高抽巷治理采空区瓦斯层位研究*

马 恒，王祥宇，张遵国

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新，123000； 2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新，123000)

0 引言

随着采煤机械化程度的提高，综采工作面推进的速度也随之加快，这会导致短时间内采空区内的瓦斯含量急剧增加，进而会使工作面瓦斯超限，威胁着工作面的安全生产。高抽巷是1种能有效解决工作面瓦斯超限的抽采方式。对此，许多学者对高抽巷抽放瓦斯效果进行研究。冯雪[1]通过采空区渗流模型的研究，对大佛寺煤矿的高抽巷，进行抽采效果的探究；靳晓华等[2]通过理论与数值模拟相结合的方式，对余吾矿的高抽巷层位进行了确定；朱小强[3]通过Fluent模拟，对五阳煤矿高抽巷，在不同通风方式下的抽采效果进行模拟探究；周华东等[4]通过对顶板在采动过程中的破断规律，提出开元煤矿高抽巷在初采时布置方案；李晓泉[5]则根据高抽巷的现场实测数据，对抽采瓦斯浓度与风排瓦斯浓度进行了分析研究，得出了相应的关系；娄金福[6]通过对顶板高抽巷与回风巷之间的水平距离的关系探究，得到高抽巷布置的最佳水平位置；李迎超等[7]运用数值模拟对高抽巷与回风巷的位置关系进行研究，并得到东庞矿最佳抽采效果位置；王成[8]通过Fluent模拟，对高抽巷在抽采过程中的抽采负压进行了探究；高保彬等[9]通过对李雅庄矿外错型高抽巷，进行了理论分析和数值研究。综上，已有研究对采空区进行分析时，多采用Darcy定律将其视为层流，而未考虑到采空区在实际情况下是以湍流、过渡流、层流共存的流场，即实际情况下的Brinkman非线性渗流定律；且采空区多按“O”型圈模型求解，并不是实际采空区岩石碎胀系数，若按“O”型圈分布求解，则与实际采空区情况偏离较远，模拟结果切实度不高且难以指导现场实际。因此，本文以常村煤矿S5-13工作面为例，采用紧贴实际采空区碎胀系数分布“O”型圈理论，运用自定义相关UDF进行数值模拟，确定高抽巷的最佳层位，并用现场测试数据验证模拟结果的正确性，以期为其他煤矿工作面高抽巷最佳抽采层位的确定提供参考。

1 高抽巷抽采层位理论分析

1.1 “O”型圈理论

根据矿山压力学的研究规律，随着工作面不断推进，在采空区周围四周会形成1个连通的采动裂隙发育区，即为“O”型圈[10]。高抽巷布置在“O”形裂隙圈影响的范围内，已达到抽采瓦斯的目的[11]。

多组分气体在采空区中扩散会受到冒落岩石碎胀系数的影响，结合采空区实际覆岩冒落压实的分布状态，给出描述冒落碎胀系数按半“O”型圈模型分布的数学公式[12]：

K(x,y)=Kmin+(Kmax-min)×exp(-m1d1)× {1-exp[-ξm0×(d0+φ)]}

(1)

式中：K(x,y)为采空区冒落碎胀系数；Kmin为压实后的碎胀系数，取1.1；Kmax为初始冒落的碎胀系数,根据现场实测，取1.6；m0，m1分别为距离固壁和工作面的衰减率，取m0=0.268 m-1，m1=0.036 8 m-1；d0，d1分别为点(x，y)与固壁和工作面边界的距离，m；φ=d0/30为近煤壁调整系数；ξ为控制模型分布形态的调整系数，取0.233。

1.2 上覆岩层的分布特征

1.2.1 冒落带

本文煤层上部冒落带岩石主要属于中硬岩石，其冒落带高度计算公式为：

(2)

