下行通风工作面瓦斯流动及分布规律研究

1、下行通风工作面瓦斯流动及分布规律研究赵楠，李增华，杨永良，杨玉静中国矿业大学平安工程学院，江苏徐州 2210085摘要：采用 CFD 流体力学软件，对下行通风工作面采空区瓦斯运移、浓度分布进行了数值 模拟，分析了东庞矿 21101 工作面下行通风条件下采空区瓦斯分布及运移规律。通过对 21101 工作面瓦斯浓度实测，验证实际工作面瓦斯浓度分布差异。根据采空区瓦斯流场模拟结果， 对下行通风工作面高位钻孔抽放工艺设计提供了技术指导。关键词：瓦斯运移；瓦斯分布规律；高位钻孔；瓦斯抽放10中图分类号：TD712Study on Gas Flow and Distribution Law on the

2、Coal Face with Downward VentilationZHAO Nan, LI Zenghua, YANG Yongliang, YANG Yujing15(Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,JiangSu XuZhou221008)Abstract: Using the CFD fluid mechanics software, on the downlink ventilated coal goaf gas migration, concentration dist

3、ribution in the numerical simulation, analyzed gas emission and movein goaf of Dong Pang main on the working face of 21101 with downward ventilation. Through20measured the gas concentration of the working face of 21101, verify actual face gas concentration distribution differences. According to the

4、simulation results goaf gas flow field of downside ventilation face high drilling drainage process design provides technical guidance.Key words: gas migration ; gas distribution regularity; high level drilling; gas drainage250引言高位钻孔抽放技术具有瓦斯抽采流量大、抽采瓦斯浓度高、工艺简单、工程量小等特 点，已逐渐成为采煤工作面、采空区瓦斯抽放最常用、最有效的技术之一。但

5、通过实际抽 采也发现一些问题。高位钻孔设计中钻孔终孔层位、钻孔压茬距离、终孔位置与风巷平距 等均与采空区冒落形态和瓦斯浓度分布密切相关，而目前高位钻孔抽放工艺的设计只是凭30用现场经验方法，钻孔参数设计只是基于岩层采动裂隙形成机理考虑，造成实际应用中瓦 斯抽放率不高、抽放量不大的情况，而且经常导致上隅角瓦斯超限。采空区瓦斯流场的分布规律对于采空区高位钻孔参数设计有重要影响。下行通风时， 由于风流从工作面上部向下流动，而采空区的瓦斯涌出由于浮力的作用不断地飘向上部采 空区和工作面，瓦斯在自然力的驱动下运行方向与风流方向相反，造成采空区瓦斯的浓度35分布与上行通风时有很大差异，并且煤层倾角越大，对

6、其的影响越大。而目前对这方面的 研究工作很少。因此研究采空区瓦斯流动、分布规律，尤其是下行通风时采空区的瓦斯流 场分布规律，为优化高位钻孔抽放工艺设计提供技术指导，对于提高瓦斯抽放效率、保证 工作面开采平安有重大意义。作者简介：赵楠1987-，男，在读硕士研究生，主要研究方向：矿井瓦斯防治通信联系人：李增华1965-，男，教授，博士生导师，主要研究方向：矿井瓦斯与矿井火灾防治. E-mail: HYPERLINK mailto:li_zenghua126 li_zenghua126 1下行通风条件下采空区瓦斯运移研究现状40采空区瓦斯的涌出特征与煤层的赋存、开采条件密切相关。采空区中瓦斯来源一

7、般有 这几局部组成：围岩瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出、回采丢煤瓦斯涌出和未采分层瓦斯涌 出。但瓦斯在采空区内究竟是怎样运移、浓度是怎么分布，尤其是在 U 型下行通风方式 时，工作面、隅角及采空区内瓦斯浓度是如何分布的，由于现场实践条件所限，无法精确 得知，目前一般都是采用理论分析、跟踪实测以及数值模拟来进行研究推测。45林柏泉，张建国等通过理论分析和现场试验，探讨了工作面采用下行通风时采空区的 瓦斯涌出和分布规律1。认为工作面采用下行风时，采场压差及漏风量都比上行风时小， 从采空区涌向采煤工作面的瓦斯量及采煤工作面绝对瓦斯涌出量也比上行风时低。孟瑞 泉，惠喜奎等研究指出：采空区瓦斯主要来源于开采层

