U型与J型通风采空区流场数值模拟研究

王付清，王立伟

(山东鲁泰煤业有限公司，山东 济宁 272000)

随着大型综采机械在煤矿的推广使用，工作面推进速度变快，煤炭产量大幅增加，但同时采空区空间也不断加大，遗煤量变多，这使得采空区涌向工作面的瓦斯量变大。因此，对采空区涌出瓦斯的管理成为工作面瓦斯治理的重点。国内外学者对采空区瓦斯分布规律都做了大量研究。澳大利亚学者Wendt，M.＆Balusu，R使用CFD软件对立井抽放矿井的采空区瓦斯分布规律进行了模拟研究［1］。林柏泉主要在工作面中的风流对采空区瓦斯浓度分布的影响方面开展了详细地探讨［2］。吴玉国等对在双U型通风条件下采空区中的瓦斯的运移特点进行了讨论［3］。何磊等主要对Y型通风条件下采空区中的瓦斯分布规律和防治采空区瓦斯涌出方面做了大量分析［4］。李宗翔等主要在W型通风条件下已垮落的岩石对采空区中风流移动的影响，重点在风压及等值线和流变函数方面做了研究［5］。杨明等对U型通风条件下和Y型通风条件下采空区中瓦斯流场特性进行了数值分析和比较［6］。吴玉国等主要以“U+L”型通风条件下和”U+I”通风条件为基础，分析了这两种通风方式在防治瓦斯超限方面的优劣性［7］。

综采工作面J型通风方式原理主要是工作面回采期间，在一条巷道进风一条巷道回风的基础上，重新沿回风巷的反方向施工另一条回风巷，两条回风巷的风流反向，形成“一进两回”的通风系统［8］。这种综采工作面的通风方式在治理采空区瓦斯及防治上隅角瓦斯超限方面有较强的优点，但相对其他通风方式也存在一定的缺点。因此，本文通过建立数值模型，对综采工作面J型通风条件下与U型通风条件下采空区流场漏风与瓦斯分布规律进行研究，分析这两种通风方式的优劣性。

1 采空区基本假设及渗流控制方程

1.1 基本假设

采场范围包括工作面和采空区。进入采场的风流大部分经过工作面到回风巷，只有一部分漏风进入采空区。为使模拟研究方便，同时也能较准确反映采空区流场的规律，做出如下假设［9］:

1)由于采动过后，采空区中存在冒落的岩石与煤块，这些分散的矸石与煤体形成多空介质，且由于这些多孔介质排列规律，为了方便研究，这些多孔介质可看为各向同性。

2)由于在采空区井下环境中，气体的压缩变形可忽略不计，同时其流动过程中能量损失也可不计。

3)考虑采空区分布瓦斯的密度均匀，采空区中的所有气体都是在同一平面运动，把坐标原点选在进风巷的下隅角，沿工作面回采反方向为正x轴，沿工作面风流运移方向为正y方向。

1.2 采空区渗流控制方程

采空区气体流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和组分守恒定律［10］。

质量守恒定律:

式中:

ρ—流体密度，kg/m3;

t—时间，s;

u、v、w—速度矢量在 x、y、z方向上的分量。

动量守恒定律:

式中:

ρ—流体密度，kg/m3;

u、v—速度矢量在x、y方向上的分量;

μ—动力黏度;

P—流体微元上的压力;

Su、Sv—动量守恒方程的广义源项。

组分守恒方程:

式中:

cs—组分S的体积浓度;

ρcs—组分S的质量浓度;

Ds—该组分的扩散系数;

Ss—微元体内的生成率。

1.3 孔隙率与渗透率模型

采空区是由冒落的岩石和遗煤等充填的立体空间，其中富含大量的孔隙和裂隙，具有多孔介质的特性。由于不同采空区内岩石与遗煤的分布各不相同，孔隙分布不均，有很大的随机性，采空区内的孔隙与分布情况又与冒落岩石的大小与排列、开采层与邻近层的岩性、采动应力等情况有很大相关性。而在原有裂隙基础上又形成的采动裂隙会受采动压力变化而变化。因此，非均匀介质的孔隙率和渗透率对采空区中的流体渗流研究有很大影响［11］。

因此，在建立模型时，应充分考虑渗透率K。根据 Kozeny－Carman 公式［12］:

式中:

φ—多孔介质的孔隙率;

S—孔隙骨架的比表面积;

c—系数，近似取5。

2 采空区物理模型建立及边界条件设置

2.1 U型通风物理模型及边界条件

U型通风设计进回风巷宽度都为5 m，工作面宽5，长250 m，采空区取600 m，具体物理模型见图1。进风巷进风断面设置为速度入口，其速度为2.67 m/s;出口设置为自由出口(outflow);采空区内部设置为多孔介质(porous)类型，孔隙率为0.3;进回风巷及工作面计算区域设置为fluid类型;采空区和工作面之间相邻面设置为内部(interior)边界类型;其它面设置为固体边界(wall)。采空区底板的瓦斯涌出量设置为常数。

