程 成，胡 杰，龔選平，范 寧

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300)

0 引言

目前國家千萬噸級礦井逐漸增多，煤礦的開采強度也逐漸增高，隨著高強度開采，礦井瓦斯涌出量增大，瓦斯災(zāi)害成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一[1]。而高強度開采時采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象急劇增加更為明顯，因此對采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的研究為解決礦井瓦斯問題提供了有效支撐[2]。

目前對采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的理論研究有較多成果，錢鳴高、袁亮、李樹剛等[3-5]提出了采場移動的“O型圈”“高位環(huán)形體”“豎三帶”“橢拋帶”理論，對采空區(qū)瓦斯運移及分布規(guī)律進行了分析，并對采空區(qū)瓦斯治理工作提供了基礎(chǔ)理論支持。針對工作面瓦斯涌出預(yù)測，國內(nèi)外學者也基于不同地質(zhì)條件及工作面開采情況等參數(shù)對瓦斯涌出進行建模。伍愛友、谷松等[6-7]通過灰色理論及小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型對礦井瓦斯涌出量進行了預(yù)測；高亮等[8]研究了周期來壓時工作面瓦斯涌出異常變化規(guī)律及不同開采強度瓦斯涌出變化趨勢及上隅角瓦斯?jié)舛惹闆r。采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的研究也有了較多成果，李宗翔[9]采用數(shù)值模擬的方法對采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律進行了研究，分析了放頂煤過程中采空區(qū)瓦斯動態(tài)變化規(guī)律；楊宏民等[10]通過研究低瓦斯高強度開采工作面瓦斯涌出及防治特點，分析了工作面瓦斯涌出特征，并對瓦斯治理效果進行了評價；張仕和、翁明月、李化敏等[11-13]通過現(xiàn)場瓦斯及礦壓數(shù)據(jù)對工作面瓦斯涌出特征進行分析，發(fā)現(xiàn)工作面的瓦斯涌出規(guī)律受采動圍巖活動影響較大，主要是采空區(qū)瓦斯涌出導致工作面瓦斯升高。

綜上所述，目前對礦井工作面瓦斯涌出量的研究較多，采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律及模型構(gòu)建較少，尤其對工作面不同回采速度下瓦斯涌出量的影響規(guī)律研究較少。因此本文主要研究不同回采速度下采空區(qū)瓦斯的涌出規(guī)律。

為了更好地研究工作面回采速度對采空區(qū)瓦斯涌出的影響規(guī)律，本文采用對不同回采速度下采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量建立數(shù)學模型，并通過數(shù)值模擬的方法對不同回采速度下采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯分布情況進行模擬計算，同時根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律進行分析。旨在通過研究采空區(qū)瓦斯的涌出規(guī)律，定量分析回采速度對采空區(qū)瓦斯涌出影響規(guī)律，為現(xiàn)場實際工作進行一定理論指導。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

王家?guī)X煤礦位于山西省鄉(xiāng)寧縣，井田面積119.7 km2；礦井采用主、副平硐開拓，礦井開采采煤方法采用長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤工藝。

王家?guī)X礦為典型高產(chǎn)高效引起工作面瓦斯較高的高瓦斯礦井。試驗工作面選取王家?guī)X煤礦12322工作面，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該工作面平均煤厚6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面傾向長300 m，巷道寬5 m，高3.5 m，采出率為93%。

目前礦井采空區(qū)瓦斯涌出情況及分布如圖1所示。但目前對如何確定最佳的回采速度進行采空區(qū)瓦斯高效治理成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題。

圖1 采空區(qū)瓦斯涌出來源及分布Fig.1 Sources and distribution of gas emission in goaf

1.2 采空區(qū)遺煤瓦斯涌出模型

不同回采速度下，工作面割煤瓦斯涌出量不同，由漏風導致的進入采空區(qū)的瓦斯量也不同，因此需要建立不同割煤速度下工作面瓦斯涌出模型及采空區(qū)遺煤瓦斯涌出模型。

假設(shè)采空區(qū)遺煤在采空區(qū)內(nèi)均勻分布，因此采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量可通過式(1)計算[14]：

