长壁工作面采空区气体流动场瓦斯运移规律研究与实践

许盛运 李国君

(辽宁铁法能源有限责任公司, 辽宁 112700)

近年来, 计算流体力学 (CFD) 技术已应用于煤矿安全的许多领域。澳大利亚、英国、南非等国家利用计算流体力学 (CFD) 数值模拟, 结合现场情况, 已经开展了大量的工作面瓦斯、粉尘等方面的研究工作, 为煤矿灾害防治提供了理论依据。

1 采空区瓦斯流动分布规律的CFD 模拟研究

采空区瓦斯流动特征是复杂的, 它受多种因素的影响, 包括通风、瓦斯密度、浮力, 以及采空区渗透等等。针对铁法矿区的具体情况, 本文研究选择了矿区两个具有代表性的长壁工作面, 即大兴矿N1405、晓明矿N2410 工作面, 建立了三维CFD 模型, 对工作面采空区瓦斯流动和分布规律进行了模拟, 在此基础上研究了瓦斯流动运移对地面垂直钻井布井位置和抽采方式的影响。

1．1 大兴矿N1405 工作面CFD 模拟研究

大兴矿N1405 工作面的有效走向长度为570m,倾斜长度为150m。煤层倾角南西向, 最大倾角15°, 最小2°, 平均8．5°。煤层厚度在2．1～2．7m之间, 一般为2．55m, 瓦斯涌出量预计, 上煤组瓦斯含量为11～27m3/t , 瓦斯压力为98～401．8 ×104Pa。根据N1403 工作面瓦斯涌出量实际测定,实际为11．6m3/t。全负压U 型通风, 配风量600～900m/min。现场资料显示, 正常回采期间采空区瓦斯涌出量约为30～50m3/min (500～1000l/s) , 抽采瓦斯采用井下埋管、顶板钻孔及地面采空区井相结合的方式, N1405 工作面布置了三口地面垂直钻井。

根据现场N1405 工作面的基本情况, 建立了三维CFD 模型, 并进行了解算。表1 给出工作面CFD模型基本参数及边界条件, 图1 和2 分别给出工作面CFD 模型几何特征。模型包括了三个地面垂直钻井, 其布置方式按实际位置确定。

1．2 N1405 工作面CFD 数值模拟结果

利用以上CFD 数值模型, 对N1405 工作面推进到距开切眼600m 位置时采空区氧气及瓦斯的分布情况进行了模拟研究, 模拟结果表明：

(1) 采空区进风顺槽侧氧气浓度由工作面至开切眼呈递减趋势, 尤其是在采空区瓦斯涌出量较低(300l/s) 的情况下, 在工作面后进风顺槽侧100～200m 范围内基本维持在15%左右的高浓度氧气;

表1 大兴矿N1 采区405 工作面模型CFD 模型基本参数及边界条件

图1 工作面CFD 模型几何特征- 平面图

图2 工作面CFD 模型几何特征- 立体图

(2) 工作面开切眼处氧气浓度基本维持在10%左右, 表明工作面进风顺槽侧开切眼处存在漏风情况;

(3) 回风侧氧气浓度沿开切眼至上隅角氧气浓度呈递减趋势, 直至工作面回风流;

(4) 采空区瓦斯沿回风侧汇集, 并沿上隅角方向渐呈上升趋势, 沿回风侧形成瓦斯富集带, 浓度达80%以上;

(5) 3 口地面垂直钻井的孔底位置基本落在瓦斯富集带内, 有利于抽采高浓度瓦斯, 整体上, 1号地面井瓦斯抽采浓度将低于2 号和3 号地面井;

(6) 采空区瓦斯沿开采水平至顶板冒落裂隙带呈上升趋势, 沿工作面采空区深部, 形成瓦斯富集带;

(7) 随着工作面的推进和采空区面积的增大,高浓瓦斯富集带会随之扩大, 在采空区回风侧后部进行瓦斯抽采是有利的;

(8) N1405 工作面属于俯采, 采用地面垂直钻井对抽放采空区瓦斯控制非常有利; 孔位布置非常重要, 除了钻井间距和回风侧距离, 孔底距回采煤层的垂直距离也是决定能否抽采高浓度瓦斯的重要参数, 孔底距回采煤层太近, 将降低抽采瓦斯浓度, 增加采空区漏风强度, 引发采空区遗煤自燃;

(9) 在低瓦斯涌出情况下, 工作面采空区自惰情况差, 采空区始终处于高浓度氧气状态, 尤其是采空区两侧和工作面开切眼处, 具备自燃发火的供氧条件;

