高瓦斯Y型通风工作面高抽巷层位优化研究

高瓦斯Y型通风工作面高抽巷层位优化研究摘要：针对余吾煤矿N1100工作面透气性差、瓦斯抽放难度大、现场实践和实验难以预测分析瓦斯流动等难题，本文提出“Y型通风+高抽巷”的瓦斯防治措施，并采用多物理场仿真模拟软件模拟，总结高抽巷布置后采空区及工作面瓦斯动态平衡后的分布规律。通过设置不同工作面通风方式、抽采负压和高抽巷层位，得到压力、瓦斯含量、混合流体流动等物理场结果。在考虑经济效益前提下，控制区域瓦斯乏风涡流，解决采空区局部瓦斯含量较高问题，讨论工作面最佳高抽巷布置层位。煤层气开发不仅能解决能源短缺问题，还能预防和减少矿井地质灾害。这种双重效益使煤层气开发成为煤炭行业的重要研究方向。近年来，学者们针对煤层气开发与矿井安全展开大量研究，取得重要成果。采矿诱发断裂椭圆抛物面带模型，为理解采矿活动对地质构造影响提供了新视角。在瓦斯治理方面，新提出的瓦斯卸压和排水“三区”理论将煤层进行区域划分精准治理，大大提高了瓦斯治理精确性。高抽巷作为瓦斯治理热点，主要通过理论分析与数值模拟确定高抽巷的布置层位与位置。李蕾11等利用数值模拟确定高抽巷的最精确层位，解决了回采工作面瓦斯频繁超限问题。王志强2通过数值模拟分析“U+高抽巷”瓦斯抽排条件下采空区的瓦斯分布规律，为提升瓦斯治理效果提供参考。根据《煤矿瓦斯抽放规范》规定，余吾煤矿煤层较难抽放。煤层透气性系数分析结果显示，该煤层介于可抽放和难抽放煤层。鉴于这些特性，为在保证充足风量稀释瓦斯的同时实现围岩裂隙瓦斯抽采，本研究提出布置N1100高抽巷的方案。高抽巷的设计理念是不仅承担传统的回风巷功能，还能抽采受采动影响而释放的瓦斯。这种设计对于提高煤矿安全生产水平具有重要意义。高抽巷的设计和布置需要考虑多个因素，包括地质条件、采煤工艺和瓦斯赋存特征，确保发挥最大效能。本研究不仅为该工作面的Y型通风高抽巷层位优化设计提供直接指导，还为工作面的瓦斯防治策略制定提供了参考。此外，研究成果对于类似地质条件下的其他矿井具有借鉴意义，有助于提高煤矿安全生产水平和经济1数值模拟1.1模型设置与网格划分图1展示了模型的几何示意图。为了降低计算成本，模型比例缩放为1:3。该模型设置了与瓦斯渗流场相关的流体参数，模拟气体在矿井中的渗流情况。同时，模型的几何参数经过适当设计，使其具有较高普适性，可以快速适应不同矿井条件，进行更详细的模拟分析。为了提高模拟过程的稳定性并减少震荡，本研究在模型中引入二阶连续导数的阶跃函数，符合平滑过渡初始条件。在过渡区设置宽度为1的情况下，对其进行平滑处理，优化模型的计算稳定性和精度。2为了提高模拟精度，本研究采用用户自定义网格划分，网格类型为自由四面体网格，单元大小校准为细化的流体动力学。瞬态求解器(BDF)求解的自由度数为1015910(加上649508个内部自由度)。1.2物理场控制方程在模拟采空区混合气体流动规律时，瓦斯在采动覆岩内的流动形式为渗流。瓦斯流动可分别采用达西定律和非线性渗透定律描述：数，取值范围为1~2,若m取1,则为达西定律，若m取大于1,则为非线性渗透定律；P为瓦斯压力的平方，在考虑多孔介质多相流中的重力问题时，需要添加重力控制方程：这个方程可以解释多孔介质中固体与流体相互作用及重力的影响。