回采工作面瓦斯抽采系统优化研究

潘文丰

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.潞安集团山西高河能源有限公司，山西长治 046000）

回采工作面瓦斯抽采系统优化研究

潘文丰1,2

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.潞安集团山西高河能源有限公司，山西长治 046000）

利用FLUENT软件对阳煤集团开元煤矿3号煤层瓦斯抽采系统中的瓦斯流动进行了数值模拟，并以所建立的模型为基础对开元煤矿瓦斯抽采系统进行了优化设计。研究结果表明，开元煤矿如需达到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管径需增大至510mm。为矿井制定控制瓦斯灾害、提高回采工作面瓦斯抽采率的技术措施提供参考。

数值模拟；抽采；瓦斯

抽采煤层瓦斯[1-7]是防治矿井瓦斯灾害的有效方法之一。然而，随着开元煤矿开采深度的增加，本煤层工作面的瓦斯涌出量较大，经常发生瓦斯超限，同时本煤层与邻近层的瓦斯抽采率普遍偏低，严重制约了瓦斯抽采技术措施的实施，削弱了该方法对矿井瓦斯灾害的防治作用。要提高开元煤矿瓦斯抽采技术措施的实施效果，就必须解决回采工作面采动卸压瓦斯的有效抽采、提高工作面瓦斯抽采率。

1 矿井概况

开元煤矿主采煤层3号煤的相对瓦斯涌出量为15.6 m3/t，各煤层为中—高变质煤层，煤种属瘦煤、贫煤。3号煤层有弱爆炸性，原煤瓦斯含量为7.15 m3/t~9.82 m3/t，平均瓦斯含量为8.49 m3/t；原煤瓦斯压力为1.47 MPa，透气性系数为0.003 1 m2/（MPa2·d）~0.062 2 m2/（MPa2·d），平均0.036 1 m2/（MPa2·d）；钻孔瓦斯流量衰减系数为0.005 6 d-1~0.007 5 d-1，平均0.006 4 d-1，属较难抽放煤层。

2 管网瓦斯流动的数值模拟

利用FLUENT软件进行流体流动与传热模拟计算的流程为首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型及网格的生成，并输出用于FLUENT求解器计算的格式，然后利用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。

2.1开元煤矿3805工作面本煤层瓦斯流动的数值模拟方案

开元煤矿3805工作面本煤层瓦斯抽采由地面泵站提供抽采负压，利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立开元3805工作面本煤层瓦斯抽采系统三维计算模型，将坐标原点定在模型的中心。本文直接使用体网格对流体区域进行划分，先对主管路区域划分网格，网格尺寸为0.1m，再对瓦斯抽采支管划分网格，网格尺寸为0.2 m。网格单元和类型分别为Hex/wedge和Cooper。模型网格图见图1。

图1 模型网格图

对3805工作面瓦斯抽采系统的入口和出口进行边界条件赋值如表1所示。

表1 各工作面瓦斯抽采系统的入口和出口边界条件赋值

启动FLUENT三维双精度求解器，输入网格并对其进行检查，确定网格划分没有错误。使用默认的3D稳态隐式求解器，选择k-ε湍流模型。文章假设空气为不可压缩流体，且空气从入口到出口的流动过程中不与外界发生热交换，可看作是绝热流体，因此本文没有求解能量方程。流体材料设定为MATHANE-AIR混合气体，根据瓦斯混合气体浓度，设定流体密度为1.26 kg/m3，动力粘度为1.72×e-5kg/(m·s)，操作压力为101 325 Pa。把收敛准则均设为0.001，设置迭代次数为2 000次，对入口进行初始化后进行迭代求解。经过一定的迭代次数后，结果收敛，求解完成。

2.2模拟结果分析

流体流动的过程中受管壁摩擦阻力及局部阻力的影响，流体入口压力到出口压力是递减的过程，支管进口端的压力与出口端的压力与表1中的赋值相同且压力呈递减的趋势，与实际情况相符。

3805 工作面进风巷瓦斯抽采支管的负压为13.88 kPa，模拟结果显示，进风巷支管的负压为14.01 kPa，模拟结果与实际测量数据接近，误差仅为0.92%，说明本模型所取参数是符合实际的，模拟结果是可信的，以此模型为基础的其他模型的模拟结果也是可靠的。

实践证明，流体在管路中流动时，同一截面上的各点的流速是不同的。管路中心处的流速最大，越靠近管壁流速越小，在管壁处等于零。截面上各点速度如图2所示。

图2 抽采系统主管路气体流速

由于图像是对称的，因此只对管壁到管路中心这段数据进行拟合，拟合方程式为：V＝165.5x.

