺的高度

一般情況，垮落帶的高度為采高的3～5倍。裂隙帶和垮落帶的高度可有前人總結的經(jīng)驗公式計算得到，在垮落帶和斷裂帶的高度分別為：

斷裂帶：

采動裂隙圈的帶寬

工作面的初次來壓和周期來壓步距決定著裂隙圈的寬度，開切眼位置得裂隙圈帶寬相當于初次來壓步距，為28m；工作面位置的裂隙圈帶寬約為2倍的周期來壓步距，為35m。

采動裂隙矩形梯臺斷裂角

由相似模擬試驗，量得開切眼斷裂角63°、工作面斷裂角為65°，沿傾向方向的斷裂角以工作面的斷裂角為準為65°。

④采場幾何模型尺寸：

1.煤層傾角2～5°為近水平煤層。設模型為矩形梯臺體，進風巷、回風巷、高抽巷和工作面按照長方體建模，進風巷尺寸：長30m，寬5.3m，高3.5m；工作面尺寸：長230m，寬5.3m，高3.5m；回風巷尺寸：長30m，寬5.3m，高3.5m；采空區(qū)長400m，寬241m，高78m。

2.高抽巷距離煤層底板20m，距回風巷水平距離20m；高抽巷尺寸：寬3.8m，高3m。

3.根據(jù)碎脹系數(shù)不同將采空區(qū)及上覆巖層劃分為不同區(qū)域。

采空區(qū)滲透率的確定

采動裂隙場具有多孔介質的特性，對不同區(qū)域取不同的碎脹系數(shù)，巖石的碎脹系數(shù)由巖石的性質及處于裂隙場區(qū)域位置決定。采空區(qū)滲透性和孔隙率與巖石垮落碎脹系數(shù)的研究，得出Blake-Kozeny公式：

式中：e為滲透系數(shù)；n為孔隙率；KP為巖石垮落碎脹系數(shù)；Dm為多孔介質平均粒子直徑，冒落帶取0.014～0.016m，裂隙帶取0.016～0.040m；1/e粘滯阻力為滲透系數(shù)的倒數(shù)C2慣性阻力計算方法：

圖6　裂隙場沿走向剖面幾何參數(shù)圖

圖7　裂隙場沿傾向剖面幾何參數(shù)圖

圖8　采空區(qū)U+I梯臺模型

模型邊界條件的設定

進風巷位置設為進口邊界，進風巷風流速度為2.8m/ s，瓦斯?jié)舛葹??；仫L巷及高抽巷口設置為出口邊界，設置為壓力出口。其余固體邊界邊界設置為壁面。采空區(qū)底部面設置為瓦斯涌出源，按照模型和參數(shù)進行數(shù)值模擬，直至計算殘差收斂為止，可得采空區(qū)流場、瓦斯分布等規(guī)律特性。

計算結果分析

圖9　采空區(qū)工作面水平瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=2m）

圖10　采空區(qū)高抽巷水平瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=22m）

圖11　采空區(qū)z立面瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（z=2、22、45m）

表1　模型不同區(qū)域滲透率和孔隙率系數(shù)

本次計算在本次模擬采用非耦合隱式算法，在Fluent中設置好相關條件后，通過軟件自動初始化未知量和設定數(shù)據(jù)迭代的次數(shù)和精度，就可對8214綜采工作面采空區(qū)三維模型進行模擬。得到采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植紙D。如圖9、圖10、11分別表示采空區(qū)距底板高度2m、22m、45m平面的瓦斯?jié)舛确植紙D。

圖12　工作面水平y(tǒng)=20、120、220向采空區(qū)深部延伸瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖13　采空區(qū)x立面瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（x=35、100、150、200m）

圖14　工作面水平x=35、100、200m由進風側向回風側瓦斯?jié)舛茸兓€圖

由采場瓦斯在z方向截面分布圖可以看出，回風側瓦斯?jié)舛雀哂谶M風側，向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，由z=2、z=22截面瓦斯?jié)舛确植紙D可以看出，由進風側到回風側瓦斯?jié)舛瘸商荻戎饾u升高，由于抽采負壓對氣流的導向作用有效降低了了回風巷、上隅角的瓦斯?jié)舛?，對于防治回風巷、上隅角瓦斯超限起到了良好的效果。

圖12表示工作面水平進風側、采場中部到回風側向采空區(qū)深部延伸瓦斯?jié)舛茸兓€圖，從圖中可以看出，在進風側瓦斯?jié)舛仍黾泳徛?，回風側瓦斯?jié)舛仍?～50m范圍增加迅速，在50m左右濃度達到30%，然后緩慢變化?？傮w在300m深度瓦斯?jié)舛冗_到最大40%，再向采空區(qū)深部延伸趨于減小，模擬分析可以認為采空區(qū)漏風影響范圍可達到300m。

圖14示為采空區(qū)x方向瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D和工作面水平x=35、100、200m由進風側向回風側瓦斯?jié)舛茸兓€圖，從圖中可以看出，向采空區(qū)延伸，瓦斯?jié)舛瘸商荻戎饾u升高，在豎直方向上，由于瓦斯的升浮作用在采空區(qū)上部瓦斯?jié)舛容^高，在x=35m截面為煤壁支撐區(qū)范圍，由進風側向回風側延伸至200m范圍，瓦斯?jié)舛茸兓淮螅?00～240m范圍，瓦斯?jié)舛燃眲∩撸C明由于風流作用，瓦斯在回風側積聚，濃度最高達33%，在采空區(qū)中部x=100m處于離層區(qū)范圍，瓦斯?jié)舛扔蛇M風側向回風側變化較為緩和，在150～240m范圍，瓦斯?jié)舛茸兓^大，濃度最高達35%，在采空區(qū)深部x=200m處于重新壓實區(qū)的范圍，瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，且有進風側到回風側濃度變化緩和，瓦斯?jié)舛仍?5%～40%波動。

結語

1）本文結合“O”圈理論確定了采空區(qū)裂隙場形態(tài)，對采空區(qū)進行了細致的塊狀劃分建立了U型+走向高抽巷通風方式的采空區(qū)幾何模型，并通過計算分析了模型對應區(qū)域的滲透率和孔隙率等相關參數(shù)；

對U型+走向高抽巷通風系統(tǒng)條件下的采動裂隙場進行了模擬計算，高抽巷對采空區(qū)瓦斯起到主導控制作用，采空區(qū)大量的泄壓瓦斯匯集到回風巷側裂隙圈后進入高抽巷，有效降低了回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛龋?/p>

在水平方向上，從工作面位置向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，采空區(qū)300m深度位置瓦斯?jié)舛瓤蛇_40%，由進風側向回風側瓦斯?jié)舛戎饾u升高；從縱向看，同一處瓦斯?jié)舛扔上碌缴现饾u增大，瓦斯由于升浮作用上升到上部空間，在同一地點，瓦斯?jié)舛扔上孪蛏铣尸F(xiàn)遞增。對礦井進一步的瓦斯治理起到指導作用。

郭世杰 夏彬偉

重慶大學

郭世杰，男，碩士生，1991年生。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.007