但是，上述方程适用于不可压缩流体，如果需要考虑可压缩性流体的情况，还需要加入质量守恒方程和热传导方程。质量守恒方程：成部分的浓度(如物质浓度或能量);v为速度场；D为由材料和孔隙几何结构决定的弥散系数；Q为源项，指控制在系统中引入或消耗的质量。达西定律：量。它是用来描述不可压缩流体中的非线性扩散热传导方程：在系统中引入或消耗的热量。动量平衡方程：p(av/at+v.vv)=-vp+▽.t+f(例如引力或压力差)。此方程用来描述多孔介质内部的流体运动。压缩性流体扩散方程：散系数；Q为源项，指控制在系统中引入或消耗的质量。这个方程同时考虑了流体的运动和组成部分浓度的变化过程。本文物理场采用多孔介质相传递与达西定律耦合，控制物理场的底层方程。设定初始条件和边界条件：采空区瓦斯初始含量为总流体的10%,工作面涌出瓦斯质量通量为;回风巷及高抽巷的边界条件胶带顺槽进风风速：5*Vfg*step1(t[1/s])。多相流的物理场耦合方程如下：在本研究中，采空区的初始瓦斯体积分数设定为0.1。由于工作面附近的壁面瓦斯涌出，该区域的瓦斯施后，瓦斯浓度明显降低，大部分残余瓦斯逐渐向回风顺槽一侧聚集，并随着时间推移呈现上浮趋势。在YZ截面上，由于负压和回风顺槽流速耦合，瓦斯浓度呈现半圆形分布。此外，靠近沿空留巷的采空区瓦斯体积分数有所减少，并在负压抽采作用下形成圆弧状的流场分布，如图2所示。随着时间推移，瓦斯体积分数略有下通风”的治理措施能迅速且有效地降低采空区内靠近工“高抽巷+Y型通风”治理低采空区内的瓦斯，随着与高抽巷距离增加，瓦斯浓度降低幅度逐渐减少。相比“U”型通风方案，由于上隅角瓦斯浓度超限，“U”型通风被放弃。与“一进两回”通风方案相比，“两进一回”通风在提供新鲜风流和瓦斯治理方面表现出更大优势。由于前期高抽巷的持续抽采，后期采空区的瓦斯浓度通常低于工作面附近的浓度5。因此，“高抽巷+Y型通风”的瓦斯治理方式被证明是切实有效的，且更符合矿井条件。3t=t=0mint=3min图2瓦斯体积分数随时间的演变2.2抽采负压高抽巷引发了瓦斯渗流场呈现独特的“双半圆弧”值得注意的是，工作面壁渗出的瓦斯流动表现出类似“虹吸现象”特征。这种现象的形成机制可归因于压力梯度和几何构型的协同作用。具体而言，瓦斯沿着工作面长壁流向高抽巷道口和沿空留巷，在此过程中，进风气流对瓦斯运动轨迹产生显著影响。通过流体力学分析，发现大部分瓦斯在这种复杂流场中被带走，如图3所示。这一发现对优化矿井通风系统和提高瓦斯抽采效率具有理论和实践意义。图3瓦斯体积分数分布状况对流体压力的依赖性2.3高抽巷中心的瓦斯体积分数为了研究高抽巷中心瓦斯浓度的动态变化特性，本研究在倾向方向上设置精确的瓦斯体积分数考察线。通过分析图4数据发现：随着抽采负压增大，瓦斯体积分数呈现“先增后减”趋势。这种非线性关系揭示了抽采系统中的临界点，瓦斯浓度达到峰值后开始下降。在高抽巷附近区域，瓦斯体积分数出现小幅但显著波动。