下行通風(fēng)工作面瓦斯流動(dòng)及分布規(guī)律研究

1、下行通風(fēng)工作面瓦斯流動(dòng)及分布規(guī)律研究趙楠，李增華，楊永良，楊玉靜中國(guó)礦業(yè)大學(xué)平安工程學(xué)院，江蘇徐州 2210085摘要：采用 CFD 流體力學(xué)軟件，對(duì)下行通風(fēng)工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移、濃度分布進(jìn)行了數(shù)值 模擬，分析了東龐礦 21101 工作面下行通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯分布及運(yùn)移規(guī)律。通過(guò)對(duì) 21101 工作面瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)，驗(yàn)證實(shí)際工作面瓦斯?jié)舛确植疾町?。根?jù)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)模擬結(jié)果， 對(duì)下行通風(fēng)工作面高位鉆孔抽放工藝設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：瓦斯運(yùn)移；瓦斯分布規(guī)律；高位鉆孔；瓦斯抽放10中圖分類(lèi)號(hào)：TD712Study on Gas Flow and Distribution Law on the

2、Coal Face with Downward VentilationZHAO Nan, LI Zenghua, YANG Yongliang, YANG Yujing15(Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,JiangSu XuZhou221008)Abstract: Using the CFD fluid mechanics software, on the downlink ventilated coal goaf gas migration, concentration dist

3、ribution in the numerical simulation, analyzed gas emission and movein goaf of Dong Pang main on the working face of 21101 with downward ventilation. Through20measured the gas concentration of the working face of 21101, verify actual face gas concentration distribution differences. According to the

4、simulation results goaf gas flow field of downside ventilation face high drilling drainage process design provides technical guidance.Key words: gas migration ; gas distribution regularity; high level drilling; gas drainage250引言高位鉆孔抽放技術(shù)具有瓦斯抽采流量大、抽采瓦斯?jié)舛雀?、工藝?jiǎn)單、工程量小等特 點(diǎn)，已逐漸成為采煤工作面、采空區(qū)瓦斯抽放最常用、最有效的技術(shù)之一。但

5、通過(guò)實(shí)際抽 采也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。高位鉆孔設(shè)計(jì)中鉆孔終孔層位、鉆孔壓茬距離、終孔位置與風(fēng)巷平距 等均與采空區(qū)冒落形態(tài)和瓦斯?jié)舛确植济芮邢嚓P(guān)，而目前高位鉆孔抽放工藝的設(shè)計(jì)只是憑30用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)方法，鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)只是基于巖層采動(dòng)裂隙形成機(jī)理考慮，造成實(shí)際應(yīng)用中瓦 斯抽放率不高、抽放量不大的情況，而且經(jīng)常導(dǎo)致上隅角瓦斯超限。采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)于采空區(qū)高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)有重要影響。下行通風(fēng)時(shí)， 由于風(fēng)流從工作面上部向下流動(dòng)，而采空區(qū)的瓦斯涌出由于浮力的作用不斷地飄向上部采 空區(qū)和工作面，瓦斯在自然力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行方向與風(fēng)流方向相反，造成采空區(qū)瓦斯的濃度35分布與上行通風(fēng)時(shí)有很大差異，并且煤層傾角越大，對(duì)

6、其的影響越大。而目前對(duì)這方面的 研究工作很少。因此研究采空區(qū)瓦斯流動(dòng)、分布規(guī)律，尤其是下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)的瓦斯流 場(chǎng)分布規(guī)律，為優(yōu)化高位鉆孔抽放工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)于提高瓦斯抽放效率、保證 工作面開(kāi)采平安有重大意義。作者簡(jiǎn)介：趙楠1987-，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：礦井瓦斯防治通信聯(lián)系人：李增華1965-，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：礦井瓦斯與礦井火災(zāi)防治. E-mail: HYPERLINK mailto:li_zenghua126 li_zenghua126 1下行通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移研究現(xiàn)狀40采空區(qū)瓦斯的涌出特征與煤層的賦存、開(kāi)采條件密切相關(guān)。采空區(qū)中瓦斯來(lái)源一

