呂情緒，肖劍儒，滿 洋

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神東技術(shù)研究院，陜西 神木 719300；2.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300；3.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 機(jī)電管理部，陜西 神木 719300）

工作面瓦斯涌出及運(yùn)移規(guī)律是關(guān)乎礦井安全生產(chǎn)的重要因素，若礦井通風(fēng)能力不足或開(kāi)采技術(shù)條件不合理則極有可能造成工作面瓦斯超限從而影響安全生產(chǎn)[1-4]。為保證礦井安全生產(chǎn)，諸多專家學(xué)者針對(duì)瓦斯治理進(jìn)行了大量研究[5-7]。賈廷貴等通過(guò)數(shù)值模擬研究了抽采前后工作面的瓦斯分布情況，確定了保證上隅角安全的瓦斯體積分?jǐn)?shù)值[8]；張?jiān)鲚x等以保德煤礦為研究對(duì)象，指出抽采量是影響回風(fēng)流瓦斯積聚的主要因素[9]；劉超等針對(duì)由于雙重卸壓而導(dǎo)致的工作面瓦斯涌出量超限問(wèn)題，制定了復(fù)合采空區(qū)高位定向鉆孔瓦斯抽采方案[10]。上述研究為礦井工作面的瓦斯防治提供了充分理論依據(jù)和技術(shù)支持，但這些成果鮮有涉及針對(duì)高強(qiáng)綜放開(kāi)采工作面以避免瓦斯積聚為目的而確定需風(fēng)量的研究，即鮮有綜放工作面通風(fēng)能力校核的研究，更鮮有以不同工作面長(zhǎng)度下瓦斯運(yùn)移規(guī)律及積聚情況為設(shè)計(jì)依據(jù)確定高強(qiáng)綜放工作面合理長(zhǎng)度的探討。高強(qiáng)綜放工作面因煤層開(kāi)采厚度大而瓦斯涌出量大，若工作面長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理，則更易為工作面風(fēng)排瓦斯帶來(lái)困難而致瓦斯隱患，甚至使低瓦斯煤層工作面呈現(xiàn)高瓦斯涌出水平[11]，此外，因綜放開(kāi)采割煤及放煤回采率存在差異而瓦斯涌出不均衡使綜放工作面長(zhǎng)度與通風(fēng)能力及瓦斯涌出量的演化關(guān)系不同于綜采工作面。綜上所述，有必要研究低瓦斯煤層綜放工作面長(zhǎng)度與通風(fēng)能力及瓦斯涌出的作用關(guān)系并以此為依據(jù)確定合理工作面長(zhǎng)度，為礦井安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。布爾臺(tái)礦是典型低瓦斯高強(qiáng)開(kāi)采礦井，為此，以布爾臺(tái)礦42108 綜放工作面為工程背景，理論推導(dǎo)綜放工作面以通風(fēng)能力校核工作面長(zhǎng)度的公式，數(shù)值模擬不同長(zhǎng)度時(shí)工作面瓦斯涌出移運(yùn)規(guī)律，并最終結(jié)合理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬結(jié)果確定出低瓦斯高強(qiáng)開(kāi)采綜放工作面的合理長(zhǎng)度。

1 工程概況

布爾臺(tái)礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2 000 萬(wàn)t/年，是神東煤炭集團(tuán)公司的主力生產(chǎn)礦井之一。礦井現(xiàn)回采42 煤，42 煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量最大為5.36 m3/min，屬低瓦斯煤層。42108 工作面沿煤層傾斜布置，沿走向推進(jìn)，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜放采煤方法，煤層厚度6.1 m，設(shè)計(jì)割煤高度3.7 m、放煤高度2.4 m。42108 綜放面設(shè)備裝備及管理水平先進(jìn)，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力大，屬于典型的低瓦斯煤層高強(qiáng)開(kāi)采綜放工作面，若工作面長(zhǎng)度不合理則有可能因通風(fēng)能力不足造成瓦斯涌出超限隱患而阻礙高產(chǎn)高效?；诖耍诮梃b礦井已有生產(chǎn)工作面長(zhǎng)度的前提下，針對(duì)工作面長(zhǎng)度與通風(fēng)能力校核及不同長(zhǎng)度下瓦斯涌出情況展開(kāi)研究，并以此為依據(jù)確定合理工作面長(zhǎng)度。

