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抽采条件下采空区瓦斯浓度分布规律数值模拟研究

2025-04-03 73 上传者：管理员

摘要：以某矿32320工作面和40205工作面为研究对象，结合定制的瓦斯分布实验平台，通过数值模拟分析了抽采条件下采空区瓦斯分布规律。研究结果表明：在32320工作面，瓦斯浓度在煤层厚度为4.5 m时达到峰值，随后逐渐降低，但在6.0 m时又有所回升；在40205工作面，瓦斯浓度波动相对平缓，在煤层厚度为4.0 m时达到高峰，之后虽有波动但整体保持稳定。成功揭示了抽采条件下采空区瓦斯分布与煤层厚度间的关联规律。

关键词：
分布规律
多孔介质
抽采条件
瓦斯浓度
采空区
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瓦斯是矿井中不可避免的危险因素之一,其分布规律直接关系到矿井的安全生产｡特别是在采空区,瓦斯的积聚和释放往往受到多种因素的影响,使得瓦斯防治工作变得尤为复杂和关键[1]｡采掘活动中,煤体与围岩经历压力释放与透气性提升的变化,并且伴随岩石裂隙的逐渐扩大趋势｡这些变化使得瓦斯可能通过围岩裂隙渗入开采工作面与采空区,形成瓦斯积聚｡在抽采条件下,采空区瓦斯的分布规律更加复杂[2]｡抽采技术的应用旨在通过一定的设备和工具将瓦斯从矿井内抽出,以降低矿井内的瓦斯浓度｡然而,抽采过程中瓦斯的运移和分布会受到多种因素的制约,如抽采设备的性能､抽采压力的大小､抽采时间的长短及采空区的地质条件等｡这些因素共同作用,使得采空区瓦斯在抽采条件下的分布呈现出一定的规律性[3]｡研究采空区瓦斯分布规律的目的在于为矿井瓦斯防治提供科学依据｡通过深入分析采空区瓦斯的分布规律,可以揭示瓦斯在采空区内的积聚和释放机制,为制定有效的瓦斯防治措施提供指导[4]｡

1、采空区瓦斯分布规律模拟实验的准备

(1)采空区概况某深部矿井32320工作面,坐落于矿井-520m水平13采区,开采目标为稳定的3#煤层,该煤层平均厚度约6.2m,工作面设计长度220m｡采用先进的走向长壁综合机械化开采技术,支架高度设定为7m,实现一次采全高,顶板管理则遵循自然垮落原则｡工作面通风系统配置为U形通风模式,确保风量稳定在1850m3/min左右,以维持良好的作业环境｡瓦斯抽采策略涵盖了回风巷高位钻孔抽采､回风上隅角埋管抽采及两巷顺层钻孔抽采等多种手段,旨在有效控制瓦斯浓度｡

该矿井40205综采工作面主采14#煤层,该煤层厚度3.5~6.1m,采煤高度设定为4.2m,配风量优化至2550m3/min｡该工作面同样采用U形通风布局,并依赖高抽巷技术抽采邻近层瓦斯｡

(2)实验设备

本文实验设备主要由采空区模拟装置､瓦斯释放设备､抽采设备､监测与数据采集设备及辅助设备等组成｡通过这些设备的协同工作,可以模拟不同开采条件下采空区瓦斯的运移和分布规律｡实验设备参数如表1所示｡

表1实验设备参数

本文通过这套实验设备的精确模拟和实时监测,深入探究抽采条件下采空区瓦斯的分布规律｡

(3)测点布置

采用CO2作为示踪气体,利用其渗透性和迁移性,在抽采条件下观测其在压力场中的流动模式,从而揭示浓度差异｡结合定制的瓦斯分布实验平台如图1所示,开展了相似模拟实验,该平台置长250cm､宽200cm､高15cm,用于重点研究测点布置的合理性｡

图1瓦斯分布实验平台

在抽采条件下的采空区瓦斯分布规律分析实验中,向实验平台内填充了细､中､粗3类粒径的矸石,测点分3层设置于采空区内,高度分别为5cm､12cm和30cm,前2层深入冒落带,而第3层则覆盖裂隙带｡每层测点水平排列成6行6列,共计36个监测点,确保数据采集的详尽性｡走向上的测点布局遵循近密远疏原则,距离工作面依次为30cm､60cm､90cm､120cm及180cm,以精确捕捉瓦斯流动的初期变化与深层分布｡倾向上测点等距布置,距进风巷的垂直距离分别为25cm､25cm､30cm､40cm及50cm｡具体测点安装位置如图2所示｡