式中：HC为冒落带高度，m；∑M为煤层开采累计高度，m。

S5-13煤层累计开采5.7 m，通过计算可知S5-13工作面的冒落带高度为10.25～14.65 m。

1.2.2 裂隙带

本文煤层上部裂隙带岩石主要属于中硬岩石，因此裂隙带的高度计算公式为：

(3)

式中：HL为裂隙带高度，m；∑M为煤层开采累计高度，m。

根据S5-13煤层累计开采5.7 m，通过计算可知裂隙带高度为39.2～50.4 m。

1.3 高抽巷理论层位

在为了保证高抽巷抽放的效果时，高抽巷的层位不仅选择在瓦斯涌出密集区，而且还应保证回采过程中不易被快速破坏。因此，高抽巷层位的选择应在裂隙带的下部，其公式如下[13]：

HZ=HC+ΔHm

(4)

HC

(5)

式中：HZ为高抽巷的位置高度，m；HC为冒落带高度，m；ΔHm为防止高抽巷破坏的安全保险高度，取1～1.5倍采高，m；HL为裂隙带高度，m。

2 高抽巷抽采层位数值模拟

2.1 数学模型

在对采空区进行建模时，可将综采面采空区视为连续多孔介质区，采空区的风流视为不可压缩气体在三维空间的非线性渗流[14]。在采空区孔隙内流动时则遵循以下方程。

当采空区的风流为紊流时，则气相流动控制方程组采用三维稳态不可压N-S方程，方程组的具体形式如下[15]：

1)连续性方程

(6)

式中：ρ为密度，g/m3；t为时间，s；u为速度，m/s；Sm为多组分气体生成量源项，kg/(m3·s)。

2)动量方程

(7)

式中：p为静压力，Pa；τ为应力张量；ρg为重力体力，N；Fi为外部体力，N；ui,uj分别为速度u在i,j方向上的分量，m/s。

当采空区的风流为过渡流时采用Brinkman方程:

(8)

ρ·u=Qbr

(9)

式中：εp为采空区孔隙率，%；k为多孔介质的渗透率，10-3μm2；Qbr为多孔介质内部流质流量，kg/(m3·s)；F′为多孔介质内体积力，N/m3；βF为体积膨胀系数。

在多孔介质层流中，压力降一般与速度成比例，可用Darcy定律简化多孔介质模型，即：

(10)

式中：α为渗透率，10-3μm2；V为速度，m/s。

根据Fick定律，扩散流量为：

(11)

2.2 物理模型的构建及边界参数的设置

2.2.1 工作面概况

常村煤矿S5-13工作面相应的布置参数为走向长度890 m，倾斜长度为300 m，煤层平均厚度为5.75 m，单一厚煤层，且煤层倾角为1.5°。按照每天开采1万t计算，预测瓦斯涌出量为11.5 m3/t，瓦斯的绝对涌出量为58.7 m3/min。该工作面顶底板岩石岩性见表1[16]。

表1 工作面顶底板岩性参数Table 1 Working surface top floor lithology parameters

2.2.2 几何模型与网格的划分

模型建立过程中，根据现场实际情况，对S5-13工作面几何模型进行一定的简化。简化模型基本参数见表2。

表2 几何模型基本参数Table 2 Geometric model basic parameters

将高抽巷设置在距煤层底板分别为13，23，33和43 m垂距和水平布置距回风巷内侧15，20，25，30和35 m平距处。根据上述采空区的参数，通过在笛卡尔坐标系下建立3D物理模型。利用ANSYS ICEM软件对其模型进行网格划分，网格采用结构化六面体网格，为了增强网格对计算的适应性，运输巷、回风巷、工作面以及高抽巷网格尺寸为0.5 m，采空区网格尺寸为2 m。模型共划分865 623个网格单元，如图1所示。