利用截面流速的拟合方程式，对3805工作面瓦斯抽采支管瓦斯流量进行计算，可得支管瓦斯流量为：

根据实测数据，3805工作面进风巷支管瓦斯流速为15.103m3/min，模拟结果与实测结果的误差为0.6%。

3 管网选线优化设计

利用矿井网络图论理论，把矿井瓦斯抽采系统进行简化，可得到5-a所示的抽采系统简图，再经过计算分析，根据矿井抽采网络内瓦斯流动的基本规律，可以绘制如图5-b的抽采网络图。该网络图仅含有一条树，余树含有10个独立回路(图中箭头所标注的方向为回路瓦斯流动方向)。图中，A为地面管段；B为总回风井；C为东二皮带巷；D为九号煤回风下山；E为二水平回风大巷；F为3805进风226 mm PE管路；G为3805回风226 mm PE管路；H为七采区回风巷；I为9405回风226 mm管路；J为9405进风226 mm管路；K为八采区回风巷；L为3710进风巷；M为3710回风巷；N为9801回风226 mm管路；O为9801进风226 mm管路；P为9804回风226 mm管路；Q为9804进风226 mm管路；S为瓦斯抽采巷；T为二水平回风巷。

抽采管网决定着抽采阻力的大小，抽采阻力大，系统性能低；抽采阻力小，系统性能高。随着煤炭的不断开采，开元煤矿本煤层瓦斯抽采管路不断延伸，本煤层抽采管路阻力不断增大。根据开元煤矿各工作面风排瓦斯量及抽采瓦斯量，如果开元煤矿实现本煤层瓦斯抽采率达到40%的目标，本煤层瓦斯抽采主管流量需达到125 m3/min，支管瓦斯混合量需达到30m3/min，表2为图5中各回路的总阻力。

图5 瓦斯抽采系统简图及网络图

表2 本煤层瓦斯抽采各回路阻力

3.1模拟方案

由于9801工作面本煤层瓦斯抽采系统管路最长，抽采阻力最大，因此选取此工作面作为数值模拟对象，如果某一管径能够满足此工作面提高瓦斯抽采率所需要的流量要求，就能够满足其他工作面对管径的要求。因此针对开元煤矿主管路阻力过大的问题，提出如表3中的管径优化方案。

表3 开元煤矿瓦斯抽采系统管径优化方案

表4为工作面瓦斯抽采系统的入口和出口边界条件赋值。

表4 工作面瓦斯抽采系统的入口和出口边界条件赋值

3.2模拟结果分析

如前所述，如果开元煤矿实现本煤层瓦斯抽采率达到40%的目标，本煤层瓦斯抽采主管流量需达到125 m3/min，支管瓦斯混合量需达到30m3/min。

通过流速可以对管路横截面积进行积分运算，得到不同主管管径条件下9801工作面主管路及支管管路瓦斯流量，如表5所示。

表5 不同主管管径条件下9801工作面主管管路及支管管路瓦斯流量

在抽采系统管路进口与出口边界条件确定后，随着管径的增大，流体流量不断增加，开元煤矿要实现本煤层瓦斯抽采率40%的目标，需将主管路管径由420mm增大为510 mm。

4 结论

通过计算瓦斯抽采系统各管段阻力，简化了矿井瓦斯抽采系统并建立了抽采系统网络图，利用FLUENT对开元煤矿瓦斯抽采系统中的瓦斯流动进行了数值模拟研究，并以此模型为基础对开元煤矿瓦斯抽采系统进行了优化设计。研究结果表明，开元煤矿如达到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管径需增大至510mm。

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（编辑：杨鹏）

Optim ization on Gas Drainage System on Working Face

PAN W en feng1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Shanxi Gaohe Energy Co.,Ltd.,Lu'an Group,Changzhi 046000,China)

FLUENTwas used to simulate the gas flow in the gas drainage system in No.3 coal seam in Kaiyuan Mine,Yangcheng Coal Group.Based on the established model,the gas drainage system was optimized.The resultsshow that the diameterofmain pipe should increase to510mm in order tomeet the requirement of gas extraction rate of 40%in Kaiyuan Mine.The study could provide reference for gas controland improvementofgasextraction rateon theworking face.

numericalsimulation;gas drainage;gas

TD712.6

A

1672-5050（2016）06-048-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.015

2016-04-27

潘文丰(1984-)，男，山西晋城人，在读工程硕士，工程师，从事安全工程研究工作。