(10) 靠近工作面上方的顶板冒落裂隙带, 瓦斯浓度和供氧可能具备瓦斯燃烧条件, 应采取足够的安全措施。

图3 分别给出工作面后50m, 100m, 200m,300m 和400m 位置沿工作面倾向 (横跨采空区) 顶板瓦斯浓度的模拟变化曲线。结果显示, 工作面后100m 内采空区瓦斯浓度变化较大, 50m 内瓦斯浓度不超过10%; 尤其是采空区进风侧, 该区域瓦斯运移主要受工作面通风影响; 工作面后100m 采空区中部瓦斯浓度变化逐渐趋于稳定并升高, 受风压影响减小, 浓度逐渐达到60%, 可以看到, 高浓度瓦斯沿回风巷侧逐渐形成, 有利于地面井(孔) 的抽采。

图3 采空区不同位置沿工作面倾向(横跨采空区) 顶板瓦斯浓度变化曲线

图4 采空区中间沿工作面走向 (工作面至切眼)顶板不同高度瓦斯浓度变化曲线

图4 分别给出采空区中间沿工作面走向 (工作面至切眼) 顶板不同高度 (0m, 10m, 20m 和30m)瓦斯浓度变化模拟曲线。结果显示, 在工作面后100m, 顶板30m 范围内瓦斯浓度变化还是较大的,瓦斯运移主要受工作面通风影响, 浓度较低, 不利于顶板孔抽采; 150m 后顶板瓦斯浓度趋于稳定,浓度可达70%以上, 有利于地面井 (孔) 的抽采。分析模拟结果显示, 利用地面井抽采采空区卸压瓦斯, 钻井宜布置在靠近回风侧30～80m, 距切眼(第一口井) 50m 范围内, 有利抽采高浓度瓦斯。

2 晓明矿N2 采区410 工作CFD 模拟研究

2．1 晓明矿N2 采区410 工作面地质条件及模型建立

晓明矿N2410 工作面的有效走向长度为1386m, 长度为194m。煤层厚度一般为2．54m。全负压U 型通风, 配风量1100～1500m3/min。现场资料显示, 正常回采期间采空区瓦斯涌出量约为30m3/min (500l/s) 以上。抽采瓦斯采用井下埋管,顶板及穿层钻孔及地面采空区钻井相结合的方式,值得注意的是, N2410 工作面回采第一阶段为俯采, 而第二阶段为仰采。

表2 晓明矿N2 采区410 工作面模型CFD 模型基本参数及边界条件

根据现场情况, 建立了N2410 工作面三维CFD模型, 模拟工作面推进至距切眼500m 位置第一阶段俯采以及第二阶段时工作面及采空区氧气和瓦斯分布情况。表2 给出工作面CFD 模型基本参数及边界条件。该模拟的主要目的是分析对比工作面开采走向在俯采或仰采时采空区氧气和瓦斯的运移规律。

图5 给出了N24102 工作面CFD 模型几例特征及计算网格方式。本模型采用了约30 万个计算单元。模型包括了1 个地面垂直转孔, 其布置方式按实际位置确定。

图5 N2410 工作面CFD 模型几何特征及计算网格划分

2．2 N2410 工作面CFD 数值模拟结果

2．2．1 第一阶段： 工作面走向俯采

在工作面走向俯采, N2410 工作面CFD 数值模拟结果表明：

(1) 采空区瓦斯沿回风侧汇集, 沿采空区高位区域形成瓦斯富集带, 浓度可达90%以上;

(2) 地面垂直钻井的孔底位置落在瓦斯富集带内, 优于405 地面井布置方式, 更有利于抽采高浓度瓦斯 (可达90%以上) ;

(3) 410 工作面属于俯采, 回风顺槽高于进风顺槽20m 以上; 有利于地面垂直钻井抽采采空区瓦斯;

(4) 采空区瓦斯沿回风侧采空区深部高位点汇集, 对工作面几上隅角瓦斯管理更为有利;

(5) 工作面采空区自惰情况较好, 有利于抑制采空区自发火。

2．2．2 第二阶段： 工作面走向仰采

在工作面走向仰采时, 模拟结果表明：

(1) 采空区瓦斯虽然沿回风侧汇集, 沿采空区深部中间区域形成较小的高浓度瓦斯富集带;

(2) 地面垂直钻井的孔底位置落在瓦斯富集带边缘, 不利于地面垂直钻孔抽采采空区瓦斯;

(3) 受通风、空气和瓦斯密度的影响, 与走向俯采时相比, 采空区瓦斯沿回风侧向工作面和上隅角汇集, 极易造成瓦斯超限, 对瓦斯管理极为不利;

(4) 工作面上方的顶板冒落裂隙带, 聚积的瓦斯可能具备燃烧条件, 且更接近工作面;