7、般有 這幾局部組成：圍巖瓦斯涌出、鄰近層瓦斯涌出、回采丟煤瓦斯涌出和未采分層瓦斯涌 出。但瓦斯在采空區(qū)內(nèi)究竟是怎樣運(yùn)移、濃度是怎么分布，尤其是在 U 型下行通風(fēng)方式 時(shí)，工作面、隅角及采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛仁侨绾畏植嫉?，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐條件所限，無(wú)法精確 得知，目前一般都是采用理論分析、跟蹤實(shí)測(cè)以及數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行研究推測(cè)。45林柏泉，張建國(guó)等通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討了工作面采用下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)的 瓦斯涌出和分布規(guī)律1。認(rèn)為工作面采用下行風(fēng)時(shí)，采場(chǎng)壓差及漏風(fēng)量都比上行風(fēng)時(shí)小， 從采空區(qū)涌向采煤工作面的瓦斯量及采煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量也比上行風(fēng)時(shí)低。孟瑞 泉，惠喜奎等研究指出：采空區(qū)瓦斯主要來(lái)源于開(kāi)采層

8、及其鄰近煤巖層，在壓力梯度的作 用下,會(huì)向采空方向流動(dòng)；在一定空間范圍內(nèi),采空區(qū)瓦斯壓力與時(shí)間及距離服從負(fù)指數(shù)關(guān)系502。石琴譜，楊運(yùn)良等應(yīng)用相似模型對(duì)采面下行通風(fēng)時(shí)瓦斯的分布規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)和總結(jié)， 認(rèn)為：下行通風(fēng)時(shí)斷面最高瓦斯?jié)舛缺壬闲型L(fēng)時(shí)低，瓦斯層長(zhǎng)度比上行通風(fēng)短，吹散瓦 斯層所需風(fēng)速也比上行通風(fēng)時(shí)小，并且他們之間的差異隨煤層傾角的增大而增大3。程遠(yuǎn) 平給出了下行通風(fēng)時(shí)，在相同條件下回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛鹊陀谏闲型L(fēng)時(shí)回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)?度，采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉瞥手笖?shù)規(guī)律上升，最后到達(dá)新的平衡態(tài)濃度4。陳書(shū)平，耿慶生55以焦作礦區(qū)主采的二 1 煤層為例，分析認(rèn)為下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)漏風(fēng)中排走的瓦斯量比上

9、行 通風(fēng)時(shí)多，從而使采面瓦斯?jié)舛冉档停环治稣J(rèn)為下行通風(fēng)時(shí)隅角瓦斯積聚超限的可能性很 小5。研究結(jié)果根本上總結(jié)了下行風(fēng)在漏風(fēng)、瓦斯涌出量、工作面瓦斯?jié)舛?、隅角瓦斯?jié)舛?等方面與上行風(fēng)的差異。下行通風(fēng)條件下采場(chǎng)流場(chǎng)是個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，與上行通風(fēng)條件60下有很大區(qū)別，而對(duì)于下行通風(fēng)工作面的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，目前還缺乏足夠充 分的理論分析及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，因此有必要進(jìn)一步對(duì)下行通風(fēng)工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行 研究。2采空區(qū)瓦斯?jié)B流的根本理論 多孔介質(zhì)模型中氣體流動(dòng)的根本方程65CFD 模擬研究是為了得到流體流動(dòng)控制方程的數(shù)值解法，它通過(guò)時(shí)空求解得到所關(guān)注 的整體流場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述69。CFD 的根底是

10、建立 Navier-Stokes 方程，它是由一系列描述流 體流動(dòng)守恒定律的偏微分方程組成的。應(yīng)用 Einstein 張量符號(hào)，Navier-Stokes 方程可表示如 下：連續(xù)性方程： + u j = 02-170動(dòng)量方程： tj ui + u x j ui = p + ji2-2 t x j xi x j能量方程： H t+ u Hj x= p t+ ( ji ui q j ) x2-3jj式中 t 是時(shí)間，x 是位置，u 是速度所有分量， 是密度，p 是壓力，H 是總焓，是粘性應(yīng)力張量，q 是熱通量。模擬工作面采空區(qū)混合氣體的運(yùn)移，與單一氣體相似，可以引用單一氣體的質(zhì)量和動(dòng)75量的守恒方