图1 几何模型网格划分Fig.1 Geometric model grid diagram

2.2.3 边界参数的设置

从围岩石的漏风性、稳定性，以及能有效解决上隅角瓦斯体积分数超限等方面考虑，高抽巷应布置在回风巷一侧。根据实际采空区冒落碎胀系数按“O”型圈分布情况，再依据本文模型的尺寸，利用udf对该模型的孔隙率、惯性阻力系数、黏性阻力系数进行自定义，并导入FLUENT运算程序。根据采空区瓦斯涌出规律，将采空区瓦斯涌出来源分为3个带[17]，分别为涌出带、过渡带、滞留带，各带的范围分别为0～<50 m、50～<140 m和140～<400 m。根据采空区瓦斯的涌出规律，采空区随工作面的推进，瓦斯涌出量急剧下降，当达到过渡带时，瓦斯涌出量趋于平缓，直至滞留带。通过现场实测，该采空区各带瓦斯涌出量为29.4，14.7和14.6 m3/min，采空区总的瓦斯涌出量为58.7 m3/min。根据各带瓦斯涌出量，可将瓦斯源项分别设为4.678×10-7，1.299×10-7和7.259×10-8。根据S5-13工作面的实际情况可知，工作面需风量2 080 m3/min，运输巷设为速度入口且速度为1.8 m/s,回风巷设为自由出口，高抽巷设为速入口且速度为-0.625 m/s，重力加速度设为-9.8 m/s2，参数收敛指标为10-5。

2.3 高抽巷抽采层位数值模拟结果及分析

根据工作面相关参数，对无高抽巷时该工作面的瓦斯浓度分布情况进行了模拟分析，模拟结果如图2所示。

图2 无高抽巷瓦斯浓度分布Fig.2 Distribution of gas concentration without high pumping lane

由模拟结果可知，无高抽巷时上隅角瓦斯浓度达到10%以上，而且随着回采的推进，顶板的周期来压瓦斯会不断涌向上隅角，势必会导致工作面瓦斯浓度因超限而带来安全问题。

根据模拟结果提取数据得到，高抽巷在垂距为23 m处不同平距时的上隅角瓦斯走势和高抽巷瓦斯浓度走势图，如图3所示。通过对不同垂距和不同平距之间的交叉模拟，得出垂距为23 m时平距分别在15，20和25 m处的工作面水平截面，对应高抽巷水平截面瓦斯浓度分布图分别如图4、图5和图6所示。

图3 瓦斯浓度变化Fig.3 Gas concentration change chart

图4 H=23 m，L=15 m工作面和高抽巷截面瓦斯浓度Fig.4 Gas concentration in section of work face and high pumping lane when H=23 m,L=15 m

图5 H=23 m，L=20 m工作面和高抽巷截面瓦斯浓度Fig.5 Gas concentration in section of work face and high pumping lane when H=23 m,L=20 m

图6 H=23m，L=25m工作面和高抽巷截面瓦斯浓度Fig.6 Gas concentration in section of work face and high pumping lane when H=23 m,L=25 m

对比图4，图5和图6可知，在加入高抽巷后，上隅角瓦斯浓度迅速下降，从原来高达10%以上，迅速下降1%以下，且图5上隅角瓦斯浓度仅为0.46%。通过图3，对垂距为23 m处时不同平距的上隅角瓦斯浓度对比，在平距分别为15和20 m处时，上隅角瓦斯浓度上升速率平缓；当继续以等同高度提升时，瓦斯浓度上升速率为原来的近3倍。当平距在从15 m改为20 m后，上隅角瓦斯浓度上升仅为0.02%，而平距从20 m改为25 m后，上隅角瓦斯浓度上升浓度高达0.08%。此后平距增加，上隅角瓦斯浓度上升速率明显加快。因此，上隅角瓦斯浓度分析表明平距20 m处为临界点。此外，从图3的高抽巷瓦斯浓度看，当高抽巷层位在平距在20 m处时，瓦斯抽采量最大。

通过模拟结果，得到平距在20 m处，垂距分别为13和33 m时，工作面和高抽巷水平截面瓦斯浓度分布云图，分别如图7、图8所示。

图7 H=13 m，L=20 m工作面和高抽巷截面瓦斯浓度Fig.7 Gas concentration in section of work face and high pumping lane when H=13 m,L=20 m

