特厚煤层综放开采采空区瓦斯运移数值模拟

郭世杰 夏彬伟

特厚煤层综放开采采空区瓦斯运移数值模拟

郭世杰 夏彬伟

针对大同矿区特厚煤层综放开采过程中瓦斯异常涌出的问题，本文以大同某矿工作面为研究对象，结合“O”型圈理论分析了采动裂隙场形态，对采空区进行了细致的块状划分并建立了U型+走向高抽巷通风方式的采空区几何模型，运用FLUENT数值模拟软件计算分析了采空区瓦斯分布状态，研究表明采空区大量的泄压瓦斯汇集到回风巷侧裂隙圈后进入高抽巷，对回风巷及上隅角瓦斯起到良好的控制作用，采空区瓦斯在采空区深部300m范围内达到最大，对采空区瓦斯后期治理起到指导作用。

特厚煤层多采用综放开采工艺，开采强度大，采空区范围广，往往伴随着瓦斯超限等瓦斯灾害。以大同某矿为代表的特厚煤层生产过中多采用顶板高抽巷抽采采空区瓦斯，在一定程度上减少了瓦斯灾害，但瓦斯超限时有发生，因此，对顶板高抽巷抽采采空区瓦斯运移进行研究有着重要意义。

国内外学者针对特厚煤层综放工作面瓦斯运移等相关方面进行了研究，钱鸣高分析了采动裂隙场分布特征，提出了采空区“O”型圈理论；梁运涛等对采空区孔隙率分布及其变化规律进行了研究；孟宪锐等研究了高瓦斯综放开采工作面瓦斯涌出运移规律；张瑞林等对影响工作面瓦斯涌出的因素进行了详细的分析；李树刚等分析了采动影响下煤岩卸压瓦斯的流动特性，得出综放面支承压力与卸压瓦斯运移的关系；然而对特厚煤层综放开采工作面采用顶板高抽巷一进两回的通风方式下的采空区瓦斯运移研究较少。

本文以大同某矿某工作面为研究对象，分析采动裂隙场裂隙形态，结合“O”型圈理论建立了顶板高抽巷抽采作用下得采空区瓦斯运移模型，运用FLUENT流体计算软件，分析了采空区瓦斯分布，为进一步的瓦斯治理提供理论支撑。

工作面概况

设计生产能力1500万t/a，平均煤厚12m，属特厚煤层，工作面采用综放低位放顶煤一次采全高的方法，采煤厚度3.5m，放煤厚度8.5m，通风采用一进两回的通风方式，进风风量为3600m3/min，回风风量为2400m3/min，高抽巷风量为1200m3/min。当前矿井工作面正常回采期间绝对瓦斯涌出量保持在30～60m3/min之间。煤层顶底板岩层柱状图如图1所示。

采动覆岩裂隙场形态

钱鸣高“O”形圈理论认为随着回采工作面的推进，认为上覆岩层裂隙的发育呈现两阶段：1.离层裂隙在采空区中部最为发展；2.采空区中部趋于压实，而四周呈现离层裂隙发育的“O”形圈。

图1　岩层柱状图

图2　采动裂隙带平行于煤层平面形态示意图

图3　采动裂隙带走向剖面形态示意图

图4　采动裂隙带倾向剖面形态示意图

华明国认为采空区裂隙场在空间上沿工作面走向、倾向上存在三个区域：如图3所示从采空区深部方向来看，开切眼和工作面位置裂隙发育程度最高，采空区中部趋于压实裂隙密度较小；如图4所示，沿工作面方向，进风巷和回风巷位置裂隙发育程度最高，中部趋于压实。

采空区瓦斯运移状态方程

质量守恒方程

有质量守恒定律，推导出流体流动质量守恒方程的微分形式：

式中：ρ—流场密度；t —时间；U —为速度矢量，u，v，w为流速在x，y，z 方向上的分量。

动量守恒方程

对动量守恒方程进行简化，经常用到的简化模型有二项式模型和指数模型：

式中：Jx—为x 方向的压力梯度；Kx—x方向的渗透系数，ax为多孔介质的x 方向粘性阻力系数；bx—x方向惯性阻力系数。

扩散运动方程

图5　相似模型试验裂隙圈范围

根据菲克定律与质量守恒定律，扩散运动的微分方程为：

式中：x —煤粒瓦斯含量，m3/t 或m3/m3；r—煤粒内任一点半径，m；t—时间，s。

综放面采空区及采场上覆岩层建模及网格划分

采空区裂隙场形态确定

采动裂隙矩形梯台的高度

一般情况，垮落带的高度为采高的3～5倍。裂隙带和垮落带的高度可有前人总结的经验公式计算得到，在垮落带和断裂带的高度分别为：

断裂带：

采动裂隙圈的带宽

工作面的初次来压和周期来压步距决定着裂隙圈的宽度，开切眼位置得裂隙圈带宽相当于初次来压步距，为28m；工作面位置的裂隙圈带宽约为2倍的周期来压步距，为35m。

采动裂隙矩形梯台断裂角

由相似模拟试验，量得开切眼断裂角63°、工作面断裂角为65°，沿倾向方向的断裂角以工作面的断裂角为准为65°。

④采场几何模型尺寸：

1.煤层倾角2～5°为近水平煤层。设模型为矩形梯台体，进风巷、回风巷、高抽巷和工作面按照长方体建模，进风巷尺寸：长30m，宽5.3m，高3.5m；工作面尺寸：长230m，宽5.3m，高3.5m；回风巷尺寸：长30m，宽5.3m，高3.5m；采空区长400m，宽241m，高78m。