(1)

式中：Q1為遺煤的瓦斯涌出強度，根據(jù)實驗室測定取3.55 m3/(t·min)；c為工作面采出率，根據(jù)實際值取93%；ρm為落煤密度，取0.22 t/m3；L為工作面長度，取300 m；LH為瓦斯排放寬度，取18 m；h煤層厚度，取6 m；n為瓦斯衰減系數(shù)，取0.18 min-1；v0為工作面回采速度，分別取6，8，10 m/d；l為采空區(qū)長度，取200 m。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 數(shù)值模型建立

采用COMSOL有限元分析軟件并選用CFD模塊對不同回采速度下采空區(qū)瓦斯涌出的情況進行模擬研究，建立多孔介質(zhì)流動、稀物質(zhì)傳遞2個物理場的動態(tài)耦合模型，開展二維采空區(qū)瓦斯涌出動態(tài)研究。根據(jù)王家?guī)X12322工作面實際生產(chǎn)情況建立數(shù)值計算模型，如圖2所示，進風巷及回風巷寬度5 m，長度50 m；采空區(qū)長200 m，寬300 m。

圖2 工作面幾何模型Fig.2 Geometric model of working face

建立本次模型主要確定采空區(qū)孔隙率、滲透率(見表1)及瓦斯源項，瓦斯源項主要分析采空區(qū)瓦斯涌出瓦斯量。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值Table 1 Valuing of numerical simulation parameters

采空區(qū)瓦斯涌出源項計算方法如下[15]：

(2)

式中：Qs為模型瓦斯質(zhì)量源項，kg/(m3·s)；Qc為瓦斯涌出量，m3/s；pg為瓦斯密度，kg/m3；V為瓦斯質(zhì)量源項總體積，m3。

通過公式(1)～(2)可得出采空區(qū)瓦斯源與回采速度的關(guān)系式：

(3)

因回采速度不同采空區(qū)瓦斯涌出情況不同，通過模擬計算6，8，10 m/d回采速度下采空區(qū)瓦斯涌出情況及分布情況。經(jīng)計算可得采空區(qū)瓦斯源項分別為Qs(6)=3.98×10-6kg/(m3·s)，Qs(8)=5.31×10-6kg/(m3·s)，Qs(10)=6.64×10-6kg/(m3·s)。

2.2 模擬結(jié)果分析

設(shè)定采空區(qū)在不同開采速度下，使用COMSOL軟件進行數(shù)值模擬研究，最終得到不同回采速度下采空區(qū)瓦斯分布云圖，如圖3所示。

在不同回采速度下，分析瓦斯分布云圖可以明顯看出：1)采空區(qū)瓦斯?jié)舛染S著采空區(qū)深度的增加而不斷增大，進風側(cè)一段瓦斯?jié)舛容^低，而隨著距離的增加，瓦斯?jié)舛仍絹碓酱?，形成一個瓦斯?jié)舛忍荻取?/p>

2)回采速度的升高，對采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量的影響較強，速度越快，采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量越高。對采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M行梯度劃分，并繪制等值線圖，如圖3所示。在靠近進風巷部分，濃度梯度變化較低，但向回風巷部分越近，濃度梯度變化越明顯，且采空區(qū)同一位置的瓦斯?jié)舛入S著工作面回采速度的增加呈梯度增長，回采速度越大，采空區(qū)相同深度的區(qū)域瓦斯?jié)舛让黠@升高。

圖3 不同回采速度下采空區(qū)瓦斯分布Fig.3 Gas distribution in goaf under different mining speeds

選取采空區(qū)深度30 m處的工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，如圖4所示。回采速度越快，相同深度的瓦斯?jié)舛仍礁撸S著采空區(qū)漏風所帶出的瓦斯量越高，表明采空區(qū)瓦斯涌出越快，涌出量越高。

圖4 不同回采速度下采空區(qū)30 m深的瓦斯?jié)舛确植糉ig.4 Distribution of gas concentration in goaf at depth of 30 m under different mining speeds