2 綜放工作面通風(fēng)能力校核

工作面長(zhǎng)度越大，瓦斯涌出量相應(yīng)增加，這就要求提高工作面供風(fēng)量以稀釋瓦斯含量，而風(fēng)量過(guò)大則會(huì)造成井下粉塵與煤塵大量懸浮，導(dǎo)致煤層自燃甚至引發(fā)爆炸等重大井下災(zāi)害，因此在以通風(fēng)能力校核切入點(diǎn)確定合理工作面長(zhǎng)度時(shí)必須保證井下各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。目前對(duì)于綜放工作面長(zhǎng)度與通風(fēng)能力演化關(guān)系的校核還沒(méi)有確定的標(biāo)準(zhǔn)，因此以綜采工作面礦井通風(fēng)能力與工作面合理長(zhǎng)度的校核公式為基礎(chǔ)，針對(duì)綜放工作面的開(kāi)采特點(diǎn)，理論推導(dǎo)出以通風(fēng)能力校核綜放工作面長(zhǎng)度的公式。

《煤礦礦井采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定綜采工作面以礦井通風(fēng)能力校核工作面長(zhǎng)度的公式如下[12]：

式中：L 為依工作面通風(fēng)能力確定的工作面最大長(zhǎng)度，m；v1為工作面內(nèi)允許的最大風(fēng)速，m/s；m 為采高，m；lx為工作面最小控頂距，m；Cf為風(fēng)流收縮系數(shù)，取0.9～0.95；q 為晝夜產(chǎn)煤1 t 所需風(fēng)量，t/m3；B1為采煤機(jī)截深，m；P 為煤層生產(chǎn)率，即單位面積上出煤量，P=mρc，t/m2；ρ 為煤的密度，kg/m3；c 為工作面回采率；N1為晝夜割煤刀數(shù)，刀。

由于綜放工作面開(kāi)采方式及采煤工藝與綜采工作面存在較大差別，故若采用以綜采工作面通風(fēng)能力校核公式確定綜放工作面長(zhǎng)度，則需進(jìn)一步對(duì)式（1）加以改進(jìn)和修正。

綜放工作面晝夜產(chǎn)煤量QM關(guān)系式為：

式中：V 為綜放工作面內(nèi)的風(fēng)速，m/s。

按照采煤工作面的風(fēng)速的要求：工作面內(nèi)的風(fēng)速≤工作面內(nèi)允許的最大風(fēng)速，故工作面通風(fēng)能力確定的綜采放頂煤工作面理論最大長(zhǎng)度的公式為：

將布爾臺(tái)42108 綜放工作面實(shí)際參數(shù)代入式（6），以通風(fēng)能力校核計(jì)算得出該綜放工作面理論最大長(zhǎng)度為317 m。

3 綜放工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律模擬

3.1 模型構(gòu)建

模擬研究工作面采空區(qū)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，將采空區(qū)視為連續(xù)的多孔介質(zhì)滲流空間，流體流動(dòng)過(guò)程遵循多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程等[13]。

模型以工作面實(shí)際后退式“U”型通風(fēng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建Fluent 模型，三維模型如圖1。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

模型工作面寬度7 m，高度6.1 m；進(jìn)風(fēng)巷道與回風(fēng)巷道長(zhǎng)度20 m，寬度5 m，高度3.5 m。根據(jù)“豎三帶”經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式大致推算，將垮落帶高度設(shè)置為20 m，斷裂帶高度設(shè)置為40 m。采用Mesh 對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照研究區(qū)域的不同分別對(duì)工作面、采空區(qū)以及巷道設(shè)置不同大小的網(wǎng)格間距，斷裂帶網(wǎng)格間距設(shè)置為12 m×12 m，垮落帶網(wǎng)格間距設(shè)置為5 m×5 m，工作面和進(jìn)回風(fēng)巷道網(wǎng)格間距設(shè)置為1 m×1 m。參考前述理論計(jì)算長(zhǎng)度，數(shù)值模擬研究中工作面長(zhǎng)度分別設(shè)置為260、270、280、290、300、310、320、330 m。

