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基于采空区的瓦斯流动分布规律研究摘要：近年来,随着我国煤矿开采深度的增加、煤与瓦斯突出事故的增多,让我们更加重视对采空区瓦斯运移规律的研究。回风隅角瓦斯超限现象在我国众多高瓦斯矿井中普遍存在,是影响矿井持续、稳定和安全生产的重要原因和事故隐患。为了探讨上隅角瓦斯聚积的根本原因,根据渗流理论，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了理论分析和数值模拟,通过建立采空区瓦斯渗流和分布的数学模型,定出边界条件,对采空区瓦斯流动分布规律进行研究,为分析上隅角瓦斯浓度分布和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据,对上隅角瓦斯的防治和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。关键词：采空区、瓦斯运移规律、上隅角、渗流理论、数值模拟0 引言煤炭行业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业，经过几十年的发展，已经有了雄厚的基础。据专家预测，在我国未来一次能源消费中，煤炭仍将占主导地位，即使到2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%，届时，煤炭消费量仍将达到20多亿吨。因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。在这个大的背景下，煤炭产量的不断提高已经成为不可逆转的大趋势，近年来综合机械化采煤设备得到了大力推广，高产高效矿井逐年增多，煤炭行业的整体形势有了很大的改观。为保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械化水平，是我国煤矿发展的必由之路。随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经过技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。由于综合机械化采煤开采强度比较大、生产集中、推进速度快，造成采空区涌出空间比较大，而上隅角瓦斯主要来源于采空区,并由经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面。在回采工作面与回风巷交界处形成高浓度瓦斯积聚的区域,即上隅角瓦斯积聚区。所以通过对采空区瓦斯运移规律的研究，使得采空区瓦斯得到有效的治理，从而解决上隅角瓦斯超限等问题，以充分发挥综合机械化采煤的优势，实现真正意义上的高产高效。1采空区瓦斯运移理论1.1 采空区瓦斯涌出来源分析煤层开采前，原始的煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于一种均衡状态，开采后，随着工作面向前推进，工作面后方的煤层顶板不断冒落下来，形成采空区，采空区上方煤层、岩层产生下沉、变形及断裂等变化，形成裂纹、裂隙，从而改变了瓦斯原来的赋存状态和流动状态，瓦斯从煤层及围岩中通过贯穿的空隙空间向着采空区和工作面流动，甚至大量的涌出。采空区内瓦斯涌出的能量来源于浓度差(即压差)。由于采空区深部的瓦斯浓度高于采面瓦斯浓度，气体从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，直至压力平衡。此外在采空区靠近采煤工作面的空间内，由于存在着漏风，在采空区内形成通风负压。采场范围内涌出瓦斯的地点称为瓦斯源，瓦斯涌出源的多少和涌出瓦斯量的大小直接影响着采场的瓦斯涌出量。这一点对采空区瓦斯涌出也完全适用。工作面瓦斯涌出工作面落煤瓦斯涌出工作面采空区瓦斯涌出工作面煤壁及顺槽煤壁瓦斯涌出未采分层瓦斯涌出围岩瓦斯涌出弃煤瓦斯涌出临近层瓦斯涌出图1采空区瓦斯来源构成示意图回采工作面瓦斯涌出包括三部分，即煤壁和顺槽煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出及落煤瓦斯涌出。