三进两回通风系统采空区瓦斯运移规律及其治理研究

雷 云 周明磊 王海东 吴 琼 张 伟 牛瑞宏

（1.煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁省沈阳市，110016；2.沈阳理工大学应用技术学院，辽宁省抚顺市，113122；3.山西省长治市襄垣县煤炭工业局，山西省长治市，046000）

三进两回通风系统采空区瓦斯运移规律及其治理研究

雷 云1周明磊1王海东1吴 琼1张 伟2牛瑞宏3

（1.煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁省沈阳市，110016；2.沈阳理工大学应用技术学院，辽宁省抚顺市，113122；3.山西省长治市襄垣县煤炭工业局，山西省长治市，046000）

针对晋煤集团寺河矿二号井现采采空区瓦斯涌出量大且采用“并列双U”三进两回通风系统的特点，通过应用CFD模拟技术对采空区瓦斯分布进行了数值模拟，得出不同边界条件下采空区内高浓度瓦斯聚集区域和采空区瓦斯引排、抽采可行性研究结果，从而为该矿制定采空区瓦斯治理措施提供了科学依据。

瓦斯运移 数值模拟 引排 抽采

晋煤集团寺河矿二号井采用综采放顶煤开采工艺，采空区遗煤较多，导致现采采空区瓦斯涌出量大。依据矿井瓦斯涌出分源预测法，测出寺河矿15＃煤层回采工作面瓦斯涌出量达到40m3／min。为了有效控制上隅角和回风巷道瓦斯超限，寺河矿二号井首次在15＃煤层XV1301回采工作面采用国内较先进的“并列双U”三进两回通风系统。该通风系统是建立在尾巷治理瓦斯理论的基础上，利用风流加快瓦斯扩散和运移速度，从而降低局部聚集区域的瓦斯浓度，有效地解决回采面和上隅角瓦斯超限问题。针对“并列双U”三进两回通风方式下采空区内高浓度瓦斯聚集区域的确定及其瓦斯治理研究甚少。鉴于此，作者在理论分析的基础上，运用数值模拟方法对晋煤集团寺河矿二号井“并列双U”三进两回通风系统下采空区瓦斯浓度分布进行研究，

得出瓦斯运移规律，并确定采空区内高浓度瓦斯聚集区域，从而为该矿制定采空区瓦斯抽采措施提供科学依据。

1 瓦斯运移的数学模型

1.1 采空区气体流动方程

按照渗流力学的方法，将采场视为连续的渗流空间，引入空度因子，在孔隙介质空间中可直接运用质量守恒定律和N－S方程，忽略瓦斯引起气体密度的改变和紊流效应，推导出气体流动方程：

式中：ui、uj——渗流速度分量，m／s；

∂xi、∂xj——在x分量的偏微分；

gi——加速度分量，m／s2；

ρ——气体密度，kg／m3；

μ——动力粘性系数，kg／（m·s）；

Fi——瓦斯流动阻力，Pa／m。

式中：Ci——瓦斯在空隙介质中的阻力系数；

SAi——瓦斯流的上游面积。

1.2 瓦斯在采空区中的动力弥散方程

根据质量守恒定律和流体动力弥散定律，瓦斯在采场中的动力弥散方程为：

式中：C——采空区内瓦斯的质量浓度，g／m；

Dij——动力弥散系数，m2／s；

ui——平均流速向量的分量，m／s；

ICH4——采场瓦斯浓度变化率源汇项。

1.3 采空区瓦斯运移控制微分方程

式中：φ——通用变量；

Γφ——广义的扩散系数；

Sφ——广义的源项。

各变量的值见表1。

表1 采空区瓦斯运移控制微分方程的变量和参数

2 采空区瓦斯运移数值模拟

2.1 回采工作面概况

寺河矿二号井属晋城煤业集团，主要开采9＃和15＃煤层，矿井相对瓦斯涌出量为25m3／t，绝对瓦斯涌出量为96m3／min，为高瓦斯矿井。XV1301综采工作面位于15＃煤层一盘区，为15＃煤层的首采工作面，该综采工作面采用三进两回通风方式。15＃煤层上覆9＃和3＃煤层，煤层间距分别为30m和80m左右。15＃煤层瓦斯含量平均为14.15m3／t，煤层瓦斯含量大。

