近距離煤層群瓦斯立體抽采瓦斯流動(dòng)規(guī)律的模擬

1、近距離煤層群立體抽采瓦斯流動(dòng)規(guī)律的模擬汪東生（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）摘要：對(duì)近距離煤層群采空區(qū)垮落帶破碎煤巖的滲透率進(jìn)行量化研究，得出其分布規(guī)律；采用FLUENT軟件模擬了近距離煤層瓦斯立體抽采防突過(guò)程，得出了高位走向鉆孔、采空區(qū)和鉆孔周圍的瓦斯流動(dòng)及分布規(guī)律，確定了相關(guān)的抽采負(fù)壓、流量和抽采半徑等參數(shù)。關(guān)鍵詞：滲透率；數(shù)值模擬；瓦斯流動(dòng)分布規(guī)律；抽采參數(shù)中圖分類號(hào)：TP 028.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ASimulation of gas flow rule at three-dimensional drainage under close-distance se

2、am group miningWang Dong-sheng（School of Safety Science and Engineering, HeNan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,China）Abstract: Through studying on permeability of coal and rock at goaf collapse zone under close-distance seam group mining, the gas distribution law can be received. Simulation t

3、hree-dimensional drainage under close-distance seam group mining using FLUENT software, the gas flow and distribution law of roof high location strike drilling hole and goaf and around drilling hole can be received. The drainage negative pressure and quantity of flow and influence semi-diameter of d

4、rainage can be confirmed.Key words:permeability; numerical simulation; rule of gas flowing; drainage parameter瓦斯立體抽采防突體系，即“以抽為本，立體消突”的防突體系，以抽采為主要手段，在立體上采取綜合防突措施，由“單一平面抽采”變?yōu)椤傲Ⅲw綜合抽采”，從而克服單一平面防突措施的不足，從根本上消除突出危險(xiǎn)。貴州礦區(qū)的實(shí)際情況而言，開采保護(hù)層的措施防突效果較好，采取了該項(xiàng)措施，其有效保護(hù)范圍內(nèi)煤層開采的防突問(wèn)題，一般可以得到有效的解決，在該區(qū)域進(jìn)行采掘時(shí)，我們主要采取了鉆孔法預(yù)抽本煤層瓦斯

5、、埋管抽采上隅角瓦斯、高位鉆孔抽采瓦斯等。1 模擬中參數(shù)的取值將采空區(qū)冒落煤巖看做多孔介質(zhì)。根據(jù)雙重介質(zhì)模型理論，由于在采動(dòng)區(qū)域內(nèi)影響流體滲透率的主要是采動(dòng)裂隙，原始孔隙的滲透率要比采動(dòng)裂隙低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此認(rèn)為采動(dòng)裂隙是采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)的主要通道，而將原始孔隙看做瓦斯涌出源，冒落煤巖的滲透率就是其采動(dòng)裂隙的滲透率。根據(jù)巖層移動(dòng)以及頂板來(lái)壓的規(guī)律，采空區(qū)的滲透率為“O”型圈分布1。利用Blake-Kozeny公式可以估算出采空區(qū)冒落帶的滲透率值。Blake-Kozeny公式： （1）式中，K為采空區(qū)冒落帶滲透率（md）；DP為平均粒子直徑（m）；為空間所占分?jǐn)?shù)，即空間（不包括原有孔隙）的體積

6、除以總體積，取0.10.25。將研究的對(duì)象由采空區(qū)擴(kuò)大成為包括采空區(qū)、工作面和進(jìn)回風(fēng)巷的采場(chǎng)，將采場(chǎng)作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn) 收稿日期：20100609作者簡(jiǎn)介：汪東生（1970），男，山東淄博人，河南理工大學(xué)博士后，高級(jí)工程師.Tel：，Email：行研究。由于工作面和進(jìn)回風(fēng)巷數(shù)據(jù)的獲得相對(duì)于采空區(qū)容易很多，因此通過(guò)工作面、進(jìn)回風(fēng)巷數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較便可以推定模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的相符程度。從而獲得整個(gè)采場(chǎng)風(fēng)流流場(chǎng)的情況。2 采空區(qū)垮落帶的滲透率分布規(guī)律根據(jù)上覆巖層在采動(dòng)影響后的“砌體梁”力學(xué)模型，上覆巖層的形態(tài)曲線即為巖層內(nèi)部的移動(dòng)曲線。巖層內(nèi)部移動(dòng)曲線指的是在豎直方向上的空間壓縮狀態(tài)，由此推出豎直