11、程進(jìn)行求解。 質(zhì)量守恒方程，或稱(chēng)連續(xù)性方程，可表示如下：vm + ( G) = St2-4方程(2-11)是質(zhì)量守恒方程的常規(guī)形式，它對(duì)不可壓縮流體和和壓縮流體都是適用的。源 Sm 是從分散次生相和任何其它用戶(hù)自定義的源加在連續(xù)相上的質(zhì)量。80動(dòng)量守恒方程在一個(gè)慣性參照系沒(méi)加速度內(nèi)可表示如下：GGGGG ( v ) + ( vv ) = p + ( ) + g + F2-5tGGG式中 p 是靜壓力， 是應(yīng)力張量，而 g 和 F 分別是重力體力和外部體力。 F 同樣包含其它的附屬于模型的源，如多相介質(zhì)和用戶(hù)自定義源。以下給出應(yīng)力張量 ：vvvI85 = ( G + GT ) 2 G 2-63式

12、中， 是分子粘度，I 是單位張量，右首第二項(xiàng)代表體積膨脹的影響。在研究中，采空區(qū)被看作是多孔介質(zhì)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的流體流動(dòng)方程，附加了動(dòng)量源進(jìn) 行模擬。此源由兩局部組成：粘滯損失項(xiàng)式(2-7)右首第一項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)式(2-7)右首 第二項(xiàng)。 331G 90Si = Dij v j + Cij | v | v j 2-7 j =1j =1 2Gv式中，Si 是第 i 個(gè)x、y 或 z動(dòng)量方程的源，而 D 和 C 是預(yù)定義的矩陣。為速度向量的絕對(duì)值。vj 為在 x、y、z 方向的速度分量。該動(dòng)量的減弱將有利于孔隙單元中壓力梯 度的產(chǎn)生，所引起的壓力降與單元中的流動(dòng)速度或速度平方成比例。對(duì)單一的各向同性

13、 多孔介質(zhì)，有：95S v + C1 | v | v 2-8= Gi i2 2j 式中， 是滲透率，C2 為內(nèi)部阻力因子。在多孔介質(zhì)層流中，壓力降一般與速度成比例，而常量 C2 可被認(rèn)為等于 0。忽略對(duì)流加速度和擴(kuò)散，可用 Darcy 定律簡(jiǎn)化多孔介質(zhì)模型：Gp = v2-9100在孔隙區(qū)域三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z方向的壓力降為：3px = v j nx2-10j =1 xj3py = v j ny2-11j =1 yj3pz = v j nz2-12105j =1 zj式中，1/ij 是矩陣 D 中的項(xiàng)， v j 是在 x、y 和 z 方向的速度分量， nx 、 ny 和 nz 是孔隙區(qū)域在 x

14、、y 和 z 方向的厚度。采空區(qū)氣體運(yùn)移的主控因素除了由于壓力梯度造成的粘性流或質(zhì)量流外，還有由于濃 度、熱梯度造成的分子擴(kuò)散。根據(jù) Fick 定律，擴(kuò)散公式如下： XDT TJi = Dim i i 2-13 xiT xi式中，Ji 是第 i 種氣體的擴(kuò)散流量，它是由于濃度梯度、熱梯度引起的； 是混合氣體T110的密度， Di是氣體 i 熱擴(kuò)散系數(shù)，Dim 是氣體 i 的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，Xi 是氣體 i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，T 是溫度。在非稀薄的混合氣體中，由于局部混合氣體組份的變化而造成的 Dim 的變化可計(jì) 算如下：Dim =1 YiY2-14jj , j i D115ij式中，Dij 是指氣體

15、j 中所含組份 i 的二元質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，而 Yi 是氣體 i 的摩爾分?jǐn)?shù)。對(duì)于非稀薄氣體，式(2-13)可用多組分的擴(kuò)散公式代替：M XX MDT Tiij J = iM mixDj , j ij + xijM mixmixi xiT xi2-15120式中，Mi 是氣體 i 的分子量，Mmix 是混合氣體的分子量。以上分析了建立采空區(qū)氣體流動(dòng)模型的根本方程及其原理，在確定模型的邊界條件 后，可以運(yùn)用數(shù)值解法求其近似解，即可得到采空區(qū)瓦斯流動(dòng)及分布規(guī)律。3下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果及瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)3.1 數(shù)值模擬結(jié)果及分析3.1.121101 工作面下行通風(fēng)采場(chǎng)氣體流動(dòng)規(guī)律及分析