三进两回通风方式即“并列双U”型通风方式是在工作面布置5条巷道，其中3条进风，2条回风，具体布置见图1。XV13013巷为工作面主进风巷，亦为工作面主运输巷；XV13011巷为工作面辅助进风巷，两巷间每400m有联络巷沟通；XV13012巷为工作面主回风巷并担负工作面的辅助运输任务，XV13014巷为工作面辅助回风巷，两巷贯穿整个工作面并在停采线附近通过联络巷风流混合，一并汇入盘区总回风巷，XV13015巷为工作面的另一条进风巷，位于工作面的回风侧。

2.2 模型相关基本假设

（1）采空区视为多孔介质，瓦斯视为理想气体，渗流过程按等温过程对待。瓦斯在采空区内流动符合达西定律，其扩散运动符合菲克定律。

（2）影响采空区内瓦斯分布的因素很多，为简便起见，只考虑在通风压力作用下的采空区漏风和尾巷对其的影响。

图1 XV1301综采工作面的通风系统示意图

2.3 模型的建立

为了科学指导寺河矿二号井XV1301综采工作面瓦斯治理工作，现运用FLUENT软件对该采场瓦斯在采空区回风侧联络尾巷引排瓦斯和采空区回风侧联络尾巷引排瓦斯与抽采相结合两种情况下的瓦斯运移规律进行数值模拟研究。

2.3.1 采空区回风侧联络巷引排瓦斯的数值模拟

寺河矿二号井XV1301综采工作面采用的三进两回通风系统，XV13014巷作为专用排瓦斯的尾巷，为了使该巷道更合理高效地排瓦斯，现对该通风系统下的现采采空区高浓度瓦斯分布规律及瓦斯尾巷排放效果进行模拟，结合本矿回采工作面实际情况，选取模拟参数及边界条件：工作面供风量3000m3／min，工作面压差85.5Pa，向采空区漏风量300m3／min，采空区向工作面漏风量为0m3／min，采空区涌到工作面的瓦斯量为0m3／min，回风隅角后采空区涌出瓦斯平均浓度小于0.5%，排放位置距切顶后距离30m，排放混合流量300m3／min，排放瓦斯浓度3%，排放纯瓦斯量9m3／min。采空区回风侧30m尾巷引排瓦斯时，采空区风流场和瓦斯浓度场分布见图2。

通过数值模拟结果分析，可以得出综采工作面回风侧采空区距切顶线后30m处的联络巷引排风量500m3／min时，瓦斯浓度为5%，由于专用排瓦斯巷瓦斯报警浓度为2.5%，引排进入的瓦斯浓度较高，所以必须采用通风稀释。采空区涌入工作面的瓦斯量急剧减小，联络巷引排风量500m3／min时，回风隅角风流漏向采空区，瓦斯浓度小于0.5%。

图2 采空区回风侧30m尾巷引排瓦斯时，采空区风流场和瓦斯浓度场分布图

2.3.2 采空区回风侧尾巷引排瓦斯与抽采相结合的数值模拟

寺河矿二号井采用发电的方式利用抽采的瓦斯，而瓦斯发电对抽采瓦斯纯量和浓度都有较高要求，而采空区瓦斯抽采是保障瓦斯纯量和浓度的主要途径，所以提出回风侧尾巷引排与抽采相结合治理现采采空区的方法，为了更经济高效地抽采高浓度瓦斯，现通过数值模拟分析采空区瓦斯分布规律，模拟参数及边界条件：工作面供风量300m3／min，工作面压差85.5Pa，向采空区漏风量360 m3／min，采空区向工作面漏风量为0m3／min，漏风从采空区带到工作面的瓦斯量为0m3／min，回风隅角后采空区瓦斯平均浓度小于0.5%，排放位置（切顶后距离）30m、抽放位置65m，排放混合流量300m3／min、抽放混合流量50m3／min，排放瓦斯浓度2%、抽放瓦斯浓度15%，排放纯瓦斯量6m3／min、抽放纯瓦斯量7.5m3／min。采空区回风侧尾巷引排和抽采结合时，采空区风流场和瓦斯浓度场分布见图3。