这种局部波动现象可能源于高抽巷周围复4杂的流体动力学环境，包括但不限于涡流效应和边界层分离#进一步分析表明，瓦斯浓度最大值的空间位置与抽采负压存在密切关联用随着负压增大，最大浓度点逐渐远离高抽巷这一现象强烈暗示了抽采负压对瓦斯分布模式具有显著的调控作用#加大抽采负压不仅图4在不同压力和倾向方向上的瓦斯体积分数通过对图5的三维和二维视图分析，可以观察到高抽巷负压对流体动力学特性的影响用这种影响不仅体现在流体的宏观运动趋势上，还反映在微观流场结构的变化中三维视图清晰展示了流体在高抽巷负压作用下的运移特征#负压出口成为流体运动的汇聚点，形成复杂的三维流场结构用这种流场结构的形成机制可以通过流体力学中的压力梯度理论解释，即流体趋向压力较低区域在二维视图中，观察到压力增加对流场特性产生了特征用这种变化反映了流体动能增加，有利于瓦斯运移和扩散用然而，值得注意的是，尽管压力变化对流场结构产生明显影响，但流场的时间演化特征并不显著#这一现象暗示了系统可能已达到准稳态条件，或者时间尺度与观察周期不匹配用特别是回风顺槽进风对流场结构的干扰作用，这导致靠近沿空留巷的流体无法直线流t=24min图5流体流动的速度场图流体压力变化主要集中在高抽巷附近用图6不同抽采负压下的压力分布显示，负压主要出现在高抽巷上部，即采空区靠近回风顺槽上侧，并呈扩散形态曲这表明高抽巷和Y型通风的沿空留巷能抽采和治理原上隅角位置的瓦斯用高抽巷与采空区内部未受抽采影响的巷道造成剪切破坏，被抽采瓦斯在负压牵引作用下流变化并不显著,本研究绘制了Y-z平面云图，主要讨①弯曲下沉带和裂隙带布置高抽巷的区别用如图7所示，本研究模拟设置不同的垂高g模拟不同层位的高抽巷布置#图7中用黄色虚线框表示现有高抽巷位置，通过瓦斯体积分数图可以看出高抽巷与周围采空区的瓦斯分布存在一定界面红色虚线圈定的低瓦斯浓度区域是随着高抽巷垂高变化而明显变化#图片结果显示，随着g增大，能够作用到的采空更广，避免瓦斯上浮后积聚在采空区上部用如果高抽巷布置过于靠近弯曲下沉带，由于裂隙率的梯形分布，高抽巷会不完全布置在裂隙带中，抽采效率降低用模型②倾向方向上不同位置对瓦斯渗流场的影响用瓦斯体积分数在不同倾向下见图8#如图9所示开随着9增大开高抽巷对采空区左上角和沿空留巷侧的影响较大该位置流速增大曲但考虑到两处的瓦斯含量叠加并由三维视图可以发现工作面壁面的瓦斯涌出也向高抽巷处运移可能造成瓦斯超限以及回风巷漏风问题用当g=92m时开对采空区左上角的瓦斯乏风涡流的控制较好不会形成采空区内的局部瓦斯超限问题用如图10所示可以发现9=60m抽采负压并不能覆盖沿空留巷用9=92m形成了采空区附近的抽采负压可以覆盖采空区靠近原上隅角附近的瓦斯用高抽巷设置在倾向上的其他位置时开对上隅角靠近沿空留巷一侧的瓦斯无法抽采降低开并有形成局部瓦斯涡流循环的可能造成该区域的瓦斯浓度明显高于其他区域用图8瓦斯体积分数在不同倾向下图9流场分布在不同倾向方向上Sver=10m图10压力分布在不同空间位置上基于对上述瓦斯流场分布模拟分析开得出一系列结论用首先高抽巷的最佳位置应位于距煤层顶板30m(模拟中对应10m)和距N1100回风顺槽24m(模拟中对应92m)处展现出最佳的瓦斯抽采效果这一发现为高抽巷的精确布置提供了量化依据用通过对比分析不同工作面通风方式下的瓦斯渗流场开观察到显著差异具体考察了以下三种配置：高抽巷+U型通风方式、高抽巷+Y型通风方式(一进两回)以及高抽巷+Y型通风方式(两进一回)用结果显示原有的U型通风模式存在上隅角瓦斯超限风险用相比之下开高抽巷与Y型通风方式结合缓解了这一问题开不仅降低了沿空留巷附近的瓦斯浓度还显著减少工作面和采空区的瓦斯含量