8、及其邻近煤岩层，在压力梯度的作 用下,会向采空方向流动；在一定空间范围内,采空区瓦斯压力与时间及距离服从负指数关系502。石琴谱，杨运良等应用相似模型对采面下行通风时瓦斯的分布规律进行试验和总结， 认为：下行通风时断面最高瓦斯浓度比上行通风时低，瓦斯层长度比上行通风短，吹散瓦 斯层所需风速也比上行通风时小，并且他们之间的差异随煤层倾角的增大而增大3。程远 平给出了下行通风时，在相同条件下回风隅角瓦斯浓度低于上行通风时回风隅角的瓦斯浓 度，采空区瓦斯浓度近似呈指数规律上升，最后到达新的平衡态浓度4。陈书平，耿庆生55以焦作矿区主采的二 1 煤层为例，分析认为下行通风时采空区漏风中排走的瓦斯量比上

9、行 通风时多，从而使采面瓦斯浓度降低；分析认为下行通风时隅角瓦斯积聚超限的可能性很 小5。研究结果根本上总结了下行风在漏风、瓦斯涌出量、工作面瓦斯浓度、隅角瓦斯浓度 等方面与上行风的差异。下行通风条件下采场流场是个十分复杂的系统，与上行通风条件60下有很大区别，而对于下行通风工作面的采空区瓦斯运移规律的研究，目前还缺乏足够充 分的理论分析及实测验证，因此有必要进一步对下行通风工作面采空区瓦斯运移规律进行 研究。2采空区瓦斯渗流的根本理论 多孔介质模型中气体流动的根本方程65CFD 模拟研究是为了得到流体流动控制方程的数值解法，它通过时空求解得到所关注 的整体流场的数学描述69。CFD 的根底是

10、建立 Navier-Stokes 方程，它是由一系列描述流 体流动守恒定律的偏微分方程组成的。应用 Einstein 张量符号，Navier-Stokes 方程可表示如 下：连续性方程： + u j = 02-170动量方程： tj ui + u x j ui = p + ji2-2 t x j xi x j能量方程： H t+ u Hj x= p t+ ( ji ui q j ) x2-3jj式中 t 是时间，x 是位置，u 是速度所有分量， 是密度，p 是压力，H 是总焓，是粘性应力张量，q 是热通量。模拟工作面采空区混合气体的运移，与单一气体相似，可以引用单一气体的质量和动75量的守恒方

11、程进行求解。 质量守恒方程，或称连续性方程，可表示如下：vm + ( G) = St2-4方程(2-11)是质量守恒方程的常规形式，它对不可压缩流体和和压缩流体都是适用的。源 Sm 是从分散次生相和任何其它用户自定义的源加在连续相上的质量。80动量守恒方程在一个惯性参照系没加速度内可表示如下：GGGGG ( v ) + ( vv ) = p + ( ) + g + F2-5tGGG式中 p 是静压力， 是应力张量，而 g 和 F 分别是重力体力和外部体力。 F 同样包含其它的附属于模型的源，如多相介质和用户自定义源。以下给出应力张量 ：vvvI85 = ( G + GT ) 2 G 2-63式

12、中， 是分子粘度，I 是单位张量，右首第二项代表体积膨胀的影响。在研究中，采空区被看作是多孔介质，相对于标准的流体流动方程，附加了动量源进 行模拟。此源由两局部组成：粘滞损失项式(2-7)右首第一项和惯性损失项式(2-7)右首 第二项。 331G 90Si = Dij v j + Cij | v | v j 2-7 j =1j =1 2Gv式中，Si 是第 i 个x、y 或 z动量方程的源，而 D 和 C 是预定义的矩阵。为速度向量的绝对值。vj 为在 x、y、z 方向的速度分量。该动量的减弱将有利于孔隙单元中压力梯 度的产生，所引起的压力降与单元中的流动速度或速度平方成比例。对单一的各向同性

