W型通风方式下采空区瓦斯运移规律数值模拟研究

范红伟

(山西煤炭职业技术学院,太原 030031)

我国大部分矿井综采工作面采用传统的U型通风方式,但是随着开采强度和开采深度的增加,瓦斯涌出量也随之增加,容易造成上隅角瓦斯浓度超限[1-4]。因此，研究W型通风方式下采空区瓦斯运移规律具有重要的意义。

1 数学模型的建立

1.1 假设条件

为了深入分析,突出研究问题的重点,需要进行一些假设[5-8]。

1)采空区近似为各向同性,其渗透率不随时间变化。

2)采空区组分运输中气体近似为甲烷、氧气、水蒸气、二氧化碳和氮气的混合气体,气体之间不发生化学反应。

3)采空区气体的流动近似为不可压缩稳定渗流。

1.2 控制方程

基于对上述采空区的基本假设,采空区内的气体遵循连续方程、动量方程、组分方程、能量方程,其通用形式如公式(1)所示[9]。

(1)

式中:Γ为广义扩散系数;φ为通用变量;S为瓦斯源项;ρ为气体密度,kg/m3;t为时间,s;u为平均流速向量的分量,m/s。

2 物理模型的建立

2.1 建模及网格划分

根据采空区破碎岩体的垮落特征,确定采空区瓦斯运移范围,采空区走向长度360 m,其中裂隙带20 m、冒落带18 m。以进风巷、工作面的交界面与底板平面相交直线的上顶点为模型的坐标原点,x轴指向回风侧的方向,y轴指向采空区深处,z轴指向顶板。物理模型中xyz工作面为208 m×8 m×3 m,采空区为208 m×360 m×38 m,巷道为4 m×10 m×3 m。

整个模型采用Map划分为Hexahedron。其中上进风巷、下进风巷、回风巷及工作面设置Interval size为1;采空区设置Interval size为0.5,见图1所示。

图1 W型通风方式划分网格模型Fig.1 Meshing model of W-type ventilation

2.2 边界条件的设置

两条进风巷边界条件为VELOCITY-INLET,风速都为1.5 m/s, 其氧气浓度为20.96%,瓦斯浓度为0%; 回风巷边界条件为OUTFLOW;采空区为FLUID,工作面与采空区的分界面INTERIOR,其它面都为WALL。

3 数值模拟结果及分析

3.1 W型、U型通风方式下采空区瓦斯分布对比

在同等条件下,采用FLUET软件分别模拟了U型和W型通风方式下瓦斯浓度分布,见图2和图3所示。

2-a 采空区瓦斯浓度分布立体图

2-b 工作面瓦斯浓度分布局部放大图图2 U型采空区瓦斯浓度分布立体图Fig.2 Gas concentration distribution in goaf with U-type ventilation

3-a 采空区瓦斯浓度分布立体图

3-b 工作面瓦斯浓度分布局部放大图图3 W型采空区瓦斯浓度分布立体图Fig.3 Gas concentration distribution in goaf with W-type ventilation

从模拟的结果来看:

1)在U型通风方式下,从走向方向看,越深入采空区瓦斯浓度也越大;距工作面40 m以内的自然堆积区,瓦斯浓度较小为5%左右;在40 m～220 m的载荷影响区,瓦斯浓度递增较大;距工作面220 m以外的压实稳定区,形成瓦斯富集区,最高达85%左右。

2)从图2-b可以看出,从进风巷到工作面中部,在新鲜风流的作用下,瓦斯浓度很低;但从工作面中部到回风巷,瓦斯浓度增加,瓦斯浓度在0.82%左右,回风巷内的瓦斯浓度达到1.37%,上隅角的瓦斯浓度更是达到了3.84%。

3)在W型通风方式下,采空区瓦斯在中间回风巷处汇集,且以此为中心成对称分布,越深入采空区深处瓦斯浓度越大,在采空区深处300 m处瓦斯浓度最高达85%; 在垂直方向下,采空区瓦斯浓度从开采水平到裂隙带逐步增加,尤其是在裂隙带瓦斯浓度有较大的增加,形成高浓度瓦斯的富集带。

4)从图3-b可以看出,由于在同等条件下W型通风方式的风阻比U型通风方式少,从采空区漏出的瓦斯量也少,工作面的瓦斯浓度较低,只是在中间回风巷内瓦斯浓度有所增加,回风巷内瓦斯浓度为0.27%;其瓦斯浓度高的点在工作面中部风流汇合处,瓦斯浓度在0.76%左右。

3.2 不同类型W型通风方式下采空区瓦斯分布对比

模型仍采用上下巷进风中间巷回风的W型模型,除了风巷位置改变,各参数及边界条件不变,对上两条巷进风下面巷回风、下两条巷进风上面巷回风的W型通风方式进行数值模拟,见图4所示。

在三种类型W型的分布图中,将y=8 m、z=3 m两个平面相交,得到点(0,8,3)至(208,8,3)的直线,如图5所示,此直线位于工作面与采空区的交界面,同时位于工作面的顶板上方。

从模拟结果来看:

1)从图4可以看出,下两条巷进风上面巷回风W型采空区瓦斯浓度分布图是上两条巷进风下面巷回风W型采空区瓦斯浓度分布图在x=0轴的反转,表明两种类型的采空区瓦斯浓度分布规律基本相同。

4-a 上两条巷进风下面巷回风

4-b 下两条巷进风上面巷回风图4 不同类型W型采空区瓦斯浓度分布立体图Fig.4 Gas concentration distribution in goaf with different W-type ventilation

图5 不同类型W型倾斜方向瓦斯浓度分布图Fig.5 Gas concentration distribution with different tilt direction of W-type ventilation

2)从图5可以看出,上两条巷进风下面巷回风W型的下隅角瓦斯浓度为1.61%,下两条巷进风上面巷回风W型的上隅角瓦斯浓度为1.57%,都存在瓦斯超限问题;由于上下巷进风中间巷回风W型进回巷压力差较小,漏风不易漏入采空区深处,其回风隅角瓦斯浓度在0.76%左右。可见,上下巷进风中间巷回风W型通风方式是W型中较好的形式。

4 结论

1)通过对W型与U型通风方式下的采空区运移规律进行了数值模拟,结果表明:U型通风方式下回风巷、上隅角瓦斯浓度超限,回风巷内的瓦斯浓度达到1.37%,上隅角的瓦斯浓度更是达到了3.84%;而W型通风方式下回风巷内瓦斯浓度为0.27%,工作面中部瓦斯浓度在0.76%左右,解决了U型通风方式下上隅角瓦斯超限问题。

2)通过数值模拟发现上下巷进风中间巷回风W型通风方式下的采空区高瓦斯富集带为距工作面300 m以后的裂隙带内(18 m～38 m),为提高瓦斯抽采率提高了依据。

3)通过比较三种类型的W型通风方式下采空区瓦斯浓度分布,认为上下巷进风中间巷回风W型通风方式是W型中较好的形式。