2.高抽巷距离煤层底板20m，距回风巷水平距离20m；高抽巷尺寸：宽3.8m，高3m。

3.根据碎胀系数不同将采空区及上覆岩层划分为不同区域。

采空区渗透率的确定

采动裂隙场具有多孔介质的特性，对不同区域取不同的碎胀系数，岩石的碎胀系数由岩石的性质及处于裂隙场区域位置决定。采空区渗透性和孔隙率与岩石垮落碎胀系数的研究，得出Blake-Kozeny公式：

式中：e为渗透系数；n为孔隙率；KP为岩石垮落碎胀系数；Dm为多孔介质平均粒子直径，冒落带取0.014～0.016m，裂隙带取0.016～0.040m；1/e粘滞阻力为渗透系数的倒数C2惯性阻力计算方法：

图6　裂隙场沿走向剖面几何参数图

图7　裂隙场沿倾向剖面几何参数图

图8　采空区U+I梯台模型

模型边界条件的设定

进风巷位置设为进口边界，进风巷风流速度为2.8m/ s，瓦斯浓度为0。回风巷及高抽巷口设置为出口边界，设置为压力出口。其余固体边界边界设置为壁面。采空区底部面设置为瓦斯涌出源，按照模型和参数进行数值模拟，直至计算残差收敛为止，可得采空区流场、瓦斯分布等规律特性。

计算结果分析

图9　采空区工作面水平瓦斯浓度分布截面图（z=2m）

图10　采空区高抽巷水平瓦斯浓度分布截面图（z=22m）

图11　采空区z立面瓦斯浓度分布截面图（z=2、22、45m）

表1　模型不同区域渗透率和孔隙率系数

本次计算在本次模拟采用非耦合隐式算法，在Fluent中设置好相关条件后，通过软件自动初始化未知量和设定数据迭代的次数和精度，就可对8214综采工作面采空区三维模型进行模拟。得到采空区的瓦斯浓度分布图。如图9、图10、11分别表示采空区距底板高度2m、22m、45m平面的瓦斯浓度分布图。

图12　工作面水平y=20、120、220向采空区深部延伸瓦斯浓度变化曲线图

图13　采空区x立面瓦斯浓度分布截面图（x=35、100、150、200m）

图14　工作面水平x=35、100、200m由进风侧向回风侧瓦斯浓度变化曲线图

由采场瓦斯在z方向截面分布图可以看出，回风侧瓦斯浓度高于进风侧，向采空区深部瓦斯浓度逐渐升高，由z=2、z=22截面瓦斯浓度分布图可以看出，由进风侧到回风侧瓦斯浓度成梯度逐渐升高，由于抽采负压对气流的导向作用有效降低了了回风巷、上隅角的瓦斯浓度，对于防治回风巷、上隅角瓦斯超限起到了良好的效果。

图12表示工作面水平进风侧、采场中部到回风侧向采空区深部延伸瓦斯浓度变化曲线图，从图中可以看出，在进风侧瓦斯浓度增加缓慢，回风侧瓦斯浓度在0～50m范围增加迅速，在50m左右浓度达到30%，然后缓慢变化。总体在300m深度瓦斯浓度达到最大40%，再向采空区深部延伸趋于减小，模拟分析可以认为采空区漏风影响范围可达到300m。

图14示为采空区x方向瓦斯浓度分布截面图和工作面水平x=35、100、200m由进风侧向回风侧瓦斯浓度变化曲线图，从图中可以看出，向采空区延伸，瓦斯浓度成梯度逐渐升高，在竖直方向上，由于瓦斯的升浮作用在采空区上部瓦斯浓度较高，在x=35m截面为煤壁支撑区范围，由进风侧向回风侧延伸至200m范围，瓦斯浓度变化不大，在200～240m范围，瓦斯浓度急剧升高，证明由于风流作用，瓦斯在回风侧积聚，浓度最高达33%，在采空区中部x=100m处于离层区范围，瓦斯浓度由进风侧向回风侧变化较为缓和，在150～240m范围，瓦斯浓度变化较大，浓度最高达35%，在采空区深部x=200m处于重新压实区的范围，瓦斯浓度普遍较高，且有进风侧到回风侧浓度变化缓和，瓦斯浓度在35%～40%波动。

结语

1）本文结合“O”圈理论确定了采空区裂隙场形态，对采空区进行了细致的块状划分建立了U型+走向高抽巷通风方式的采空区几何模型，并通过计算分析了模型对应区域的渗透率和孔隙率等相关参数；

对U型+走向高抽巷通风系统条件下的采动裂隙场进行了模拟计算，高抽巷对采空区瓦斯起到主导控制作用，采空区大量的泄压瓦斯汇集到回风巷侧裂隙圈后进入高抽巷，有效降低了回风巷及上隅角瓦斯浓度；

在水平方向上，从工作面位置向采空区深部瓦斯浓度逐渐升高，采空区300m深度位置瓦斯浓度可达40%，由进风侧向回风侧瓦斯浓度逐渐升高；从纵向看，同一处瓦斯浓度由下到上逐渐增大，瓦斯由于升浮作用上升到上部空间，在同一地点，瓦斯浓度由下向上呈现递增。对矿井进一步的瓦斯治理起到指导作用。

郭世杰 夏彬伟

重庆大学

郭世杰，男，硕士生，1991年生。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.007