基于COMSOL的采空区埋管抽采参数优化数值研究*

杨前意，罗伙根，石必明，张雷林，张鸿智

(1. 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001； 2. 中国神华神东煤炭集团保德煤矿，山西 忻州 036600)

0 引言

瓦斯所导致的煤矿安全事故频繁发生，对矿山安全生产带来巨大威胁，针对煤矿开采中局部地区瓦斯积聚，特别是工作面上隅角瓦斯超限所造成的各种问题，采用埋管抽采瓦斯的治理方法，通过采空区埋管抽采，使得工作面上隅角瓦斯浓度下降，达到国家安全规程标准。

国内外学者对采空区瓦斯运移及埋管抽采参数进行了大量研究。Matuszewski采用一维模型对采空区瓦斯浓度分布及其测试开始对采空区的气流场进行研究。刘剑[1]采用三维有限单元法来解算采场瓦斯浓度分布，同时介绍了计算机运行程序；丁广骧等[2]通过线性渗流理论以及管路漏流流动规律，建立了采场风流参数计算的二维数学模型；张东明等[3]研究了采空区瓦斯流动分布规律，并运用有限元方法建立了非线性渗流数学模型；周爱桃等[4]设计了采空区埋管抽放的技术方案，建立了采空区瓦斯运移的数值计算模型，并通过FLUENT软件对采空区埋管抽放效果进行了模拟；赵宇新[5]研究了综采工作面及采空区瓦斯分布情况和运移规律，并分别阐明了煤层赋存条件和开采技术工艺对瓦斯涌出量产生的各种影响，建立三维数学模型，运用FLUENT数值模拟软件对常易造成积聚超限的上隅角瓦斯运移情况进行数值模拟。

但是抽采条件下，采空区内瓦斯运移复杂，目前使用的FLUENT软件无法达到多物理场耦合模拟，导致相关抽采参数设置不合理[6]，本文在前人的基础上，以保德煤矿81307工作面采空区抽采现状为例，利用COMSOL 多物理场耦合模拟软件建立采空区抽采三维模型，采用多孔介质稀物质流动和达西定律耦合，模拟研究布置间距、抽采负压和抽采流量对治理上隅角瓦斯超限效果的影响，对抽采参数进行优化，从而为采空区埋管抽采工作提供可靠的技术指导。

1 工作面概况

保德煤矿81307综放工作面设计长2 489.5 m，工作面倾向长240 m，属厚煤层，平均煤厚为7.3 m，设计工作面回采率为93%，工作面回采煤量为518.7万t。工作面于2018年4月开始回采，通风方式为 “偏Y”型，即81307一号回风巷和81307胶带巷进风、靠近切眼处联巷回风，具体通风布置方式如图1所示。

图1 81307综放工作面布置示意Fig.1 Schematic diagram of 81307 fully mechanized caving face

2 模拟方案的确定

2.1 模拟方案

为了研究抽采参数与上隅角瓦斯浓度之间的关系，确定最佳的埋管抽采参数。结合81307综放工作面实际情况，采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对以下4种情况进行数值模拟：①无埋管抽采条件下上隅角瓦斯分布规律；②埋管布置间距与上隅角瓦斯抽采效果间的规律；③抽采负压与上隅角瓦斯抽采效果间的规律；④抽采流量与上隅角瓦斯抽采效果间的规律。分析结果最终得出最佳采空区埋管抽采参数。

2.2 几何模型及网格划分

由于采煤工作面存在各种设备，按实际尺寸建立几何模型过程十分复杂，在设计模型时理想化参数条件，忽略采煤工作面各种设备的影响。将采煤工作面及其进回风巷都按矩形断面处理。最终设计简化模型偏Y型工作面的尺寸为：巷道宽5.2 m，高3.5 m，工作面长240 m，采空区长500 m，高30 m，同时对模型进行网格划分并局部加密，如图2～3所示。

图2 几何模型Fig.2 Geometric model

图3 工作面及采空区模型网格划分视Fig.3 Work area and goaf model meshing view

工作面模拟时以2个进风巷位置为入口边界，忽略边界湍流效应，设计入口处风流风速在进风巷断面上大小一致，且入口边界设定为法向速度场风流速度，入口初始风量2 200 m3/min。回风联巷设置为出口边界，埋管抽采采用低负压抽采简化为出口边界。其余三维固体边界设置为无通量边界。开采层和邻近层绝对瓦斯涌出量分别为7，10.15 m3/min；采空区及巷道内初始压力设为大气压；设定好模型和参数后，设定多孔介质稀物质流动和达西定律多物理场耦合求解，直至模型计算收敛为止。