对于分层开采或一次不能采全高的工作面，采空区瓦斯涌出可分为四部分，即围岩瓦斯涌出、未采分层瓦斯涌出、回采过程丢煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出。这四部分瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区，并混合在一起。接着，在浓度差和通风负压的作用下涌向工作面。由于采场条件所限，要严格区分上述各部分涌出的瓦斯量，在实际操作起来是比较困难的，以往的研究是根据有关的瓦斯涌出资料进行统计分析，确定各部分瓦斯涌出系数来计算采面各涌出源的瓦斯涌出量。如煤科院抚顺分院的国家重点科技攻关成果“分源预测法”，就是在统计的基础上提出的计算瓦斯涌出量的方法，当系数选择不合理时，误差较大。如果将上述的构成采空区瓦斯的四部分作为一个瓦斯源，采用切实可行的研究测定方法，以确定采空区的瓦斯涌出量是具有实际意义的。因此，将综采工作面采空区当作一个整体来研究，采空区瓦斯涌出源汇关系如上图1所示。1.2采空区漏风（1）采空区漏风原理采场是由工作面和采空区构成的充满流动气体的复杂空间，在工作面等生产场所要进行新鲜风流供应以保证正常生产活动，在靠近工作面的采空区内由于跨落或填充的岩石没有压实，也存在空气流动的空间。当风流经过工作面时，由于工作面和采空区之间很难有较好的密封效果，存在一定的连通性，必然会导致部分风流漏入采空区，漏入的这部分风流被称为采空区漏风。对于机械化综采工作面而言，由于综采面采用液压支架，在靠近综采面的采空区内存在较大的未垮落空间，此处漏风也比较显著，较一般工作面大。综采工作面的漏风点主要集中在工作面进风口附近和移架时支架的交错处，而工作面上隅角则是采空区漏风汇。采空区漏风的程度与采面断面有直接关系，个别综采工作面在处于最小控顶距时，流入采空区的漏风量甚至可以达工作面入风量的40%，在最大控顶距时一漏风量也有将近20%。（2）采空区漏风对瓦斯涌出的影响采空区漏风会引起采空区瓦斯涌出，在工作面采用U型通风方式下，由于采空区漏风汇是工作面上隅角，所以采空区瓦斯随着漏风流而涌入工作面上隅角，同时由于作面上隅角风流容易形成祸旋，涌入的瓦斯很容易在上隅角处积聚，造成工作面瓦斯限。下图分别是综采面采用U型通风方式和“U+L”型通风方式时采空区瓦斯随漏风流流动方向示意图。图2 U型通风方式示意图图3 “U+L”型通风方式示意图2采空区瓦斯渗流规律及基本控制方程在20世纪 60年代，周世宁等从渗流力学角度出发，认为瓦斯的流动基本上符合达西定律，把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在我国首次提出了瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论。孙培德在总结前人研究成果的基础上，进一步修正和完善了均质煤层的瓦斯流动数学模型，同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型，在此基础上，进行了数值模拟的对比分析。他以瓦斯地质的新观点来认识煤层内瓦斯运移的机理 , 明确指出: 煤层内瓦斯流动实质上是可压缩性流体在各向异性、非均质的孔隙 2 裂隙双重介质中对流 2 扩散的混合非稳定流动。即非平衡吸附的动力学模型 , 该模型认为瓦斯主要吸附在基质的内表面 , 在裂隙中服从达西渗流 , 较好地反映了瓦斯在煤层中的赋存运移。采空区瓦斯的流动遵循物理守恒定律,而控制方程是这些守恒定律的数学描述。数值模拟研究就是对这些工程问题的控制方程进行联合迭代求解,然后通过数值及图形图像输出将计算结果直观形象地展现出来。运用计算流体动力学软件Fluent对采空区瓦斯运移规律进行数值模拟,就是对以下控制方程进行迭代求解。（1）质量守恒方程,又称连续方程,其张量形式为 t+(ui)xi=0 (1)式中: 为流体密度; t为时间;ui为速度在i方向的分量。（2）动量守恒定律,即牛顿第二定律,其张量形式为 uit+xj(uiuj)=-pxj+xj(uixj)+Si (2)式中:为流体的动力黏性系数;p是流体微元体上的压力;Si是包含重力在内的微元体上的体力(广义源项)。