(5) 采空区一定深度区域始终处于高浓度氧气状态, 自惰情况差, 尤其是采空区两侧, 具备遗煤自燃的供氧条件。

2．3 地面垂直钻孔瓦斯抽采的CFD 模拟

利用以上CFD 模型, 研究了地面垂直钻井布孔位置和抽采方式对采空区瓦斯抽采影响。2．3．1 N1采区405 工作面地面垂直钻井瓦斯

给出在工作面采空区瓦斯涌出量为500l/s 时采用单一钻孔或多个钻孔在不同抽采强度 (混合流量) 下采空区瓦斯的分布情况, 模拟结果表明：

(1) 采空区深部 (靠近开切眼附近) 地面井1瓦斯抽采浓度较低, 在抽采混合流量100l/s (6m3/min) 时, 可以达到较好的抽采效果;

(2) 抽采流量在200l/s 以上时, 瓦斯抽采浓度会较大幅度降低, 并增加采空区富氧带和空气涌入深度;

(3) 工作面采空区中部地面井2 瓦斯抽采效果较好, 在同样抽采强度 (混合流量200l/s 即12m3/min) 条件下, 瓦斯抽采浓度较高, 可达到70%以上;

(4) 距工作面一定距离 (150～200m) 的浅部地面井3 瓦斯抽采效果较好, 更利于上隅角瓦斯管理, 但应严格控制抽采强度, 不宜超过200l/s 以上, 以防增加采空区富氧带和空气涌入深度;

(5) 与无地面垂直钻孔抽采瓦斯相比较, 地面钻孔的利用改变了采空区局部瓦斯分布, 将上隅角高浓度瓦斯向采空区深部移动, 有利于降低上隅角瓦斯浓度; 即便是采空区深部钻孔抽采, 也会影响上隅角瓦斯积聚。

(6) 采用多个钻孔中等抽采流量同时抽采, 尤其是深浅部钻孔联合抽采, 可在采空区内形成较宽区域的低压带, 优于采用单一钻孔高强度集中抽采。

除抽采流量 (混合流量) 变化外, 模拟结果表明类似以上结论：

(1) 严格控制抽采流量, 以防增加采空区富氧带和空气涌入深度; 联合抽采单孔强度高于12m3/min 时, 采空区富氧带和空气涌入深度会增加;

(2) 应尽量采用多个钻孔中等抽采流量同时抽采, 尤其是深浅部钻孔联合抽采;

N1405 工作面地面垂直钻井瓦斯现场考察结果表明, 钻井混合流量6．11m3/min, 纯量4．21m3/min, 平均浓度瓦斯70%, 与以上CFD 模拟结果较吻合。

2．3．2 N2采区410 工作面地面垂直钻井抽采瓦斯

N2采区410 工作面布置了2 口地面垂直钻井,第一口钻井距切眼约110m, 距回风顺槽70m, CFD模拟分析表明, 由于工作面采用走向俯采, 地面垂直钻井的孔底位置落在瓦斯富集带内, 有利于抽采高浓度瓦斯 (可达70～90%) ; 第二口钻井距切眼约800m, 由于煤层倾角的变化, 工作面变为仰采,采空区瓦斯的分布规律不同于初期俯采; 利用CFD模型, 对工作面第二阶段开采走向仰采时地面垂直钻孔进行了模拟。模拟结果表明：

(1) 模型中地面垂直钻井的孔底位置落在瓦斯富集带边缘, 不利于地面垂直钻井抽放采空区瓦斯; 抽采瓦斯浓度将低于第一口钻井; 第二口钻井实际布置位置靠近采空区中线, 较模型中孔位为宜;

(2) 与无地面垂直钻井抽采时相比, 地面垂直钻井抽放采空区瓦斯可以将上隅角高瓦斯向采空区深部移动, 有利于降低上隅角瓦斯超限, 但影响幅度有限;

(3) 地面垂直钻井抽采大大增加采空区富氧带和空气涌入深度。

3 结论

计算流体力学 (CFD) 模拟已经成为一种必要的技术手段, 用于研究采空区瓦斯、自然发火及长壁工作面粉尘等现象及其控制措施, 其应用日益广泛并在实践中得到很好的验证。

采空区瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要来源, 采空区深部是瓦斯的富集区, 掌握采空区瓦斯瓦斯运移规律, 特别是高瓦斯工作面, 对制定采取合理的瓦斯抽排管理措施, 对提高工作面的生产安全, 提高瓦斯资源利用, 具有特别重要的意义。

针对铁法矿区的具体情况, 本分析研究选择了本矿区两个具有代表性的长壁工作面, 即大兴矿N1405 工作面、晓明矿N2410 工作面, 建立了三维CFD 模型, 对工作面采空区瓦斯流动和分布规律进行了的模拟, 在此基础上, 研究了瓦斯流动和分布规律对地面垂直钻井布孔位置和抽采方式的影响。

CFD 模拟揭示了长壁工作面采空区瓦斯运移多方面的本质运移规律, 模拟结果对本分析研究的现场实践和具体瓦斯抽采方法, 尤其是采空区地面钻井抽采技术相关参数优化设计, 具有重要的指导意义。