7、一維方向上的空隙率隨采空區(qū)深度x的變化，如果將采空區(qū)垮落帶煤巖看作各向同性，則可以得出采空區(qū)滲透率隨x的變化規(guī)律。理論推導(dǎo)是在“砌體梁”力學(xué)模型假設(shè)的基礎(chǔ)上建立的2-4。如果將采空區(qū)垮落帶煤巖看作各向同性，則可以得出采空區(qū)滲透率隨采空區(qū)深度變化的公式如下：（2） （3）當(dāng)開采為綜采工作面時(shí)，其計(jì)算公式為：（4）式中，為采空區(qū)深度（m）；li為第i組結(jié)構(gòu)的移動(dòng)距離（m）；RT、hi分別為第i組堅(jiān)硬巖層的抗拉強(qiáng)度（kg/m2）及厚度（m）；q為其自重及其上軟巖層的載荷（kg）；H為空間厚度（m）；(Wo)i為上覆巖層的理論最大下沉量（m），數(shù)值為負(fù)值，表示下沉；M為本煤層層高（m）；為煤層的回采率

8、（%）；為第i組結(jié)構(gòu)到煤層頂板的距離（m）；為內(nèi)煤巖層的殘余碎脹系數(shù)。當(dāng)垮落帶破碎煤巖的調(diào)和直徑Dp取值看作隨著采空區(qū)深度變化不大的時(shí)候，采空區(qū)滲透率隨采空區(qū)深度變化規(guī)律見圖1。上面得到的采空區(qū)滲透率是基于砌體梁理論得出的工作面中部區(qū)域豎直二維平面的變化規(guī)律，破碎煤巖從兩端到采空區(qū)中部是從自燃碎脹到壓實(shí)的一個(gè)過(guò)程，其滲透率的變化為從兩端到采空區(qū)中部逐漸變小。由于垮落帶內(nèi)的破碎煤巖壓實(shí)程度取決于承受來(lái)自上覆巖層的重力，其值和垮落帶內(nèi)破碎煤巖自身的重力要大很多，可以認(rèn)為垮落帶內(nèi)破碎煤巖的滲透率在豎直方向內(nèi)近似不變。圖1 采空區(qū)滲透率隨采空區(qū)深度變化規(guī)律Fig.1 Law of coal-rock

9、fragments permeability along with the goaf depth在采空區(qū)的裂隙帶內(nèi)的滲透率主要是上覆巖層因?yàn)橄虏康膸r層垮落而產(chǎn)生沉降形成裂隙，其值在垮落帶和裂隙帶交界處突然增加。從工作面高度開始，以垮落角為界限，在垮落角以外的煤巖還處于卸壓狀態(tài)，垮落角以內(nèi)的為卸壓狀態(tài)，在同一高度下卸壓區(qū)域滲透率的大小可近似為常數(shù)，但是從垮落帶和裂隙帶的交界處開始隨著工作面高度的增加，裂隙帶的滲透率逐漸變小。3 采場(chǎng)情況采區(qū)內(nèi)含可采煤層3層，由上至下為分別為C6、C8、C9煤，煤層厚分別為1.85m、1.96m、2.27m；煤層層間距由上至下分別為10.23m、8.43m。頂?shù)装?/p>

10、主要為粘土巖。煤層傾角1316°。工作面順槽為分煤層布置，不設(shè)集中巷。采煤工作面順槽為單巷布置，面長(zhǎng)160m，采用“U”型通風(fēng)方式，下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)。采用綜合機(jī)械化采煤工藝，走向長(zhǎng)壁后退式開采。三層可采煤均有突出危險(xiǎn)。C6煤層1601回采工作面開采期間，進(jìn)風(fēng)量為1550m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量約為8.65m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.46%，工作面瓦斯?jié)舛葹?.22%。4 “U”型通風(fēng)瓦斯分布規(guī)律計(jì)算機(jī)模擬5-84.1 “U”型通風(fēng)工作面模型的建立與參數(shù)設(shè)置根據(jù)回采工作面實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立幾何模型，見圖2。將進(jìn)回風(fēng)巷與采空區(qū)合并為一個(gè)區(qū)域并將其設(shè)為空間，網(wǎng)格劃分