（3）能量守恒定律,即热力学第一定律。由于内能与温度有关,所以以温度为变量的能量守恒方程为 (PT)t+xi(uiT)=xikcpTxi+ST (3)式中:T为温度;k为流体的传热系数; cp为定压比热容;ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分,有时简称黏性耗散项。（4）组分质量守恒方程的张量形式为 Cst+xi(Csui)=xiDs(Cs)xi+Ss (4)式中:Cs为组分s的体积浓度; Cs为该组分的质量浓度;Ds为该组分的扩散系数;Ss为系统内部单位时间内单位体积产生的该组分的质量。采空区非均质性反映在冒落岩石的非均质和流场高度的变化上，可由岩石冒落碎胀系数 Kp控制。算例为霍州煤电辛置矿综采工作面，工作面长度为 190m，r1=0.0027 NS2/m9。采高 M=2.2 m，日进度 3.6m。Kp=1.151.5、n=0.17 0.31，k=2.14260.83 m2/(Pas)；取瓦斯弥散度 L=5m、T=1.5m，Da=2.110-5 m2/s；1=0.076，瓦斯源以均匀涌出为主，非计算区域冒落后完全压实的窒熄区域沿深部边界的总瓦斯涌出量qCH4= 2.85 m3/min，考虑到其他气体的涌出，取 cg=90%。 计算区域取采空区宽度 195m，长度 350m，数值结果的计算机显示见图2 图2 采空区瓦斯分布计算的迭代中间结果由上图2的模拟结果可以看到，采空区内部积存着高浓度的瓦斯，受采空区漏风风流影响，上游进风侧的瓦斯浓度很低，采空区内部产生的瓦斯被漏风流带到下游的回风隅角，漏风汇集形成了采空区回风隅角的高浓度的瓦斯积聚。这些瓦斯是随漏回风流涌入工作面的，所以说，采空区内部瓦斯是沿工作面漏回风边界向工作面涌出的，回风隅角积聚的瓦斯浓度较高是导致工作面上隅角的瓦斯超限的根本原因。 3 结语(1)采空区瓦斯运移与分布特性受工作面通风影响较明显，呈随着采空区各分区孔隙结构的增加而呈增加趋势。利用非均质流场流态联立求解，描述采空区瓦斯涌出及其分布规律，更符合和贴近实际情况。能给出更复杂流场的可视化显示解，其信息量更大。 (2)采空区瓦斯分布及瓦斯向工作面涌入是采空区内瓦斯释放与随漏风流移动扩散的结果。从瓦斯分布状态上，漏风上游瓦斯浓度低于下游回风侧，这与实际观测结果非常一致。下游回风侧高浓度的瓦斯随漏风流直接涌入工作面上隅角，这是导致工作面上隅角局部瓦斯超限的最根本原因。 (3)分析了采空区瓦斯向工作面涌出的一般规律。通过对具体条件模拟计算，可以掌握工作面风量与采空区瓦斯涌出量的关系和工作面风量变化对采空区瓦斯涌出量的影响；宏观性掌握工作面推进度与采空区瓦斯涌出量的关系。 (4)提出计算模拟方案，在解决采空区瓦斯抽放、采空区瓦斯治理、综放面放煤瓦斯团高峰涌出等方面得到了现场实际运用。(5)采空区瓦斯涌出强度是从场流计算提出的，采空区向工作面的瓦斯绝对涌出量与瓦斯涌出强度之间具有显著的线性关系。显然，高瓦斯采空区的瓦斯涌出强度一般不是均匀的，用衰减源模型描述冒落煤体瓦斯解吸过程则更为精确。煤瓦斯解吸过程衰减规律和顶板冒落有直接关系，有待今后进一步研究。 参考文献1 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯流动赋存理论M北京:煤炭工业出版社，19982 Hu Qianting，Liang Yunpei，Liu JianzhongCFD simulation of goaf gas flow patternsJJournal of China Coal Society，2007，32(7):7197233 Jin Longzhe，Yao Wei，Zhang JunCFD simulation of gas seepage regularity in goafJJournal of China Coal Society，2010，35(9):147614804何志刚,卢杰,韩兆彦,吕自伟,李豪.采空区瓦斯流动规律及分源抽放技术的应用J.煤炭科学技术,2011,39(6):3335.5