图8 H=33 m，L=20 m工作面和高抽巷截面瓦斯浓度Fig.8 Gas concentration in section of work face and high pumping lane when H=33 m,L=20 m

图9 上隅角瓦斯浓度Fig.9 Upper corner gas concentration map

图10 高抽巷瓦斯浓度Fig.10 Gas concentration map of high pumping lane

由图7、图8结合图5可知，在同平距下，上隅角瓦斯浓度随垂距的增大而升高。通过对数据的提取得到上隅角、高抽巷在不同垂距和不同平距下瓦斯浓度的变化走势，分别如图9、图10所示。

如图9所示，高抽巷层位在同一平距下，工作面上隅角的瓦斯浓度随垂距的提升而上升。当垂距从13 m提升到23 m时，上隅角瓦斯浓度上升幅度在0.025%以内；而当垂距从23 m上升到33 m时，上隅角瓦斯浓度急剧上升，上升幅度高达0.11%；当垂距超过33 m时，上隅角瓦斯浓度高于0.6%。另外，如图10所示，当高抽巷处于同一平距下时，高抽巷抽采浓度会随垂距增加而迅速增加，当垂距从13 m上升到23 m时，高抽巷的抽采浓度上升梯度比其他同等高度提升要大的多，浓度上升近2%；而当垂距从23 m提高到33 m时，高抽巷瓦斯浓度提升幅度仅为0.4%左右。因此，据上述结果可知高抽巷层位在垂距23 m处时，瓦斯抽采效果最好。

综合上述模拟结果，当S5-13工作面高抽巷位于垂距H=23 m、平距L=20 m处时，抽采纯量为33.8 m3/min，抽采率为56.2%，使得上隅角瓦斯浓度降低到0.46%，能够高效地解决上隅角瓦斯超限问题。

3 现场实测与模拟结果对比

根据模拟实验确定的层位，对S5-13工作面加入高抽巷后，对工作面上隅角浓度、高抽巷的瓦斯浓度进行为期1个月的数据采集，并绘制出其浓度变化图，如图11、图12所示。

图11 上隅角实测瓦斯浓度变化Fig.11 Gas concentration in the upper corner

图12 高抽巷实测瓦斯浓度Fig.12 Gas concentration in high pumping lane

从图11可知，S5-13工作面上隅角瓦斯浓度总体维持在0.49%左右，与模拟结果0.46%基本吻合。从图12可知，工作面高抽巷的实测浓度为7.0%左右，抽采纯量为31.7 m3/min，与模拟结果的浓度7.5%，抽采量33.8 m3/min基本相符。出现误差的原因是实际采空区中会有漏风的情况，以及模型网格的划分等因素，都会对结果产生影响。经比较，上隅角瓦斯浓度相差0.03%，误差为6.1%；高抽巷瓦斯浓度相差0.5%，误差为6.7%。可知，实际数据与模拟结果基本吻合。

4 结论

1)通过数值模拟方法确定常村煤矿S5-13工作面高抽巷在距煤层底板23 m，距回风巷内侧水平距离20 m处时，治理上隅角瓦斯及采空区瓦斯抽采效果最佳。

2)通过高抽巷理论层位和数值模拟的结果确定来指导实践，并与现场的实测数据进行对比，两者结果基本一致，数学模型与模拟结果得到验证。

3)通过对模拟参数的全面设置，进而使采空区数值模拟趋于完善，半“O”型圈模型的应用，贴近采空区实际情况，是1种可行的模拟方法。

4)通过理论计算和数值模拟，并结合现场情况来确定高抽巷层位，可得出其合理的层位，不仅能有效地解决上隅角瓦斯的超限，还能提高抽采效率，对工作面的安全生产具有指导意义，对类似条件工作面高抽巷层位的确定也具有参考价值。