图1 U型通风物理模型图

2.2 J型通风物理模型及边界条件

建立J型通风系统时，为使建立的模型反映工作面及采空区的主要特征，尽量与实际相符，取工作面倾斜长250 m，进、回风巷宽5 m，小断面排瓦斯专用巷和采空区宽260 m，其中排瓦斯专用巷宽1.5 m，为了便于与U型通风进行比较，这里采空区侧也取600 m作为研究对象，物理模型见图2。

对于J型通风，其进风巷口设置为速度入口，入口风速为2.67 m/s;工作面与采空区、采空区与排瓦斯专用巷交界面设置为内部边界;其他边界条件设置同U型通风相同。

图2 J型通风物理模型图

3 采空区流场模拟结果分析

3.1 静压分布对比

U型通风条件下采空区静压分布图见图3。

图3 U型通风采空区静压(Pa)分布图

由图3可知，风压在工作面进风口处最大，在工作面上隅角处最小，即工作面上隅角位置为风压最低点。风压等值线从进风靠近工作面巷端口处向采空区弯曲，并且风压呈递减趋势，在工作面上隅角位置风压等值线也向采空区一侧弯曲，但风压呈递增趋势，等值线密度没有采空区靠近进风口处密集。在采空区内部风压等值线几乎无变化。J型通风采空区静压分布图见图4。

图4 J型通风采空区静压(Pa)分布图

从图4可以看出，采空区内的风压在工作面进风口处最大，并以其为中心沿工作面方向与采空区深度方向逐渐减小，其静压最低点位于采空区与排瓦斯专用巷末端交汇处。

3.2 采空区漏风场对比

U型通风采空区漏风矢量图见图5。

图5 U型通风采空区漏风矢量图

由图3，图5可知，在U型通风条件下大部分风流经工作面进入回风巷，少部分风流漏入采空区，但漏入采空区内部的风流最终从工作面中部至上隅角返回至回风巷。J型通风采空区漏风矢量图见图6。

图6 J型通风采空区漏风矢量图

由图4，图6可以看出，进风风流经工作面漏入采空区，向采空区深部运移，最终采空区内漏风流流入排瓦斯专用巷，并且在工作面进风口和排瓦斯专用巷末端为漏风速率极大值区域。由此可以看出，J型通风系统多一条瓦斯排放专用巷，具有较强的排瓦斯作用，采空区的整个流场因其作用而完全发生了改变。

3.3 瓦斯浓度分布对比

U型通风采空区瓦斯浓度分布见图7。

图7 U型通风采空区瓦斯浓度分布图

从图7可以看出，U型通风条件下，沿工作面向采空区方向，瓦斯浓度越来越高，在其深部瓦斯浓度达到80%以上，在工作面上隅角附近瓦斯浓度已超过1%。沿工作面向采空区450 m内，距工作面同等距离下进风巷侧的瓦斯浓度要远低于回风侧的瓦斯浓度。

J型通风采空区瓦斯浓度分布见图8。

图8 J型通风采空区瓦斯浓度分布图

从图8可以看出，J型通风采空区内瓦斯浓度，随距工作面距离增加逐渐增大，在采空区深部瓦斯浓度最高达到10%左右，采空区高瓦斯浓度区域远小于U型通风，说明J型通风排瓦斯能力优于U型通风。J型通风采空区靠近进风巷侧瓦斯浓度要高于靠近回风巷侧，但在整个采空区横断面上分布较均匀。J型通风系统由于多了一条瓦斯排放巷，解决了U型通风在采空区深部高浓度瓦斯积聚的问题，从而降低了整个采空区瓦斯的浓度。

U型通风与J型通风工作面上隅角瓦斯浓度分布见图9，图10。

图9 U型通风工作面上隅角瓦斯浓度分布图

图10 J型通工作面上隅角瓦斯浓度分布图

从图9、图10可以看出，U型通风条件下工作面上隅角瓦斯梯度较J型通风密集。在同等距离下U型通风上隅角瓦斯浓度1% ～10%，而J型通风上隅角瓦斯浓度0.1% ～0.2%，因此，J型通风相比U型通风能更好地解决上隅角瓦斯积聚问题。

4 结论

1)无论U型还是J型通风，靠近工作面处采空区瓦斯浓度低，远离工作面处瓦斯浓度较高，但U型通风比J型通风采空区瓦斯浓度高很多。

2)J型通风条件下漏风风流携带瓦斯向采空区深部运移，最终经专用排瓦斯巷排出，工作面上隅角瓦斯浓度较低，仅为0.1% ～0.2%;而U型通风部分漏风风流经采空区后又携带瓦斯进入工作面，导致上隅角瓦斯浓度到达1%～5%。

3)由于J型通风向采空区漏风较大，因此，该系统适用于不易自燃煤层综采工作面，并且由于多一条瓦斯排放巷，施工量加大，成本增加。因此，应针对不同工作面条件，具体分析和掌握其采空区流场运移规律，以便选择合适的通风方式。

［1］Wendt，M.＆Balusu，R.CFD modeling of long wall goaf gas flow dynamics［J］.Coal and Safety，2002(20):27 －34.

［2］林柏泉，张仁贵.U型工作面采空区瓦斯涌出及其治理［J］.煤炭学报，1988，23(2):154－160.

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