高瓦斯综放工作面低位高抽巷瓦斯治理数值模拟研究

张丽娜，刘先新，宋 博，李泽天，王明远

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，太原 030024；2.山西煤矿安全培训中心，太原 030012)

在煤炭开采过程中，矿井瓦斯涌出、工作面瓦斯涌出、上隅角瓦斯严重影响着煤矿安全生产，特别是大采高综放工作面采煤厚度大、推进速度快、绝对瓦斯涌出量高；同时，大采高工作面采动扰动影响大，邻近层和采空区瓦斯容易涌入工作面，极易造成工作面在回采期间瓦斯积聚以及上隅角和回风巷瓦斯超限，给工作面瓦斯治理工作造成了严重的困扰。随着综放工作面生产能力的提高和瓦斯治理技术的不断优化，形成了预先抽采、埋管抽采、钻孔卸压抽采、高抽巷抽采等抽排措施[1]。由于不同技术措施在应用过程中受到实际环境多因素的影响，抽采效果往往达不到预期的理想效果，很多技术参数等细节性问题需要优化完善[2]。其中，高抽巷相对于其他几种抽采方式，具有抽采负压大、辐射范围广、抽采效率高、管路维护简易等优点，在一些备受瓦斯困扰的矿井得到了广泛的应用[3-4]。目前，高抽巷的研究主要集中在高抽巷不同层位的空间分布参数和抽采技术参数的优化，马恒等人[5]、靳晓华等人[6]通过数值模拟和现场数据对比分析，系统研究高抽巷层位布置对于瓦斯抽采效果的影响，最终确定了高抽巷最优的平距和垂距布置参数。此外，刘佳佳等[7]和屈昀等[8]通过Fluent数值模拟研究抽采负压对瓦斯抽采效果的影响，随着高抽巷抽采负压的增加，抽采纯量和混合抽采量逐渐增加，而抽采率却随着时间逐渐减小，即瓦斯抽采浓度随着抽采负压增加先到达一个峰值再逐渐减小。因此，选择峰值转折点处的抽采负压作为合理的抽采参数是瓦斯高效抽采的基础。同样，王成等[9]通过数值模拟与现场实测数据分析，得出高抽巷抽采顶板瓦斯正常期最优的抽采负压，为矿井高抽巷参数设置提供了科学依据。李迎超等[10]借助Fluent软件研究了高抽巷空间参数与抽采参数之间的耦合关系，发现水平距离为64 m、抽放高度为11 m时的抽放效果最佳。郝光生等[11]则是利用低位高抽巷有效地解决了工作面上隅角瓦斯超限问题。大量研究表明，由于矿井综放工作面地质构造复杂以及多方面因素影响，设置合理的抽采负压与优化高抽巷层位布置对矿井瓦斯高效抽采有着决定性的作用。

本研究重点分析不同层位高抽巷沿采场垂直高度、采场走向深度及倾向长度的瓦斯流动规律及瓦斯分布规律。以上隅角瓦斯浓度和抽采浓度作为判断依据，分析无高抽巷、高位高抽巷、低位高抽巷三种情形下的不同区域瓦斯浓度和抽采量，从而探寻解决综放工作面和采空区瓦斯浓度高及上隅角瓦斯超限问题，降低上隅角瓦斯集聚的风险，提高采空区瓦斯抽采率。

1 高抽巷瓦斯抽采原理

高抽巷作为治理工作面上隅角及采空区瓦斯的有效手段，在矿井瓦斯治理方面应用比较普遍。高抽巷主要是基于采空区瓦斯密度相对较小，能够在采场环境产生升浮-扩散效应，并在上移的过程中形成伞流状气廓，同时在气廓的截面上，气相流速分布和密度差也存在着一定的相似性，故而可以沿着巷道垂高Z轴表示为以下公式：

(1)

(2)

Δρm=ρ-ρα.

(3)

式中：Δρ是气廓场密度差，kg/m3；Δρm是气廓场与环境之间的密度差，kg/m3；v表示气廓截面中心的最大速度，m/s；vm表示巷道截面中心的最大流速，m/s；ρ为伞状气流的密度，kg/m3；ρα为周围环境空气的密度，kg/m3；b为巷道截面半厚，m；α是常数；z，r分别为气廓中心的垂距和半径，m.其中含瓦斯的气相流在上升的过程中受到Δρm的影响，会不断地与周围气流以卷吸方式发生动量和质量交换，从而使得瓦斯自身的占比不断增大，那么就可以根据气相流的流量增加率和卷吸流量Q相等作为计算的出发点，即：

(4)

将式(1)(2)(3)带入公式(4)中即可求解出：

(5)