图3 采空区回风侧尾巷引排和抽采结合时，采空区风流场和瓦斯浓度场分布图

通过数值模拟结果分析，综采工作面回风侧采空区距切顶处后30m的联络尾巷引排瓦斯，同时65m处的联络巷抽采时，工作面后方第一个联络巷引排风量300m3／min，瓦斯浓度为2%左右；后方联络巷抽采混合量50m3／min，瓦斯浓度达15%。采空区的瓦斯不再涌入到工作面，引排风量中的瓦斯浓度2%左右。

3 结语

（1）通过对寺河矿二号井XV1301综采工作面采空区回风侧30m尾巷引排瓦斯的数值模拟，分析得出该方法在配风量充足时能解决回风隅角瓦斯浓度超限的问题，但在实际回采过程中由于开采强度加大、配风量不足及矿压显现等因素可能会导致回风隅角超限。

（2）通过对XV1301综采工作面采空区回风侧尾巷引排和抽采瓦斯结合的数值模拟，分析得出当联络巷引排风量300m3／min时，瓦斯浓度为2%左右；后方联络巷抽采混合量50m3／min，瓦斯浓度可达15%；可以确定该方法在确保回风巷道和回风隅角瓦斯不超限的同时还能保障瓦斯发电所需的瓦斯纯量和浓度。

（3）采用数值模拟软件分别对XV1301综采工作面采空区回风侧联络尾巷引排瓦斯和采空区回风侧联络尾巷引排瓦斯与抽采相结合两种情况下的瓦斯运移规律进行模拟研究，分析得出XV1301综采工作面采空区在现通风条件下，采用在回风侧尾巷引排与抽采瓦斯相结合的方法更科学合理。

［1］ 李守国.采空区瓦斯涌出运移分布规律分析［J］.煤矿安全，2006（11）

［2］ 苗惠东.并列双U型通风方式在高瓦斯矿井综采工作面瓦斯治理中的应用［J］.中国煤炭，2011（8）

［3］ 卢倩，李霞，朱耀杰.两进一回通风系统邻近层瓦斯运移规律研究［J］.太原理工大学学报，2010（5）

Research on gas migration law in gob with"three－intake－two－return"ventilation system and its control

Lei Yun1，Zhou Minglei1，Wang Haidong1，Wu Qiong1，Zhang Wei2，Niu Ruihong3
（1.Shenyang Institute of China Coal Research Institute，Shenyang，Liaoning 110016，China；2.Polytechnic School of Shenyang Ligong University，Fushun，Liaoning 113122，China；3.Coal Industry Bureau of Xiangyuan County，Changzhi，Shanxi 046000，China）

Aiming at the characteristics of large gas emission rate in mining gob and using"parallel two U－shape""three－intake－two－return"ventilation system in No.2well in Sihe Mine of Jincheng Anthracite Mining Group，the paper adopts the CFD simulation technology to conduct a numerical simulation on gas distribution in gob，and obtains the high－concentration gas accumulation regions under different boundary conditions and the feasible research results of gas draining and extracting in the gob，which provide scientific basis for the mine to make the gob gas control measures.

gas migration，numerical simulation，draining，extracting

TD712.5

A

雷云（1986－），男，宁夏银川人，助理研究员，煤炭科学研究总院硕士研究生在读，现在煤炭科学研究总院沈阳研究院瓦斯安全研究所从事瓦斯安全研究工作。

（责任编辑 张艳华）