3.2 模型參數(shù)選擇及邊界條件設(shè)置

模擬假設(shè)條件如下：①將采空區(qū)瓦斯、氧氣等氣體視為理想氣體且氣體在采空區(qū)中流動(dòng)符合達(dá)西定律；②采空區(qū)多孔介質(zhì)具有各向同性；③模擬流動(dòng)過(guò)程中不考慮耗散熱等因素，均視為穩(wěn)定流動(dòng)；④采空區(qū)各處瓦斯均勻涌出且采空區(qū)90%瓦斯涌出量來(lái)自垮落帶，10%瓦斯涌出量來(lái)自斷裂帶。

采空區(qū)任一點(diǎn)空隙率計(jì)算公式如下[14]：

式中：?（x，y）為采空區(qū)任一點(diǎn)空隙率；x 為采空區(qū)任一點(diǎn)橫坐標(biāo)；y 為采空區(qū)任一點(diǎn)縱坐標(biāo)；Ly為采空區(qū)傾向長(zhǎng)度，m；hd為直接頂厚度，m；Kpb為直接頂破碎巖體殘余碎脹系數(shù)；σ 為相對(duì)軸向應(yīng)力，MPa；β1為回歸系數(shù)；ρ1為垮落巖石密度，kg/m3；l 為基本頂破斷巖塊長(zhǎng)度，m；θ 為工作面傾角，（°）。

根據(jù)上述采空區(qū)空隙率公式，得出采空區(qū)空隙率計(jì)算結(jié)果，采空區(qū)空隙率三維變化圖如圖2。

圖2 采空區(qū)空隙率三維變化圖Fig.2 Three dimensional variation diagram of void ratio in goaf

進(jìn)風(fēng)巷道至回風(fēng)巷道工作面附近采空區(qū)空隙率呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，同時(shí)采空區(qū)由淺部至深部空隙率不斷減小，采空區(qū)空隙率整體沿工作面長(zhǎng)度中軸處對(duì)稱且呈“鏟形”。

根據(jù)多孔介質(zhì)中湍流流動(dòng)計(jì)算滲透性系數(shù)公式，計(jì)算得出采空區(qū)各區(qū)域滲透性系數(shù)α 為[15]：

式中：v 為耗氧速度，（kg·m3）/s；λ 為氧氣體積分?jǐn)?shù)的衰減率，s-1；cτ為氧化時(shí)間，s；cb為氧氣體積分?jǐn)?shù)，%。

將上述公式與Fluent 軟件中UDF（用戶自定義函數(shù)）配合使用，使本次模擬更接近采空區(qū)流體真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。工作面進(jìn)風(fēng)巷入口與回風(fēng)巷出口邊界類型分別設(shè)置為Velocity-inlet 與Outflow，工作面、采空區(qū)及巷道邊界類型均設(shè)置為Fluid，其余邊界條件類型設(shè)置為UDF。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

分析模擬結(jié)果，得到的不同工作面長(zhǎng)度下采空區(qū)瓦斯移運(yùn)規(guī)律如圖3。

圖3 不同工作面長(zhǎng)度下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律Fig.3 Gas migration law in goaf under different working face lengths