由于Δρm通量的积分遵循着质量守恒关系，所以可以表示为：

(6)

式(2)带入(6)即可得出式(7)：

(7)

其中，A，B为设定参量，分别为：

(8)

分析式(7)(8)可以清晰得出瓦斯在升浮-扩散效应下的聚集效果，上部采动空间在放顶煤回采的过程中聚集大量的高浓度瓦斯，而高抽巷就是依据这一原理，将巷道布置在煤层上部的合适距离，抽吸聚集在采空区的瓦斯，同时也减少采空区瓦斯向工作面的不断涌入，从而可以保证综放工作面的安全高效开采。本文主要是优化高抽巷的层位布置，提出将高抽巷布置在煤层顶板的半煤岩中，这样的低位高抽巷不仅能抽采工作面的瓦斯，有效降低上隅角瓦斯浓度，而且可以抽吸采空区聚集的瓦斯，起到大采高工作面瓦斯治理的双重效果。

2 综放工作面几何模型

根据矿井的实际现场情况，并结合已有的研究结果，对模型进行以下几方面的设定，可得简化模型图1。

将该矿工作面简化为两个矩形断面顺槽(5.0 m×3.6 m)、方形断面高抽巷(3.0 m×3.0 m)、长方体采空区，忽略外部漏风对整个研究模型的影响，单从综放工作面与采空区截面孔隙率研究漏风。由于综放工作面形成时间短，故而将采空区简化为“一带两区”，即裂隙带、自然堆积区、压实稳定区。而低位高抽巷和高位高抽巷的布置不会改变模型的相对关系。

图1 模型简化图(单位：m)Fig.1 Model simplification diagram

3 高抽巷抽采数值模拟研究

3.1 建模及网格划分

根据模型简化图(图1)在ICEM中建立几何模型，并对模型进行网格划分，划分结果如图2所示。

图2 三种模型网格质量Fig.2 Mesh quality of three models

从图中可以看到，网格质量基本维持在0.40以上，而且0.90～0.95之间的占比超过70%，充分说明划分网格质量能够满足模拟计算要求，保证计算结果的准确性。

3.2 模拟参数设定

模拟综放工作面瓦斯抽采运移规律，需要考虑并设定碎胀系数、孔隙率、粘性阻力系数和瓦斯质量源项。综合矿井实际生产情况、理论计算结果、模拟实验数据和现场实测统计可以将模型中关键参数设定为表1。

通过测定矿井瓦斯涌出量，相对准确地得出了各个瓦斯涌出地点的瓦斯质量源项。模型中其他的边界条件是根据综放工作面通风系统的实际情况设定为表2。

表1 模拟边界参数Table 1 Simulation boundary parameters

表2 其他边界条件Table 2 Other boundary conditions

4 高抽巷层位模拟结果及分析

4.1 瓦斯变化规律

为了更加直观地观察到三种不同模拟方案下瓦斯体积分数变化规律，首先观察距离底板1.5 m的平面(不含采空区)的瓦斯体积分数分布云图(图3)。图3(a)表示没有任何抽采措施情况下的瓦斯体积分数分布图，即对照组；(b)图代表的是高抽巷布置在裂隙带的抽采效果图，即高位组；(c)图显示的是低位高抽巷布置在半煤岩中，即低位组，具体的位置参数已经在图1中详细标注。

由图3瓦斯体积分数云图观察到，工作面沿风流方向，瓦斯体积分数逐渐升高，在工作面中部瓦斯体积分数达到了最高浓度的二分之一，并在上隅角区域形成明显的高浓度瓦斯富集区。由于高抽巷在采空区的抽采负压加大导致漏风现象加剧，使得高位组和低位组上隅角瓦斯富集区呈现相对均匀的分散，而对照组高浓度瓦斯区呈贴壁半圆弧形。另一方面，从数值上可以发现，对照组、高位组和低位组的最大体积分数分别为1.225%，0.816%和0.756%。相较于对照组，高位组和低位组工作面上隅角瓦斯体积分数分别降低了33.4%和38.3%，抽采效果明显，而且低位组比高位组提高了将近5个百分点。同时，从低位组体积分数分布云图可以看到上隅角瓦斯体积分数低于工作面高抽巷口，促使了高浓度瓦斯区的转移和均匀分散，明显降低了上隅角瓦斯超限的风险。综合以上分析，可以说明低位高抽巷的抽采效果优于高位高抽巷。

图3 垂高1.5 m处瓦斯浓度分布云图Fig.3 Cloud chart of gas concentration distribution at 1.5 m vertical height