13、 多孔介质，有：95S v + C1 | v | v 2-8= Gi i2 2j 式中， 是渗透率，C2 为内部阻力因子。在多孔介质层流中，压力降一般与速度成比例，而常量 C2 可被认为等于 0。忽略对流加速度和扩散，可用 Darcy 定律简化多孔介质模型：Gp = v2-9100在孔隙区域三个坐标轴x、y、z方向的压力降为：3px = v j nx2-10j =1 xj3py = v j ny2-11j =1 yj3pz = v j nz2-12105j =1 zj式中，1/ij 是矩阵 D 中的项， v j 是在 x、y 和 z 方向的速度分量， nx 、 ny 和 nz 是孔隙区域在 x

14、、y 和 z 方向的厚度。采空区气体运移的主控因素除了由于压力梯度造成的粘性流或质量流外，还有由于浓 度、热梯度造成的分子扩散。根据 Fick 定律，扩散公式如下： XDT TJi = Dim i i 2-13 xiT xi式中，Ji 是第 i 种气体的扩散流量，它是由于浓度梯度、热梯度引起的； 是混合气体T110的密度， Di是气体 i 热扩散系数，Dim 是气体 i 的质量扩散系数，Xi 是气体 i 的质量分数，T 是温度。在非稀薄的混合气体中，由于局部混合气体组份的变化而造成的 Dim 的变化可计 算如下：Dim =1 YiY2-14jj , j i D115ij式中，Dij 是指气体

15、j 中所含组份 i 的二元质量扩散系数，而 Yi 是气体 i 的摩尔分数。对于非稀薄气体，式(2-13)可用多组分的扩散公式代替：M XX MDT Tiij J = iM mixDj , j ij + xijM mixmixi xiT xi2-15120式中，Mi 是气体 i 的分子量，Mmix 是混合气体的分子量。以上分析了建立采空区气体流动模型的根本方程及其原理，在确定模型的边界条件 后，可以运用数值解法求其近似解，即可得到采空区瓦斯流动及分布规律。3下行通风时采空区瓦斯运移规律数值模拟结果及瓦斯浓度实测3.1 数值模拟结果及分析3.1.121101 工作面下行通风采场气体流动规律及分析

16、根据上述采空区及工作面建立的模型及边界设置，对其进行数值解算，得到 21101 工作面下行通风采场气体流动规律如下列图 3-1、图 3-2、图 3-3 所示。125130图 3-1 离底板 1.5m 平面采空区气体流动矢量图Figure 3-1 Gas flow vector of goaf on the Plane of 1.5m away from mine floor图 3-2 离底板 5m 平面采空区气体流动矢量图Figure 3-2 Gas flow vector of goaf on the Plane of 5m away from mine floor135140145图 3-

17、3 采空区三维气体流动矢量图Figure 3-3 Gas flow vector of goaf in the three dimensional从图 3-1、3-2、3-3 可以看出，在采空区的倾向方向上，靠近工作面的采空区局部的风 流流向与工作面的风流方向根本一致，这说明靠近工作面的采空区受到工作面漏风的影响 很大；而在采空区深部，分为较明显的三局部：靠近进风侧，靠近回风侧和两者中间的区 域。在靠近进风巷的局部，瓦斯朝着工作面的方向流动；在回风侧局部，瓦斯流动方向比 较紊乱，而在两者中间的局部，瓦斯流向与工作面风流流向一致，向回风巷流动。而在采空区的走向方向上，随着采空区的深度增加，风流受

18、工作面漏风的影响减小。 比照图 3-1、3-2 观察可以看出，采空区随着高度的增加，采空区漏风的影响也随之减小， 而采空区的气体流动尤其是深部采空区气体流动的混乱度降低。3.1.221101 工作面下行通风采场瓦斯分布规律及分析 从模拟结果中输出采场瓦斯分布规律，图 3-4 为离回风巷底板 2m、10m、20m、33m 水平面采场瓦斯分布规律。150155160165170图 3-4 离回风巷底板 2m、10m、20m、33m 平面采场瓦斯分布规律Figure 3-4 Gas concentration distribution in goaf on the Plane of 2m,10m,2