11、為中心點(diǎn)間距為0.5m；剩下的三個(gè)區(qū)域均置為多孔介質(zhì)類型，分別為近采空區(qū)（寬度15m），深部采空區(qū)（寬度30m）以及在采空區(qū)和工作面之間交界處（寬度為2m），網(wǎng)格劃分中心點(diǎn)間距為1m。整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量約為10萬(wàn)個(gè)，所有部分均劃分為Hexahedron，采用submap方法。模型的坐標(biāo)原點(diǎn)為模擬回風(fēng)巷矩形的中心點(diǎn)，即圖2中左邊坐標(biāo)系原點(diǎn)所在位置，x軸由回風(fēng)端指向進(jìn)風(fēng)端，y軸指向頂板，z軸沿著回風(fēng)巷風(fēng)流方向。圖2 U型綜采工作面模型圖Fig.2 Model figure of The U fully-mechanized face回風(fēng)巷出口設(shè)為壓力出口，出口壓力為-50Pa，進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)口設(shè)為壓

12、力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為0pa。氣體成分的體積分?jǐn)?shù)CH4為0.46%，O2為21%，其余為N2。回采工作面參數(shù)見表1。表1 回采工作面參數(shù)Table 1 Parameter of coal face部位名稱幾何大小x×y×z/m×m×m源相/kg/m3·s絕對(duì)瓦斯涌出量/m3/s粘性阻力系數(shù)/1/m2空隙率工作面160×2.2×410-40.05支架部分160×2.2×210-40.021030.35近采空區(qū)160×5.5×150.5×10-50.0251.5×1060.

13、15深采空區(qū)160×8×300.5×10-50.052×1060.10進(jìn)回風(fēng)巷4×2.5×54.2 “U”型通風(fēng)采場(chǎng)瓦斯分布規(guī)律9-15采場(chǎng)瓦斯在三維上的分布規(guī)律見圖3。采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)（A附近區(qū)域）瓦斯?jié)舛容^低，在采場(chǎng)另一側(cè)的采空區(qū)深部（B附近區(qū)域）瓦斯?jié)舛茸罡?。瓦斯?jié)舛葟腁到B逐漸升高。從水平方向上看，瓦斯從下隅角往其采空區(qū)對(duì)角濃度逐漸升高，離工作面越遠(yuǎn)濃度越大。在采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸罡邊^(qū)域也是整個(gè)采場(chǎng)的瓦斯?jié)舛茸罡邊^(qū)域即B區(qū)域，此區(qū)域成為實(shí)際工作中采空區(qū)瓦斯抽采的理想地點(diǎn)；從縱向上看，由于在靠近工作面的采空區(qū)上部滲流速度很小，所以

14、在C點(diǎn)附近同樣也形成一個(gè)相對(duì)較高濃度的瓦斯區(qū)域，這是高位水平抽采瓦斯針對(duì)的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)。圖3 瓦斯?jié)舛确植寄Ｐ蛨DFig.3 Model figure of gas concentration distribution5 頂板高位走向鉆孔配合“T”型網(wǎng)管抽采情況下的模擬在“U”型通風(fēng)方式模型的基礎(chǔ)上，增加了頂板高位走向鉆孔和“T”型網(wǎng)管?；夭晒ぷ髅鎸?shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立幾何模型，如圖4?；夭晒ぷ髅鎱?shù)見表2。圖4 頂板高位走向鉆孔配合“T”型網(wǎng)管抽采情況下的模型三維圖Fig.4 Three-dimensional model graph of roof high location strik

15、e drilling hole with “T” piping表2 回采工作面參數(shù)Table 2 Parameter of coal face部位名稱幾何大小x×y×z/m×m×m源相/kg/m3·s絕對(duì)瓦斯涌出量/m3/s粘性阻力系數(shù)/1/m2空隙率工作面160×2.2×410-40.05支架部分160×2.2×210-40.021030.35近采空區(qū)160×5.5×150.5×10-50.0251.5×1060.15深采空區(qū)160×8×300

16、.5×10-50.052×1060.10進(jìn)回風(fēng)巷4×2.5×5高位鉆孔0.5×0.5×0.50.46×10-50.04T型網(wǎng)管0.4×0.4×0.40.48×10-50.05從圖5數(shù)值模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：抽采采面上隅角采空區(qū)瓦斯，采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紩?huì)重新改變，一部分瓦斯流向頂板高位走向鉆孔，一部分瓦斯被引入“T”型網(wǎng)管，大大減少了工作面上隅角的瓦斯涌出，同時(shí)起到互補(bǔ)作用。合理地選擇兩者的位置和強(qiáng)度，做到均壓平衡，對(duì)解決采空區(qū)上隅角瓦斯超限和避免大量瓦斯涌入工作面尤為重要。圖5 y=1平面速度矢量

