陳大廣，沙　旋

(1. 山西高河能源有限公司，山西　長治　046000； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇　徐州　221116)

我國許多高瓦斯礦井巷道斷面大、掘進速度快、瓦斯涌出量大，采用傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式，上隅角瓦斯超限問題嚴重[1]. 在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外進行了廣泛研究，從數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方面分析提出了Y型、U+L型、Y+L型、W型、E型、Z型、J型等通風(fēng)方式[2-6]，解決采空區(qū)瓦斯回流采面上段的問題，降低采面上段瓦斯?jié)舛?，避免了U型通風(fēng)時采空區(qū)瓦斯集中涌向采面上隅角引起瓦斯超限現(xiàn)象?！癥 +L”型兩進一回通風(fēng)系統(tǒng)，因系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，工作面風(fēng)流充足，瓦斯稀釋效果顯著，在礦井中得到廣泛應(yīng)用[3, 7-9]， 然而在尾巷的長度選取方面無相對系統(tǒng)合理的研究，一般按經(jīng)驗值取60～100 m[3].本文以高河能源E1316工作面地質(zhì)條件為依托，利用FLUNT模擬軟件模擬工作面瓦斯流場特征，為確定合理的聯(lián)絡(luò)巷間距，確保礦井的安全高效開采提供科學(xué)依據(jù)。

1　工作面概況

高河能源東一盤區(qū)E1315、E1316工作面為相鄰工作面，主采3#煤，煤厚6.2～7.5 m，平均6.5 m，煤層傾角1°～7°，平均5°，煤層強度較低，為松軟煤層，f=0.7，煤層埋深445～484 m，平均467 m.由2014年度高河能源瓦斯涌出量測定結(jié)果可知，礦井絕對瓦斯涌出量253.92 m3/min，為高瓦斯礦井，依據(jù)《E1315回采工作面抽采評判報告》，E1315工作面經(jīng)抽采后瓦斯含量為6.788 6 m3/t；3#煤層具有煤塵爆炸性，無煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出危險性，無發(fā)火自燃現(xiàn)象，屬不易自燃煤層。

在E1315工作面回采過程中，沿E1315工作面采空區(qū)留設(shè)E1315進風(fēng)順槽作為E1316工作面回采時期的回風(fēng)順槽，并且沿著E1315進風(fēng)順槽留35 m大煤柱掘進E1316進風(fēng)順槽，巷道布置示意圖見圖1.

圖1　巷道布置示意圖

2　物理模型及網(wǎng)格劃分

1) 物理模型。

利用Gambit軟件建立綜放面采空區(qū)的數(shù)值計算模型后，再對模型進行網(wǎng)格劃分。本次模型采用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)能自動生成四面體網(wǎng)格并且在局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域細化網(wǎng)格，共747 002個網(wǎng)格。采空區(qū)冒落帶高度取12.9 m，裂隙帶高度取46.5 m，不考慮彎曲下沉帶。網(wǎng)格劃分圖見圖2.

圖2　模型網(wǎng)格圖

2) 邊界條件及參數(shù)設(shè)置。

根據(jù)E1316綜放工作面的現(xiàn)場實際情況，進風(fēng)巷(jinfeng1)設(shè)為速度入口邊界，風(fēng)速2.9 m/s，風(fēng)量3 045 m3/min；輔助進風(fēng)巷(jinfeng2)設(shè)定為速度入口邊界，風(fēng)速1.4 m/s，風(fēng)量 1 470 m3/min，回風(fēng)巷(huifeng)設(shè)定為自由出口邊界(outflow)，采空區(qū)的孔隙率和瓦斯源項通過UDF函數(shù)來定義。

3) 數(shù)值模擬方案。

在E1316工作面現(xiàn)已掘進巷道的基礎(chǔ)上，再新掘一條進風(fēng)順槽和原有巷道構(gòu)成兩條進風(fēng)順槽，回風(fēng)順槽為沿空所留巷道，工作面的污風(fēng)通過進風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽之間的聯(lián)絡(luò)巷排出，因此，聯(lián)絡(luò)巷間距對工作面回風(fēng)有著重要的影響。本次模擬的聯(lián)絡(luò)巷間距分別為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m和45 m，模擬以工作面后方聯(lián)絡(luò)巷間距最大時為研究對象，聯(lián)絡(luò)巷位置見圖1.

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

將Gambit軟件輸出的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT中，按照邊界條件及參數(shù)進行設(shè)置，對不同間距的聯(lián)絡(luò)巷進行模擬，從而研究工作面上隅角瓦斯分布情況。為了更好地顯示瓦斯的分布情況，分別作出瓦斯的空間分布圖見圖3，X方向切片、Y方向切片和Z=2切片瓦斯分布圖見圖4.

