瓦斯在特厚煤层综放开采中的渗流力学模型

瓦斯在特厚煤层综放开采中的渗流力学模型

1顶、底板煤质沉积相平阳12号15-17160条断层长685m，斜长135.5m，平均煤层厚度3.35m，倾角22o27m。煤层顶部和底部为砂质粘土岩，底部8.10m为0.9和0.5m厚的16层和17层。采用U型通风方式,供风量900~1300m3/min,工作面回风瓦斯涌出总量为10~12m3/min,回风瓦斯浓度一般为0.9%左右,严重影响工作面正常回采。2采空区顶板运移规律2.1采空区渗透系数药物方面光度法以下简称按照渗流力学理论,将采场视为连续的渗流空间,在孔隙介质空间中可直接运用质量守恒定律和N-S方程;瓦斯在采空区的实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程,瓦斯在多孔介质中流动的对流扩散和机械弥散遵循Fick扩散定律;根据质量守恒定律、流体动力弥散定律和采空区瓦斯浓度分布定解条件,可建立瓦斯在采空区流动的微分方程组(数学模型):∂ui∂xi=0p(∂ui∂t+∂uiuj∂xj)=pgi−∂p∂xi+∂∂xj[μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]−FiJ=−DgradC∂∂xkxx∂p∂x+∂∂ykyy∂p∂y+∂∂zkzz∂p∂z+I=0∂C∂t=∂∂xi[Dij∂C∂xj]−∂∂xi(Cui)+ICH4∂∂xi[Dij∂C∂xj]−∂∂xi(Cui)+ICH4=0∂ui∂xi=0p(∂ui∂t+∂uiuj∂xj)=pgi-∂p∂xi+∂∂xj[μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]-FiJ=-DgradC∂∂xkxx∂p∂x+∂∂ykyy∂p∂y+∂∂zkzz∂p∂z+Ι=0∂C∂t=∂∂xi[Dij∂C∂xj]-∂∂xi(Cui)+ΙCΗ4∂∂xi[Dij∂C∂xj]-∂∂xi(Cui)+ΙCΗ4=0式中gi——加速度分量,m/s2;p——气体压力,Pa;μ——动力粘性系数,kg/(m·s);Fi——瓦斯流动阻力,Pa/m;k——采空区渗透系数;I——源汇项,g/m3s;C——采空区内瓦斯的质量浓度,g/m3;Dij——动力弥散系数的九个分量,m2/s;ui、uj——渗流速度分量,m/s。2.2抽放采空区瓦斯最佳位置模拟上述数学模型求解采用Galerkin有限单元法编制TurboC计算程序,输入工作面开采条件边值,经反演优化,得出己15-17160工作面采空区瓦斯运移规律和浓度分布。为确定抽放采空区瓦斯的最佳位置,在建立的数学模型上对己15-17160采空区不同地点实施模拟抽放采空区瓦斯,并观察采空区瓦斯向工作面涌出特征,最终找出距工作面切眼50m处是抽放采空区瓦斯的最佳位置。图1是在己15-17160工作面采空区后方50m处埋管抽放采空区瓦斯时,采空区瓦斯运移特征和浓度分布模拟结果。3测定总瓦斯总量为了摸清采空区瓦斯涌出量的多少,首先对工作面开采初期老顶垮落前后工作面瓦斯涌出量的变化进行统计,又在工作面布置6个观测断面30个测点(见图2),根据流经各测点的瓦斯浓度和风量,计算得出工作面总瓦斯涌出量为12.31m3/min,其采空区瓦斯涌出量为7.2m3/min,占总瓦斯涌出量的58%。为验证采空区瓦斯浓度分布模拟结果,同时在采空区内预埋测定管,实际测定采空区瓦斯浓度分布,经过近30d的实际观测,实测与模拟结果基本相同,测定的采空区瓦斯浓度分布规律为:y=8.344+0.558x式中y——采空区瓦斯浓度,%;x——距工作面切眼距离,m。4抽放采空区瓦斯采空区瓦斯主要来自下邻近层己16和己17煤层,依据采空区瓦斯模拟和测定结果,采空区后方50m处是最佳抽放位置,因为无合适地点向该处打钻抽放,采用埋管抽放采空区瓦斯。即在工作面回风巷内敷设大直径菱镁管,随着工作面的推进管路逐步进入采空区,并在预埋管路串接一个特制的组合阀门作为抽放吸气口,并抬高2m,当吸气口进入采空区50m左右时将阀门打开开始抽放。试验期间累计抽出采空区瓦斯120万m3,平均抽放量7m3/min,瓦斯浓度25%~40%。使回风和上隅角瓦斯超限次数明显降低,与抽放前相比,安全状况明显改观,基本解决了工作面瓦斯超限问题,见表1。5工作面布点测定建立的己15-17160工作面采空区瓦斯运移、浓度分布数学模型采用有限单元法解算结果能够较好地反映出采空区瓦斯运移规律,工作面布点测定采空区瓦斯涌出量方法是可行的,该方