通过提取距离工作面2 m处垂高Z=0.5 m，1.5 m，2.5 m三条测线，观察三组模拟方案的瓦斯浓度曲线图(如图4)，研究瓦斯体积分数沿工作面的分布规律，从而清晰地观察到低位组的抽采效果。从图4中可以看到测线瓦斯体积分数先增后降(-75 m35 m处就超过了1%。相比较而言，从低位组瓦斯体积分数增长曲线可以看到，在Z=1.5 m和Z=2.5 m两个层位，随着X的不断增大，出现了明显的峰值波动，但峰值体积分数在0.756%，明显低于同位置的其余两组，这更加说明低位组的抽采效果突出。

图4 工作面垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m的瓦斯浓度分布曲线Fig.4 Gas concentration distribution curve with working face vertical height Z=0.5 m, 1.5 m and 2.5 m

上隅角瓦斯浓度的高低直接影响着综放工作面的安全生产，为了更好地分析此区域的瓦斯浓度变化规律，提取X=73 m靠近回风巷上隅角侧垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m三条测线数据(如图5).从回风巷瓦斯体积分数数据(0

图5 上隅角垂高Z=0.5 m、1.5 m、2.5 m的瓦斯浓度分布曲线Fig.5 Gas concentration distribution curve with vertical height of upper corner Z=0.5 m, 1.5 m and 2.5 m

4.2 瓦斯抽采效果

通过分析不同情况下瓦斯浓度变化规律，发现高位组和低位组高抽巷可以不同程度地降低工作面上隅角和采空区瓦斯浓度，而抽采效果是验证瓦斯抽采方案是否合理最有力的事实依据。因此，为了进一步地分析这两组在抽采效果方面的差异，有针对地选取L1、L2(X=48 m、Z=4.1 m)和L3、L4(X=48 m、Z=36 m)两个层位的4条测线。图6(a)表示测线(L1和L3)分别位于低位高抽巷和高位高抽巷，即低位组Z=4.1 m和高位组Z=36 m两条测线的瓦斯体积分数变化情况。从图中可以发现低位组和高位组高抽巷抽采体积分数均保持在一个相对稳定的值，分别为0.95%和0.41%.由于低位组抽采的瓦斯来源于工作面和采空区两部分，工作面进口处抽采瓦斯体积分数达到了1.04%，然后与采空区抽采瓦斯在汇聚口混合。结果表明，低位组高抽巷瓦斯体积分数有70.5%来源于工作面，抽采量也是高位组的2.32倍。此外，在100 m119 m时，高位组瓦斯体积分数变化幅度较小，而低位组则逐渐减小，这说明高位组和低位组的漏风方向不一致，高位组是由工作面流向采空区，而低位组则是从采空区向工作面漏风。

图6(b)则是高位组测线L2和低位组测线L4瓦斯体积分数变化规律。对于低位组而言，在Z=36 m的测线L4，瓦斯体积分数变化范围在0.183%～0.203%，明显低于(a)图高位组。而高位组在Z=4.1 m的测线L2数据呈现台阶式下降趋势，但瓦斯体积分数依然维持在0.42%以上，始终高于同位置的低位组瓦斯浓度。

图6 高抽巷瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of gas extraction in high drainage roadway

5 结论

通过对瓦斯体积分数分布规律和瓦斯抽采效果两个方面进行分析，可以得出以下结论：

1) 相对于对照组上隅角瓦斯富集区呈贴壁半圆弧形，高位组和低位组则是呈现相对的均匀分布，而且瓦斯体积分数分别降低了33.4%和38.3%.此外，低位组上隅角瓦斯浓度低于工作面高抽巷口，有利于高浓度瓦斯区的转移和均匀分布作用，降低上隅角瓦斯超限的风险。

2) 沿着工作面风流运动方向，瓦斯浓度逐渐升高，随着垂距Z的增加，瓦斯的升浮-扩散效应明显，而且存在两个瓦斯浓度异常区域。第一个是在工作面进风巷侧，漏风和风流紊乱导致瓦斯异常；第二个是工作面上隅角，不同高抽巷抽采层位，上隅角漏风方向不同。

3) 高位组和低位组在上隅角处，瓦斯体积分数下降率分别在22.9%～37.7%和31.8%～46.2%.其中，低位组高抽巷不仅能使工作面上隅角瓦斯浓度保持在较低的数值，而且浓度波动较小，瓦斯集聚得到了有效的控制。

4) 低位组和高位组高抽巷抽采体积分数分别为0.95%和0.41%.其中，低位组抽采的瓦斯来源于工作面和采空区两部分，工作面进口处抽采瓦斯体积分数达到了1.04%，抽采量是高位组的2.32倍。