3 模拟结果及分析

3.1 无埋管抽采条件下

设定采空区无埋管抽采，使用COMSOL软件进行求解，最终得到的无抽采下采空区三维瓦斯分布云图，如图4所示。

图4 无埋管条件下瓦斯分布Fig.4 Gas distribution diagram without buried pipe

无埋管抽采条件下，分析瓦斯浓度云图可以看出：采空区内瓦斯浓度随着距离工作面的距离加大而不断增加。邻近工作面一侧瓦斯浓度较低，随着距离的不断加大，瓦斯浓度越来越大。而在自然堆积区向压实稳定区的过渡区域，由于渗透率和孔隙率的改变，该区域瓦斯浓度迅速增大，形成了采空区最高的瓦斯浓度梯度[7-9]。

风流入口处瓦斯浓度最低，靠近工作面位置的采空区的自然堆积区，由于碎胀性系数大和漏风量大导致其浓度较低。采空区无埋管抽采条件下，漏风流从工作面进风侧漏向采空区，从回风侧漏回到工作面，此时的漏风流会携带大量的瓦斯。在自然堆积区内，沿工作面风流方向，风流随自然堆积区的漏风扰动作用越来越小，从图4中明显看出自然堆积区内靠近进风巷的地方被风流冲洗作用强，瓦斯浓度低，而靠近回风巷和上隅角处区域受风流扰动作用小，瓦斯大量积聚。此时，工作面上隅角瓦斯体积分数高达4.3%，回风巷瓦斯体积分数为2.2%，>1.0%(国家安全标准)，上隅角和回风巷瓦斯浓度严重超限，必须进行瓦斯治理。

3.2 布置间距

研究抽采管布置间距与上隅角瓦斯浓度的关系，数值模拟布置间距为80，100，120 m时上隅角瓦斯浓度分布规律。得到采空区三维瓦斯分布云图如图5～7所示。同时，将瓦斯分布云图中数据进行量化，浓度数据如表1所示。

表1 不同布置间距下瓦斯体积分数Table 1 Gas concentration under different arrangement spacing

图5 布置间距为80 m时的瓦斯分布Fig.5 Gas distribution when the arrangement spacing is 80 m

图6 布置间距为100 m时的瓦斯分布Fig.6 Gas distribution when the arrangement spacing is 100 m

图7 布置间距为120 m时的瓦斯分布Fig.7 Gas distribution when the arrangement spacing is 120 m

由图5～7和表1可以发现，上隅角等地的瓦斯体积分数总体上随着抽采管间的布置间距增大而增大，呈现正相关。当布置间距为120 m时，上隅角瓦斯体积分数为1.85%，回风流瓦斯体积分数为1.4%，上隅角和回风巷瓦斯体积分数严重超限。这是由于当布置间距较大时，抽采管离上隅角较远，埋管抽采对采空区内风流影响较小，此时抽采管很难及时的抽采上隅角处积聚的瓦斯[10]，治理效果差。当布置间距等于100 m时，上隅角瓦斯体积分数为0.50%，回风流瓦斯体积分数为0.35%，抽采管离上隅角距离近，能及时抽采上隅角处瓦斯，从而达到治理上隅角瓦斯体积分数超限目的。同时综合考虑经济效益，埋管间距设置为100 m最佳。

3.3 抽采负压

研究抽采负压与上隅角瓦斯体积分数的关系，数值模拟抽采负压为22，32，42 kPa时上隅角瓦斯体积分数分布规律，结果如图8～10所示。

图8 抽采负压为22 kPa时的瓦斯分布Fig.8 Gas distribution when the pumping negative pressure is 22 kPa

图9 抽采负压为32 kPa时的瓦斯分布Fig.9 Gas distribution when the pumping negative pressure is 32 kPa

图10 抽采负压为42 kPa时的瓦斯分布Fig.10 Gas distribution when the pumping negative pressure is 42 kPa

分析抽采负压为22，32，42 kPa的数值模拟结果，发现抽采负压对上隅角瓦斯体积分数产生一定的影响，随着抽采负压的增大，上隅角瓦斯体积分数减小。将瓦斯分布云图中数据进行量化，具体关系如表2所示。

表2 不同抽采负压下瓦斯体积分数Table 2 Gas concentration under different suction negative pressure

通过表2可以看出，当抽采负压为22 kPa时，上隅角瓦斯体积分数为3.5%，回风流瓦斯体积分数为2.8%。此时上隅角和回风巷瓦斯体积分数严重超限，虽然相比较无抽采条件下，采空区内瓦斯流向采空区深部和抽采管处，但是抽采负压较低，抽采瓦斯有限，没有完全解决上隅角瓦斯超限问题。当抽采负压为32 kPa时，上隅角体积分数为0.5%，达到国家规定的安全标准。从整体上来看，上隅角瓦斯体积分数随着抽采负压的增大而减小，呈现出减小的趋势。但是随着负压的增大，有可能会造成采空区漏风严重，造成煤炭自燃[11-13]。同时考虑到矿井实际生产中加大负压，经济投入加大，因此最佳抽采负压可为32 kPa。

