U型與J型通風采空區(qū)流場數(shù)值模擬研究

王付清，王立偉

(山東魯泰煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000)

隨著大型綜采機械在煤礦的推廣使用，工作面推進速度變快，煤炭產(chǎn)量大幅增加，但同時采空區(qū)空間也不斷加大，遺煤量變多，這使得采空區(qū)涌向工作面的瓦斯量變大。因此，對采空區(qū)涌出瓦斯的管理成為工作面瓦斯治理的重點。國內(nèi)外學者對采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律都做了大量研究。澳大利亞學者Wendt，M.＆Balusu，R使用CFD軟件對立井抽放礦井的采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律進行了模擬研究［1］。林柏泉主要在工作面中的風流對采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懛矫骈_展了詳細地探討［2］。吳玉國等對在雙U型通風條件下采空區(qū)中的瓦斯的運移特點進行了討論［3］。何磊等主要對Y型通風條件下采空區(qū)中的瓦斯分布規(guī)律和防治采空區(qū)瓦斯涌出方面做了大量分析［4］。李宗翔等主要在W型通風條件下已垮落的巖石對采空區(qū)中風流移動的影響，重點在風壓及等值線和流變函數(shù)方面做了研究［5］。楊明等對U型通風條件下和Y型通風條件下采空區(qū)中瓦斯流場特性進行了數(shù)值分析和比較［6］。吳玉國等主要以“U+L”型通風條件下和”U+I”通風條件為基礎，分析了這兩種通風方式在防治瓦斯超限方面的優(yōu)劣性［7］。

綜采工作面J型通風方式原理主要是工作面回采期間，在一條巷道進風一條巷道回風的基礎上，重新沿回風巷的反方向施工另一條回風巷，兩條回風巷的風流反向，形成“一進兩回”的通風系統(tǒng)［8］。這種綜采工作面的通風方式在治理采空區(qū)瓦斯及防治上隅角瓦斯超限方面有較強的優(yōu)點，但相對其他通風方式也存在一定的缺點。因此，本文通過建立數(shù)值模型，對綜采工作面J型通風條件下與U型通風條件下采空區(qū)流場漏風與瓦斯分布規(guī)律進行研究，分析這兩種通風方式的優(yōu)劣性。

1 采空區(qū)基本假設及滲流控制方程

1.1 基本假設

采場范圍包括工作面和采空區(qū)。進入采場的風流大部分經(jīng)過工作面到回風巷，只有一部分漏風進入采空區(qū)。為使模擬研究方便，同時也能較準確反映采空區(qū)流場的規(guī)律，做出如下假設［9］:

1)由于采動過后，采空區(qū)中存在冒落的巖石與煤塊，這些分散的矸石與煤體形成多空介質(zhì)，且由于這些多孔介質(zhì)排列規(guī)律，為了方便研究，這些多孔介質(zhì)可看為各向同性。

2)由于在采空區(qū)井下環(huán)境中，氣體的壓縮變形可忽略不計，同時其流動過程中能量損失也可不計。

3)考慮采空區(qū)分布瓦斯的密度均勻，采空區(qū)中的所有氣體都是在同一平面運動，把坐標原點選在進風巷的下隅角，沿工作面回采反方向為正x軸，沿工作面風流運移方向為正y方向。

1.2 采空區(qū)滲流控制方程

采空區(qū)氣體流動遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和組分守恒定律［10］。

質(zhì)量守恒定律:

式中:

ρ—流體密度，kg/m3;

t—時間，s;

u、v、w—速度矢量在 x、y、z方向上的分量。

動量守恒定律:

式中:

ρ—流體密度，kg/m3;

u、v—速度矢量在x、y方向上的分量;

μ—動力黏度;

P—流體微元上的壓力;

Su、Sv—動量守恒方程的廣義源項。

組分守恒方程:

式中:

cs—組分S的體積濃度;

ρcs—組分S的質(zhì)量濃度;

Ds—該組分的擴散系數(shù);

Ss—微元體內(nèi)的生成率。

1.3 孔隙率與滲透率模型

采空區(qū)是由冒落的巖石和遺煤等充填的立體空間，其中富含大量的孔隙和裂隙，具有多孔介質(zhì)的特性。由于不同采空區(qū)內(nèi)巖石與遺煤的分布各不相同，孔隙分布不均，有很大的隨機性，采空區(qū)內(nèi)的孔隙與分布情況又與冒落巖石的大小與排列、開采層與鄰近層的巖性、采動應力等情況有很大相關性。而在原有裂隙基礎上又形成的采動裂隙會受采動壓力變化而變化。因此，非均勻介質(zhì)的孔隙率和滲透率對采空區(qū)中的流體滲流研究有很大影響［11］。

因此，在建立模型時，應充分考慮滲透率K。根據(jù) Kozeny－Carman 公式［12］:

式中:

φ—多孔介質(zhì)的孔隙率;

S—孔隙骨架的比表面積;

c—系數(shù)，近似取5。

2 采空區(qū)物理模型建立及邊界條件設置

2.1 U型通風物理模型及邊界條件

U型通風設計進回風巷寬度都為5 m，工作面寬5，長250 m，采空區(qū)取600 m，具體物理模型見圖1。進風巷進風斷面設置為速度入口，其速度為2.67 m/s;出口設置為自由出口(outflow);采空區(qū)內(nèi)部設置為多孔介質(zhì)(porous)類型，孔隙率為0.3;進回風巷及工作面計算區(qū)域設置為fluid類型;采空區(qū)和工作面之間相鄰面設置為內(nèi)部(interior)邊界類型;其它面設置為固體邊界(wall)。采空區(qū)底板的瓦斯涌出量設置為常數(shù)。