19、0m,33m away from mine floor从图 3-4 可以看出：在竖直方向上，采空区内随着离底板的距离的增大，瓦斯高浓度 区域的范围也增大。同时，随着离底板距离的增加，采空区内的瓦斯分布趋向均匀。最明 显的是在回风侧的采空区上部形成大范围的高瓦斯浓度聚集区。由于工作面不在同一水平上，在工作面的漏风过程中，前一段工作面采空区的瓦斯首 先会随着漏风流进入和它在同一水平的采空区中，即下一段工作面的上部采空区。随着风 流流过工作面，工作面中上部的采空区瓦斯流向工作面中下部采空区的上端，使得进风侧 采空区的瓦斯涌出直接流向这局部，即靠近回风巷的采空区上部，而较少向工作面流动， 因而使得工作

20、面中下部瓦斯涌出的压力显剧减小。这也就是在同样条件下，下行通风比上 行通风工作面瓦斯要小的重要原因。这个区域是高浓度瓦斯的聚集区，很容易引起上隅角的瓦斯超限，因此高位钻孔抽放 布置在这一区域，不仅能抽到高浓度的瓦斯，还能降低工作面回风侧的瓦斯浓度，降低瓦 斯超限危险。这说明回风侧采空区上部形成的高瓦斯浓度聚集区是高位钻孔瓦斯抽放的主 要区域。从图中还可以看到，回风侧采空区上部布满了高浓度瓦斯，由于模型建立的冒落 带高度所限并没有完全显示出来，但是我们可以推测在这一区域的更高位置也有高浓度的 瓦斯聚集。这说明回风侧采空区上部的高瓦斯聚集区不仅限制在冒落带，在冒落带的上部 裂隙带也有分布。总体来说

21、高瓦斯聚集区分布在回风巷侧采空区的上部，在工作面倾向方 向上瓦斯聚集范围从工作面中下部延伸到回风巷，在竖直方向上分布在老顶附近的垮落带 和裂隙带。3.1.3下行通风工作面瓦斯分布规律实测结果 测得的数据见表 3-1 所列：测点编号表 3-1 工作面瓦斯浓度测量数据测量工程abc瓦斯浓度/%0.13风速/(m/s)177瓦斯浓度/%0140.140.14风速/(m/s)6472124瓦斯浓度/%0.140.140.14风速/(m/s)6068113瓦斯浓度/%0.150.140.15风速/(m/s)5358107瓦斯浓度/%0.150.160.16风速/(m/s)5559112瓦斯浓度/%0.1

22、60.170.16风速/(m/s)5456110瓦斯浓度/%0.170.180.18风速/(m/s)4750100瓦斯浓度/%0.180.190.19风速/(m/s)2553110瓦斯浓度/%0.210.18风速/(m/s)2342120瓦斯浓度/%0.210.21风速/(m/s)2245110瓦斯浓度/%0.210.21风速/(m/s)3575110瓦斯浓度/%0.210.210.22风速/(m/s)4065120瓦斯浓度/%0.220.280.34风速/(m/s)192Table 3-1 Measured data of gas concentration on the working f

23、ace面积/m2进风口2.113.523.533.543.854.064.574.384.594.2102.4112.0回风口175将上面测得的结果绘成如图 3-5 的工作面瓦斯三维分布图，图中 x=1，2，3 分别代表工作面前端、支架部位、后部支架部位，y 轴方向为工作面从进风到回风的测点依次顺序，z轴为工作面的瓦斯。180185190195图 3-5 工作面实测瓦斯浓度分布图Figure 3-5 Gas concentration distribution by actual measurement on the working face3.2 下行通风工作面瓦斯分布规律实测与模拟比照分析从图 3-5 下行通风工作面实测瓦斯浓度分布图中可以看出，21101 下行通风工作面瓦斯 分布规律为：瓦斯浓度从进风巷端向回风巷端逐渐增高，在上隅角位置到达最大；工作面 的后部支架部位的瓦斯浓度普遍高于工作面前端部位。而且在从进风巷端向回风巷端依次 增高的过程中，增长较缓慢，直到回风巷瓦斯浓度都较低，只有在上隅角位置浓度较高。 这充分说明在煤层开采过程中下行通风有降低工作面瓦斯浓度的作用。下行通风条件下工 作面瓦斯浓度分