綜上所述，回采速度對采空區(qū)瓦斯涌出有較大影響，回采速度越快，采空區(qū)瓦斯涌出越快，涌出量越大。選取合適的回采速度對采空區(qū)瓦斯治理有明顯作用。

3 回采速度效應(yīng)現(xiàn)場分析

3.1 回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出相關(guān)性分析

為研究工作面回采速度對采空區(qū)瓦斯涌出的影響，對王家?guī)X礦12322工作面的采空區(qū)瓦斯涌出量與工作面回采速度的數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計分析，并繪制了12322工作面采空區(qū)瓦斯涌出與工作面日推進距離的變化曲線，如圖5，6所示。

圖5 工作面回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出演化曲線Fig.5 Evolution curves of mining speed at working face and gas emission in goaf

圖6 采空區(qū)瓦斯涌出與工作面回采速度相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between gas emission in goaf and mining speed at working face

由圖5，6可以看出，12322工作面采空區(qū)瓦斯涌出量與工作面回采速度變化趨勢有一定的相關(guān)性，工作面回采速度升高，對應(yīng)的瓦斯涌出速率也有一定的升高，在工作面回采速度較小時，瓦斯涌出也有一定的下降。但通過繪制回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出量相關(guān)性關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)相關(guān)性僅為0.6，表現(xiàn)出一定相關(guān)性，但相關(guān)性不強烈。因此除產(chǎn)量外還有一些因素對采空區(qū)瓦斯涌出量產(chǎn)生一定影響。

3.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化后回采速度影響效應(yīng)分析

為進一步了解回采速度對瓦斯涌出量的影響規(guī)律，減少其他因素對瓦斯涌出的影響，將回采速度按照一定間隔進行階段性歸類，并分別取該歸類速度區(qū)間內(nèi)的回采速度平均值與瓦斯涌出量平均值，具體數(shù)據(jù)見表2，并繪制線性關(guān)系，如圖7所示。

當對工作面回采速度進行分類分析后，采空區(qū)瓦斯涌出量和工作面回采速度相關(guān)性大幅度升高，由原來0.60升高至0.94。同時也說明工作面回采過程中的初次來壓、周期來壓期間對瓦斯涌出量影響較大。圖7為數(shù)據(jù)歸類分析后的采空區(qū)瓦斯涌出量與工作面回采速度的散點圖及擬合曲線。從圖7中可以明顯看出，采空區(qū)瓦斯涌出受工作面回采速度影響且呈線性關(guān)系，表明兩者之間具有很強的相關(guān)性。

表2 速度區(qū)間劃分數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Data statistics of velocity interval division

圖7 回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出線性關(guān)系Fig.7 Linear relationship between mining speed and gas emission in goaf

由于12322工作面采用綜采放頂煤工藝，工作面在回采過程中，采空區(qū)存在遺煤，且臨近層瓦斯通過裂隙通道進入采空區(qū)，使得采空區(qū)及裂縫帶內(nèi)存在大量瓦斯，因而即使工作面回采速度較低或者停采期間，瓦斯涌出量依然可以維持在一定水平。由于瓦斯涌出隨著時間進行衰減，當回采速度不同，相同深度采空區(qū)遺煤的瓦斯涌出能力不同，當回采速度提高，同時間段內(nèi)遺煤瓦斯量涌出量會出現(xiàn)明顯提高，且呈線性增長。

4 結(jié)論

1)采空區(qū)瓦斯分布受回采速度影響?；夭伤俣仍酱螅嗤煽諈^(qū)深度的瓦斯?jié)舛仍礁?，瓦斯?jié)舛扰c回采速度呈線性相關(guān)。

2)回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出呈線性相關(guān)，通過對瓦斯涌出及回采速度進行分類平均，可有效減弱其他因素對采空區(qū)瓦斯涌出量之間的影響，相關(guān)性從0.60提高至0.94。

3)對比數(shù)值分析及現(xiàn)場試驗，采用COMSOL軟件可以有效對不同回采速度下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律及瓦斯涌出量進行預(yù)測，指導礦井抽采設(shè)計及回采速度優(yōu)化。