由圖3 可知，由進(jìn)風(fēng)巷側(cè)到回風(fēng)巷側(cè)，因?yàn)楣ぷ髅嫜鯕庀?，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不斷升高；采空區(qū)淺部到采空區(qū)深部瓦斯體積分?jǐn)?shù)也急劇增加，該現(xiàn)象是采空區(qū)瓦斯分布的普遍規(guī)律，其與工作面長(zhǎng)度影響不大。隨著工作面長(zhǎng)度增加，新鮮風(fēng)流自進(jìn)風(fēng)巷側(cè)流入后受阻增強(qiáng)，對(duì)瓦斯的稀釋能力降低。因此工作面長(zhǎng)度不同，采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律表現(xiàn)出差異性，尤其以回風(fēng)側(cè)表現(xiàn)最為突出。工作面長(zhǎng)度從260 m增加到290 m，采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯區(qū)域向工作面方向移動(dòng)速度較慢且移近距離較小，這說(shuō)明工作面長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)增加，新鮮風(fēng)流通風(fēng)受阻較?。坏ぷ髅鎻?90 m 增加至330 m，采空區(qū)深部高體積分?jǐn)?shù)瓦斯區(qū)域整體向工作面移動(dòng)趨勢(shì)顯著，表明工作面增加到一定臨界值時(shí)，工作面風(fēng)流在滲透率以及耗氧速率等因素的相互耦合作用下風(fēng)流難以進(jìn)入采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)深部高體積分?jǐn)?shù)瓦斯場(chǎng)涌入采空區(qū)淺部瓦斯場(chǎng)并靠近工作面。

綜合不同工作面長(zhǎng)度時(shí)采空區(qū)整體瓦斯運(yùn)移規(guī)律來(lái)看，290 m 工作面長(zhǎng)度是采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯區(qū)域往工作面運(yùn)移趨勢(shì)的分界點(diǎn)，即工作面長(zhǎng)度小于290 m 時(shí)采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯區(qū)域距工作面較遠(yuǎn)，而工作面長(zhǎng)度大于290 m 后采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯區(qū)域顯著往工作面方向移動(dòng)。

3.3.2 采空區(qū)瓦斯爆炸范圍變化規(guī)律

根據(jù)圖3 提取采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)5%和16%的等值線數(shù)據(jù)繪制瓦斯爆炸區(qū)域（瓦斯爆炸界限體積分?jǐn)?shù)為5%～16%），繪制瓦斯爆炸區(qū)域及其與工作面長(zhǎng)度距離隨工作面長(zhǎng)度的演化曲線，瓦斯爆炸區(qū)域及其與工作面距離隨工作面長(zhǎng)度演化曲線如圖4。

圖4 瓦斯爆炸區(qū)域及其與工作面距離隨工作面長(zhǎng)度演化曲線Fig.4 Evolution curves of gas explosion area and its distance from the working face with working face length

由圖4 可知，隨工作面長(zhǎng)度增加，瓦斯爆炸區(qū)域及其與工作面距離的演化趨勢(shì)分為3 段：①緩慢變化段（Ⅰ）：工作面長(zhǎng)度由260 m 增加至290 m，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)及中部瓦斯爆炸區(qū)域范圍小幅拓寬，進(jìn)風(fēng)側(cè)及中部瓦斯爆炸區(qū)域與工作面距離緩慢縮小，說(shuō)明此范圍內(nèi)工作面長(zhǎng)度變化對(duì)瓦斯爆炸區(qū)域范圍及其與工作面的距離變化影響較小；②增速變化段（Ⅱ）：工作面長(zhǎng)度從290 m 增加至310 m，該階段采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯爆炸區(qū)域范圍仍然增大且增大速率增加，同時(shí)瓦斯爆炸區(qū)域與工作面距離也以相對(duì)較大的變化速率縮小，說(shuō)明此范圍內(nèi)工作面長(zhǎng)度增加對(duì)瓦斯爆炸區(qū)域范圍及其與工作面的距離變化影響程度開(kāi)始增大；③急速變化段（Ⅲ）：工作面由310 m增加至330 m，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與中部瓦斯爆炸區(qū)域均呈現(xiàn)不同程度縮減，推斷這是由于采空區(qū)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)16%的范圍增加所致，同時(shí)當(dāng)工作面長(zhǎng)度超過(guò)310 m 后，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與中部瓦斯爆炸區(qū)域隨工作面長(zhǎng)度增加而急速靠近工作面。