圖3　瓦斯空間分布圖

圖4　聯(lián)絡(luò)巷間距35 m時瓦斯分布圖

由圖3可知，在兩進一回的Y型通風(fēng)條件下，新鮮風(fēng)流由右側(cè)的膠帶順槽進入工作面及采空區(qū)，另一側(cè)由進風(fēng)順槽進入的新鮮風(fēng)流稀釋工作面出來的污風(fēng)。同時可以看出，聯(lián)絡(luò)巷間距45 m與聯(lián)絡(luò)巷間距15 m相比，工作面上隅角濃度更低，聯(lián)絡(luò)巷間距的變化對膠帶順槽進風(fēng)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛扔绊戄^小，對回風(fēng)順槽側(cè)的瓦斯?jié)舛扔绊戄^大。當(dāng)聯(lián)絡(luò)巷間距為15 m時，瓦斯含量最大為37.2%，而聯(lián)絡(luò)巷間距為45 m時，瓦斯含量最大為33.8%，瓦斯含量低10.1%.

由圖4可以看出，在X方向切片中，當(dāng)Y值相同時，隨距離工作面距離的增大采空區(qū)瓦斯含量逐漸升高；在Y方向切片中看出，在X值相同時，隨距離回風(fēng)巷的距離減小瓦斯含量變大；從Z=2面切片可以看出距離工作面較近的一部分受工作面漏風(fēng)比較大，瓦斯?jié)舛群艿?；在走向方向上，越遠離工作面，瓦斯體積分數(shù)越大；在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的采空區(qū)，瓦斯體積分數(shù)在工作面與回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷之間，瓦斯?jié)舛茸兓苄。诨仫L(fēng)聯(lián)絡(luò)巷之后的采空區(qū)深部升高較快。

為研究瓦斯含量與聯(lián)絡(luò)巷間距之間的關(guān)系，在圖3中采空區(qū)左側(cè)距進風(fēng)順槽10 m處沿Y方向作一條測線，并作出瓦斯含量與距工作面距離之間的變化曲線見圖5.

圖5　瓦斯含量與距工作面距離之間的變化曲線圖

從圖5中可以看出：

1) 不同聯(lián)絡(luò)巷間距下瓦斯含量變化趨勢大致相同，在距工作面不遠范圍內(nèi)的瓦斯含量變化不大，具有小幅度波動的特點，瓦斯含量較低，但隨著與工作面距離的增加，尤其是超過聯(lián)絡(luò)巷間距后，瓦斯含量急劇增加，在采空區(qū)深處達到最大并趨于穩(wěn)定。

2) 在采空區(qū)同一位置，隨著聯(lián)絡(luò)巷間距的增大，瓦斯?jié)舛戎饾u降低；且隨著聯(lián)絡(luò)巷間距的增大，低瓦斯區(qū)域的范圍逐漸增加。對于15 m和20 m聯(lián)絡(luò)巷間距時，瓦斯含量明顯整體偏高，而且高瓦斯區(qū)域距離工作面較近；而25 m、30 m和35 m聯(lián)絡(luò)巷間距時，瓦斯含量相對于15 m和20 m時有所降低，靠近工作面?zhèn)鹊牡屯咚箙^(qū)域范圍也有所增加；對于40 m和45 m聯(lián)絡(luò)巷間距，雖然瓦斯?jié)舛纫灿兴档停殡S著聯(lián)絡(luò)巷間距的增加，意味著需要滯后工作面留巷距離越長，在采動影響下滯后支護較為困難，同時相應(yīng)的支護成本增加。因此，合理的聯(lián)絡(luò)巷間距應(yīng)該在25～35 m.

合理聯(lián)絡(luò)巷間距的確定要綜合工作面的三維瓦斯流場分布規(guī)律與滯后工作面通過加強支護維護的巷道長度來確定。通過數(shù)值模擬分析得出，在工作面回采過后，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在滯后工作面35～40 m，工作面后方加強支護的巷道長度應(yīng)位于此范圍內(nèi)以降低其維護難度。綜合考慮，聯(lián)絡(luò)巷間距確定為30 m為宜。

4　結(jié)　論

1) 模擬分析了瓦斯空間分布、沿工作面走向、傾向和豎向3個不同方向上瓦斯?jié)舛鹊姆植继卣?，得出隨著聯(lián)絡(luò)巷間距的增加，瓦斯含量呈降低趨勢。

2) 結(jié)合工作面滯后支承壓力影響，最終確定聯(lián)絡(luò)巷間距為30 m.

[1]何磊，楊勝強，孫祺, 等. Y型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律及治理研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011(02):50-54.

[2]李英明, 徐繼成, 張瀚, 等. 綜放開采偏W型通風(fēng)系統(tǒng)及工作面參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2014(03):483-488.

[3]俞啟香, 王凱, 楊勝強. 中國采煤工作面瓦斯涌出規(guī)律及其控制研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2000(01):9-14.

[4]張璇. 賀西礦瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2013.

[5]常坦祥.Y型通風(fēng)工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué), 2015.

[6]王凱, 吳偉陽. J型通風(fēng)綜放采空區(qū)流場與瓦斯運移數(shù)值模擬[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007(03):277-282.

[7]孫銳, 王兆豐, 丁楠, 等. 雙巷掘進工作面中間煤柱瓦斯流動理論分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2010(05):58-61.

[8]王武軍, 陳中彥, 王雅黎. 近距離開采保護層采煤工作面瓦斯治理技術(shù)實踐與應(yīng)用[J]. 科技信息, 2012(23):399-436.

[9]郭翔宇, 王振剛. “Y+L”型通風(fēng)方式在綜采工作面瓦斯治理的試用[J]. 煤, 2011(09):19-21.