17、圖 Fig.5 Velocity vector diagram at y=1 plane6 本煤層回采工作面平行抽采鉆孔和底板穿層鉆孔抽采情況下的模擬未卸壓抽采鉆孔實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立幾何模型。卸壓情況下抽采鉆孔動(dòng)態(tài)變化快，實(shí)際模擬比較復(fù)雜，瓦斯流動(dòng)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布會(huì)有大幅度變化，這就是卸壓增透效應(yīng)16-19。抽采鉆孔周圍煤體瓦斯流動(dòng)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，如圖6、圖7所示。由圖6可知，鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力分布，從鉆孔中心向外呈增大擴(kuò)散，距鉆孔08m范圍內(nèi)煤體瓦斯壓力值變化較快，8m外煤體瓦斯壓力值變化不明顯。圖6 抽采鉆孔周圍煤體瓦斯流動(dòng)壓力場(chǎng)變化曲線圖Fig.6 Curve grap

18、h of gas pressure distribution around drainage drilling hole由圖7可知，鉆孔周圍煤體中瓦斯流動(dòng)速度場(chǎng)分布，從鉆孔中心向外呈減小擴(kuò)散，距鉆孔02m范圍內(nèi)煤體瓦斯流動(dòng)速度值變化較快，2m外煤體瓦斯流動(dòng)速度值變化不明顯。圖7 抽采鉆孔周圍煤體瓦斯流動(dòng)速度場(chǎng)變化曲線圖Fig7 Curve graph of gas flowing velocity distribution around drainage drilling holeC6、C8、C9煤層測(cè)定鉆孔抽采瓦斯有效半徑分別為1.58m、2.15m、2.56m，是與上述模擬情況相符的?，F(xiàn)場(chǎng)

19、實(shí)測(cè)，在采取增透措施（如現(xiàn)場(chǎng)采取深孔預(yù)裂控制爆破措施），鉆孔有效抽采半徑會(huì)相應(yīng)的增大，若鉆孔處在爆破形成的裂隙圈范圍內(nèi)，煤體收縮變形松動(dòng)范圍加大，裂隙加大，煤層透氣性系數(shù)增高到510倍，鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)壓力得到迅速降低，鉆孔附近和縱深部瓦斯流動(dòng)會(huì)加快，單位時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采量提高了4倍以上，抽采效果會(huì)更好。保護(hù)層開采后，被保護(hù)層卸壓增透效果是更明顯，底板穿層抽采鉆孔瓦斯流動(dòng)壓力場(chǎng)單位時(shí)間內(nèi)會(huì)大幅度降低，速度場(chǎng)分布單位時(shí)間內(nèi)會(huì)大幅度升高，逐步趨于平衡。7 小結(jié)（1）對(duì)垮落帶破碎煤巖的滲透率進(jìn)行量化研究，推導(dǎo)出了回采期間采空區(qū)垮落帶的滲透率半理論化的表達(dá)式，得出了其分布規(guī)律。（2）采用了FLUENT軟

20、件，模擬了近距離煤層瓦斯立體抽采防突過(guò)程，得出了高位走向鉆孔、采空區(qū)和鉆孔周圍的瓦斯流動(dòng)及分布規(guī)律，確定了相關(guān)的抽采負(fù)壓、流量和抽采半徑等參數(shù)，為制定瓦斯綜合治理措施提供了科學(xué)依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 錢鳴高、許家林覆巖采動(dòng)裂隙分布的"O"形圈特征研究J煤炭學(xué)報(bào) 1998, 23（5）: 466469. Qian Minggao, XU Jialin. Study on the “O shape” circle distribution characteristics of mining induced fractures in the overlaying strataJJour

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25、pe air ventilation JJournal of China Coal Society1998,23（2）:155-159.7 汪東生，楊勝?gòu)?qiáng)，張光輝，徐全工作面風(fēng)流流場(chǎng)及瓦斯分布規(guī)律計(jì)算機(jī)模擬J煤礦安全.2008（9）:4547. Wang Dongsheng, Yang Shengqiang, Zhang Guanghui, Xu Quan. Computer simulation of flow field at face and gas distributing lawJSafety in Coal Mines.2008（9）:45-47.8 王曉亮，郭勇義，吳世躍煤層中瓦

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