綜上所述，工作面長(zhǎng)290 m 前后采空區(qū)瓦斯爆炸區(qū)域及其與工作面距離變化差異較小，工作面長(zhǎng)310 m 前后采空區(qū)瓦斯爆炸范圍及其與工作面距離變化顯著，說(shuō)明工作面長(zhǎng)度小于310 m 能有效避免可能發(fā)生的采空區(qū)瓦斯爆炸對(duì)工作面產(chǎn)生的威脅。

3.3.3 工作面上隅角瓦斯積聚情況

瓦斯密度低于空氣密度，故工作面空間內(nèi)瓦斯主要分布在上方，而工作面上隅角位置通風(fēng)困難，因此該位置易產(chǎn)生瓦斯積聚現(xiàn)象。不同工作面長(zhǎng)度下上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖5。

圖5 不同工作面長(zhǎng)度下隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Gas volume fraction in the upper corner of the working face under different working face lengths

由圖5 可知，雖然工作面長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)（260～310 m）增加，工作面風(fēng)流流動(dòng)距離和阻力也相應(yīng)增加，新鮮風(fēng)流中的氧氣耗散量增多且瓦斯涌出量逐漸升高，但工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍保持較低值，對(duì)井下安全生產(chǎn)威脅較小。當(dāng)工作面長(zhǎng)度超過(guò)310 m，采空區(qū)淺部瓦斯不斷積聚，瓦斯體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高，工作面上隅角位置瓦斯積聚加重，其值為0.8%，已接近煤礦安全規(guī)程規(guī)定的工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)報(bào)警值1%，這將對(duì)井下安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[16]。由此，分析不同工作面長(zhǎng)度下上隅角瓦斯積聚情況可知，42108 綜放面長(zhǎng)度應(yīng)小于310 m。

總結(jié)數(shù)值模擬結(jié)果，由采空區(qū)整體瓦斯運(yùn)移規(guī)律可知42108 綜放面長(zhǎng)度應(yīng)小于290 m，由空區(qū)瓦斯爆炸范圍及其與工作面距離、上隅角瓦斯積聚情況可知42108 綜放面長(zhǎng)度應(yīng)小于310 m。因采空區(qū)瓦斯爆炸范圍及上隅角瓦斯積聚情況是影響工作面安全生產(chǎn)的主要因素，因此將此兩者作為確定工作面長(zhǎng)度的最終指標(biāo)。由此，基于數(shù)值模擬可得42108 綜放工作面長(zhǎng)度應(yīng)小于310 m，數(shù)值模擬結(jié)果與前文理論計(jì)算結(jié)果（317 m）基本一致，但在考慮充分保證現(xiàn)場(chǎng)安全的前提下最終確定工作面長(zhǎng)度為310 m，即310 m 工作面長(zhǎng)度下42108 綜放面既能充分實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)開(kāi)采又能保證工作面瓦斯安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）低瓦斯煤層高強(qiáng)綜放開(kāi)采工作面若工作面長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理不僅會(huì)阻礙工作面高效生產(chǎn)，更易導(dǎo)致工作面呈現(xiàn)高瓦斯涌出水平。

2）在考慮綜放開(kāi)采割煤及放煤回采率存在差異而瓦斯涌出不均衡的前提下推導(dǎo)了綜放工作面以礦井通風(fēng)能力校核工作面長(zhǎng)度的公式，并以此計(jì)算得到42108 工作面長(zhǎng)度應(yīng)小于317 m。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明工作面長(zhǎng)度與瓦斯涌出量的作用關(guān)系存在臨界值，工作面長(zhǎng)度超過(guò)臨界值后采空區(qū)瓦斯爆炸范圍及上隅角瓦斯積聚情況均對(duì)工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生較大威脅，結(jié)合理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果最終確定42108 工作面的合理長(zhǎng)度為310 m。