圖1 U型通風物理模型圖

2.2 J型通風物理模型及邊界條件

建立J型通風系統(tǒng)時，為使建立的模型反映工作面及采空區(qū)的主要特征，盡量與實際相符，取工作面傾斜長250 m，進、回風巷寬5 m，小斷面排瓦斯專用巷和采空區(qū)寬260 m，其中排瓦斯專用巷寬1.5 m，為了便于與U型通風進行比較，這里采空區(qū)側(cè)也取600 m作為研究對象，物理模型見圖2。

對于J型通風，其進風巷口設置為速度入口，入口風速為2.67 m/s;工作面與采空區(qū)、采空區(qū)與排瓦斯專用巷交界面設置為內(nèi)部邊界;其他邊界條件設置同U型通風相同。

圖2 J型通風物理模型圖

3 采空區(qū)流場模擬結(jié)果分析

3.1 靜壓分布對比

U型通風條件下采空區(qū)靜壓分布圖見圖3。

圖3 U型通風采空區(qū)靜壓(Pa)分布圖

由圖3可知，風壓在工作面進風口處最大，在工作面上隅角處最小，即工作面上隅角位置為風壓最低點。風壓等值線從進風靠近工作面巷端口處向采空區(qū)彎曲，并且風壓呈遞減趨勢，在工作面上隅角位置風壓等值線也向采空區(qū)一側(cè)彎曲，但風壓呈遞增趨勢，等值線密度沒有采空區(qū)靠近進風口處密集。在采空區(qū)內(nèi)部風壓等值線幾乎無變化。J型通風采空區(qū)靜壓分布圖見圖4。

圖4 J型通風采空區(qū)靜壓(Pa)分布圖

從圖4可以看出，采空區(qū)內(nèi)的風壓在工作面進風口處最大，并以其為中心沿工作面方向與采空區(qū)深度方向逐漸減小，其靜壓最低點位于采空區(qū)與排瓦斯專用巷末端交匯處。

3.2 采空區(qū)漏風場對比

U型通風采空區(qū)漏風矢量圖見圖5。

圖5 U型通風采空區(qū)漏風矢量圖

由圖3，圖5可知，在U型通風條件下大部分風流經(jīng)工作面進入回風巷，少部分風流漏入采空區(qū)，但漏入采空區(qū)內(nèi)部的風流最終從工作面中部至上隅角返回至回風巷。J型通風采空區(qū)漏風矢量圖見圖6。

圖6 J型通風采空區(qū)漏風矢量圖

由圖4，圖6可以看出，進風風流經(jīng)工作面漏入采空區(qū)，向采空區(qū)深部運移，最終采空區(qū)內(nèi)漏風流流入排瓦斯專用巷，并且在工作面進風口和排瓦斯專用巷末端為漏風速率極大值區(qū)域。由此可以看出，J型通風系統(tǒng)多一條瓦斯排放專用巷，具有較強的排瓦斯作用，采空區(qū)的整個流場因其作用而完全發(fā)生了改變。

3.3 瓦斯?jié)舛确植紝Ρ?/h3>

U型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家妶D7。

圖7 U型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

從圖7可以看出，U型通風條件下，沿工作面向采空區(qū)方向，瓦斯?jié)舛仍絹碓礁?，在其深部瓦斯?jié)舛冗_到80%以上，在工作面上隅角附近瓦斯?jié)舛纫殉^1%。沿工作面向采空區(qū)450 m內(nèi)，距工作面同等距離下進風巷側(cè)的瓦斯?jié)舛纫h低于回風側(cè)的瓦斯?jié)舛取?/p>

J型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家妶D8。

圖8 J型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

從圖8可以看出，J型通風采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛?，隨距工作面距離增加逐漸增大，在采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛茸罡哌_到10%左右，采空區(qū)高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域遠小于U型通風，說明J型通風排瓦斯能力優(yōu)于U型通風。J型通風采空區(qū)靠近進風巷側(cè)瓦斯?jié)舛纫哂诳拷仫L巷側(cè)，但在整個采空區(qū)橫斷面上分布較均勻。J型通風系統(tǒng)由于多了一條瓦斯排放巷，解決了U型通風在采空區(qū)深部高濃度瓦斯積聚的問題，從而降低了整個采空區(qū)瓦斯的濃度。

U型通風與J型通風工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植家妶D9，圖10。

圖9 U型通風工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植紙D

圖10 J型通工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植紙D

從圖9、圖10可以看出，U型通風條件下工作面上隅角瓦斯梯度較J型通風密集。在同等距離下U型通風上隅角瓦斯?jié)舛?% ～10%，而J型通風上隅角瓦斯?jié)舛?.1% ～0.2%，因此，J型通風相比U型通風能更好地解決上隅角瓦斯積聚問題。

4 結(jié)論

1)無論U型還是J型通風，靠近工作面處采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊?，遠離工作面處瓦斯?jié)舛容^高，但U型通風比J型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀吆芏唷?/p>

2)J型通風條件下漏風風流攜帶瓦斯向采空區(qū)深部運移，最終經(jīng)專用排瓦斯巷排出，工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^低，僅為0.1% ～0.2%;而U型通風部分漏風風流經(jīng)采空區(qū)后又攜帶瓦斯進入工作面，導致上隅角瓦斯?jié)舛鹊竭_1%～5%。

3)由于J型通風向采空區(qū)漏風較大，因此，該系統(tǒng)適用于不易自燃煤層綜采工作面，并且由于多一條瓦斯排放巷，施工量加大，成本增加。因此，應針對不同工作面條件，具體分析和掌握其采空區(qū)流場運移規(guī)律，以便選擇合適的通風方式。

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