16、根據(jù)上述采空區(qū)及工作面建立的模型及邊界設(shè)置，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值解算，得到 21101 工作面下行通風(fēng)采場(chǎng)氣體流動(dòng)規(guī)律如下列圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3 所示。125130圖 3-1 離底板 1.5m 平面采空區(qū)氣體流動(dòng)矢量圖Figure 3-1 Gas flow vector of goaf on the Plane of 1.5m away from mine floor圖 3-2 離底板 5m 平面采空區(qū)氣體流動(dòng)矢量圖Figure 3-2 Gas flow vector of goaf on the Plane of 5m away from mine floor135140145圖 3-

17、3 采空區(qū)三維氣體流動(dòng)矢量圖Figure 3-3 Gas flow vector of goaf in the three dimensional從圖 3-1、3-2、3-3 可以看出，在采空區(qū)的傾向方向上，靠近工作面的采空區(qū)局部的風(fēng) 流流向與工作面的風(fēng)流方向根本一致，這說(shuō)明靠近工作面的采空區(qū)受到工作面漏風(fēng)的影響 很大；而在采空區(qū)深部，分為較明顯的三局部：靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)，靠近回風(fēng)側(cè)和兩者中間的區(qū) 域。在靠近進(jìn)風(fēng)巷的局部，瓦斯朝著工作面的方向流動(dòng)；在回風(fēng)側(cè)局部，瓦斯流動(dòng)方向比 較紊亂，而在兩者中間的局部，瓦斯流向與工作面風(fēng)流流向一致，向回風(fēng)巷流動(dòng)。而在采空區(qū)的走向方向上，隨著采空區(qū)的深度增加，風(fēng)流受

18、工作面漏風(fēng)的影響減小。 比照?qǐng)D 3-1、3-2 觀(guān)察可以看出，采空區(qū)隨著高度的增加，采空區(qū)漏風(fēng)的影響也隨之減小， 而采空區(qū)的氣體流動(dòng)尤其是深部采空區(qū)氣體流動(dòng)的混亂度降低。3.1.221101 工作面下行通風(fēng)采場(chǎng)瓦斯分布規(guī)律及分析 從模擬結(jié)果中輸出采場(chǎng)瓦斯分布規(guī)律，圖 3-4 為離回風(fēng)巷底板 2m、10m、20m、33m 水平面采場(chǎng)瓦斯分布規(guī)律。150155160165170圖 3-4 離回風(fēng)巷底板 2m、10m、20m、33m 平面采場(chǎng)瓦斯分布規(guī)律Figure 3-4 Gas concentration distribution in goaf on the Plane of 2m,10m,2

19、0m,33m away from mine floor從圖 3-4 可以看出：在豎直方向上，采空區(qū)內(nèi)隨著離底板的距離的增大，瓦斯高濃度 區(qū)域的范圍也增大。同時(shí)，隨著離底板距離的增加，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯分布趨向均勻。最明 顯的是在回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)上部形成大范圍的高瓦斯?jié)舛染奂瘏^(qū)。由于工作面不在同一水平上，在工作面的漏風(fēng)過(guò)程中，前一段工作面采空區(qū)的瓦斯首 先會(huì)隨著漏風(fēng)流進(jìn)入和它在同一水平的采空區(qū)中，即下一段工作面的上部采空區(qū)。隨著風(fēng) 流流過(guò)工作面，工作面中上部的采空區(qū)瓦斯流向工作面中下部采空區(qū)的上端，使得進(jìn)風(fēng)側(cè) 采空區(qū)的瓦斯涌出直接流向這局部，即靠近回風(fēng)巷的采空區(qū)上部，而較少向工作面流動(dòng)， 因而使得工作