3.4 抽采流量

研究抽采流量与上隅角瓦斯体积分数的关系，数值模拟抽采流量为500，600，700 m3/min时上隅角瓦斯分布规律，结果如图11～13所示。同时将瓦斯体积分数进行量化，得到数据如表3所示。

图11 抽采流量为500 m3/min时的瓦斯分布Fig.11 Gas distribution when the pumping flow rate is 500 m3/min

图12 抽采流量为600 m3/min时的瓦斯分布Fig.12 Gas distribution when the pumping flow rate is 600 m3/min

图13 抽采流量为700 m3/min时的瓦斯分布Fig.13 Gas distribution when the pumping flow rate is 700 m3/min

由表3知，当抽采流量为500 m3/min时，上隅角瓦斯体积分数为2.1%，回风流面瓦斯体积分数为1.5%；当抽采流量为600 m3/min时，上隅角瓦斯体积分数为0.50%，回风流瓦斯体积分数为0.35%，达到国家安全生产标准；当抽采流量为700 m3/min时，上隅角瓦斯体积分数为0.34%，回风流瓦斯体积分数为0.2%。由此可见，上隅角等地的瓦斯体积分数随着抽采流量的增大而减小，呈现负相关，抽采流量加大，低瓦斯体积分数区域不断向采空区深部和上部扩散。抽采流量越大，上隅角瓦斯的治理效果越好，但是瓦斯抽采流量越大，越容易导致采空区漏风，采空区自燃“三带”变大[14]，煤炭易自燃。综合考虑保德煤矿现有抽采泵设备和经济效益等实际情况，抽采流量为600 m3/min时，治理效果最佳。

表3 不同抽采流量下瓦斯体积分数Table 3 Gas concentration under different pumping flow rates

4 现场试验

4.1 施工方案

本次以保德煤矿81307工作面为试验对象，采用采空区埋管抽采瓦斯的方法，治理上隅角瓦斯体积分数超限问题。试验设置的采空区埋管抽采的参数为布置间距100 m、抽采负压32 kPa、抽采流量600 m3/min。

试验过程中由于要收集采空区和回采工作面上隅角瓦斯体积分数情况，因此在采空区采用提前铺设束管。共采集2018年5～7月这3个月份的进风流瓦斯体积分数、工作面瓦斯体积分数、回风隅角流瓦斯体积分数和回风流瓦斯体积分数以此考察采空区埋管抽采治理上隅角瓦斯的效果。

4.2 效果考察

经过监测，整理出在设计的埋管抽采参数下81307工作面的5～7月份的瓦斯体积分数数据。为了便于研究埋管抽采对瓦斯体积分数的影响，对这些数据进行分析，采用曲线图来分析瓦斯体积分数的变化趋势。工作面、回风流及上隅角的瓦斯体积分数变化趋势如图14～16所示。

图14 81037工作面瓦斯体积分数Fig.14 Gas concentration of 81037 working face

图15 81037回风流瓦斯体积分数Fig.15 81037 return airflow gas concentration

图16 81037上隅角瓦斯体积分数Fig.16 Gas concentration of the upper corner of 81037

通过图14～16可以看出，采空区埋管抽采瓦斯后，81307工作面的瓦斯体积分数下降明显。进风流中瓦斯体积分数试验期间稳定在0.1%左右，这是由于进风流不经过采空区，埋管抽采影响较小。工作面瓦斯体积分数0.3%左右，回风流中瓦斯体积分数0.35%左右，上隅角瓦斯体积分数0.5%左右，小于1%，达到国家安全标准。采空区埋管抽采瓦斯，由于抽采管内外压差较大，导致采空区内瓦斯体积分数降低，工作面漏风量下降，从而风流携带的瓦斯在上隅角处积聚的量也会下降，达到治理上隅角瓦斯体积分数超限问题的效果[15]。

5 结论

1)合理的采空区埋管抽采参数可以改变采空区内漏风规律，减小采空区内瓦斯含量，降低上隅角处瓦斯体积分数。模拟结果显示81307工作面采空区埋管抽采布置间距为100 m、抽采负压为32 kPa、抽采流量为600 m3/min时，安全和经济效益最佳。

2)现场抽采试验，显示采用模拟得到的抽采参数进行采空区瓦斯抽采，上隅角瓦斯体积分数降至0.5%左右，可以有效解决上隅角瓦斯超限问题。

3)对比分析数值模拟和现场试验，利用COMSOL进行多物理场耦合模拟可以及时、准确的获得采空区埋管抽采最佳参数，治理上隅角瓦斯体积分数超限问题，节省施工时间，保障生产安全，同时节约了资源，提高效益。