20、面中下部瓦斯涌出的壓力顯劇減小。這也就是在同樣條件下，下行通風(fēng)比上 行通風(fēng)工作面瓦斯要小的重要原因。這個(gè)區(qū)域是高濃度瓦斯的聚集區(qū)，很容易引起上隅角的瓦斯超限，因此高位鉆孔抽放 布置在這一區(qū)域，不僅能抽到高濃度的瓦斯，還能降低工作面回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛?，降低?斯超限危險(xiǎn)。這說(shuō)明回風(fēng)側(cè)采空區(qū)上部形成的高瓦斯?jié)舛染奂瘏^(qū)是高位鉆孔瓦斯抽放的主 要區(qū)域。從圖中還可以看到，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)上部布滿(mǎn)了高濃度瓦斯，由于模型建立的冒落 帶高度所限并沒(méi)有完全顯示出來(lái)，但是我們可以推測(cè)在這一區(qū)域的更高位置也有高濃度的 瓦斯聚集。這說(shuō)明回風(fēng)側(cè)采空區(qū)上部的高瓦斯聚集區(qū)不僅限制在冒落帶，在冒落帶的上部 裂隙帶也有分布?？傮w來(lái)說(shuō)

21、高瓦斯聚集區(qū)分布在回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)的上部，在工作面傾向方 向上瓦斯聚集范圍從工作面中下部延伸到回風(fēng)巷，在豎直方向上分布在老頂附近的垮落帶 和裂隙帶。3.1.3下行通風(fēng)工作面瓦斯分布規(guī)律實(shí)測(cè)結(jié)果 測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3-1 所列：測(cè)點(diǎn)編號(hào)表 3-1 工作面瓦斯?jié)舛葴y(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量工程abc瓦斯?jié)舛?%0.13風(fēng)速/(m/s)177瓦斯?jié)舛?%0140.140.14風(fēng)速/(m/s)6472124瓦斯?jié)舛?%0.140.140.14風(fēng)速/(m/s)6068113瓦斯?jié)舛?%0.150.140.15風(fēng)速/(m/s)5358107瓦斯?jié)舛?%0.150.160.16風(fēng)速/(m/s)5559112瓦斯?jié)舛?%0.1

22、60.170.16風(fēng)速/(m/s)5456110瓦斯?jié)舛?%0.170.180.18風(fēng)速/(m/s)4750100瓦斯?jié)舛?%0.180.190.19風(fēng)速/(m/s)2553110瓦斯?jié)舛?%0.210.18風(fēng)速/(m/s)2342120瓦斯?jié)舛?%0.210.21風(fēng)速/(m/s)2245110瓦斯?jié)舛?%0.210.21風(fēng)速/(m/s)3575110瓦斯?jié)舛?%0.210.210.22風(fēng)速/(m/s)4065120瓦斯?jié)舛?%0.220.280.34風(fēng)速/(m/s)192Table 3-1 Measured data of gas concentration on the working f

23、ace面積/m2進(jìn)風(fēng)口2.113.523.533.543.854.064.574.384.594.2102.4112.0回風(fēng)口175將上面測(cè)得的結(jié)果繪成如圖 3-5 的工作面瓦斯三維分布圖，圖中 x=1，2，3 分別代表工作面前端、支架部位、后部支架部位，y 軸方向?yàn)楣ぷ髅鎻倪M(jìn)風(fēng)到回風(fēng)的測(cè)點(diǎn)依次順序，z軸為工作面的瓦斯。180185190195圖 3-5 工作面實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛确植紙DFigure 3-5 Gas concentration distribution by actual measurement on the working face3.2 下行通風(fēng)工作面瓦斯分布規(guī)律實(shí)測(cè)與模擬比照分析從圖 3-5 下行通風(fēng)工作面實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛确植紙D中可以看出，21101 下行通風(fēng)工作面瓦斯 分布規(guī)律為：瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)巷端向回風(fēng)巷端逐漸增高，在上隅角位置到達(dá)最大；工作面 的后部支架部位的瓦斯?jié)舛绕毡楦哂诠ぷ髅媲岸瞬课?。而且在從進(jìn)風(fēng)巷端向回風(fēng)巷端依次 增高的過(guò)程中，增長(zhǎng)較緩慢，直到回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛榷驾^低，只有在上隅角位置濃度較高。 這充分說(shuō)明在煤層開(kāi)采過(guò)程中下行通風(fēng)有降低工作面瓦斯?jié)舛鹊淖饔谩Ｏ滦型L(fēng)條件下工 作面瓦斯?jié)舛确?/p>