图2测点安装位置

此外,于进风巷与回风巷和工作面的交汇点增设2个关键测点,用于监测进风侧与回风侧隅角的瓦斯积聚情况｡采用耐用的橡胶软管作为取样管道,一端稳固连接于各测点,另一端统一引出至模型外部并密封保护,测量时开启密封端口,利用高精度瓦斯浓度分析仪即时收集并分析数据｡

2、模拟实验参数设置

2.1物理模型

在抽采条件下分析采空区瓦斯分布规律时,鉴于井下巷道蜿蜒､工作面形态多变,精确复制实际物理条件至模型中极为困难,故本文采取模型简化策略｡以煤矿32320综采工作面采空区为例,忽略局部复杂构造,将工作面､回风巷及运输巷均视为标准立方体截面｡建模中未计入井下设备影响,将采空区与工作面分割建模,简化为梯形立方体｡该工作面物理模型基本参数如表2所示｡表2物理模型基本参数

采用Gambit软件构建32320工作面抽采条件下采空区物理模型,网格划分选用六面体为主,辅以四面体细化｡物理模型如图3所示｡

图332320工作面抽采条件下采空区物理模型

在抽采条件下分析瓦斯分布时,因模型缩面[4]仅调整工作面走向宽度,故仅展示缩面调整前的采空区物理模型图｡

2.2数学模型

本次研究的焦点在于抽采条件下采空区内瓦斯等气体的流动特性,过程中未涉及热传递和化学变化,故核心依据的物理定律聚焦于质量守恒与动量守恒原理｡同时,鉴于采空区内气体流动涉及多种组分而非单一气体,还需遵循组分质量守恒定律｡

(1)质量守恒原理

根据质量守恒原理,在一个封闭系统中,质量的总量是不变的｡对于采空区内的瓦斯流动,可以将其视为一个封闭系统,其中瓦斯的总量在流动过程中保持不变,方程式为

(2)动量守恒原理

根据动量守恒原理,在没有外力作用的情况下,一个封闭系统中物体动量的总和保持不变｡对于采空区内的瓦斯流动,可以将其视为一个流体系统,其中瓦斯的动量在流动过程中应满足动量守恒原理｡以x方向为例,动量守恒公式为

(3)组分质量守恒定律

组分质量守恒定律是描述采空区内各种气体组分质量变化的重要原理｡该定律表明,在没有化学反应的情况下,一个封闭系统[5]中各组分的质量总和保持不变,公式为

2.3多孔介质

在抽采条件下分析采空区瓦斯分布规律时,设置多孔介质是关键,其中孔隙率和渗透率按M形分布规律设定,其分布函数独特｡同时,黏性阻力系数及瓦斯源项强度也是数值模拟中不可或缺的重要参数｡

(1)孔隙率

孔隙率影响着气体的流动和存储,通常定义为多孔介质中孔隙体积与总体积之比｡采空区多孔介质的孔隙率

(2)渗透率

渗透率直接影响瓦斯在采空区内的流动速度和分布,通常描述多孔介质允许流体通过的能力｡渗透率

(3)黏性阻力系数

黏性阻力系数反映了流体通过多孔介质时受到的阻力大小,通常与多孔介质的物理特性､渗透率及流体性质等因素有关,假设渗透率k(z)符合指数衰减规律,则黏性阻力系数

(4)瓦斯源项强度

瓦斯源项强度描述了瓦斯从煤体或采空区内部向多孔介质中释放的速率,通常与煤层的瓦斯含量､透气性､开采强度及抽采条件等因素有关,符合以下表达式

2.4边界条件

对边界条件进行设置,进风侧巷道入口边界设置为velocity,平均风速设定为2.5m/s｡风量为1200m3/min,氧浓度维持在20.5%,瓦斯浓度为0｡采空区瓦斯均匀涌出,涌出量更新为0.25m3/min｡工作面瓦斯涌出量则设定为0.52m3/min｡在缩面后,尽管工作面的物理尺寸有所变化,但其供风量､瓦斯涌出量均保持不变｡缩面后的工作面两端压差为110.5Pa,而出风侧巷道则配置为pressure｡

此外,高位抽采巷装备有直径为φ900mm的瓦斯管道,边界被设定为outflow,其相对于回风巷的垂直与水平距离分别为35m与30m｡在采空区内部,将其设置为Porou,即多孔介质区域｡这是因为采空区内的煤岩体具有多孔结构,能够容纳和传输瓦斯｡同时,工作面被设置为fluid区域,以模拟瓦斯在工作面的流动情况｡对于其他边界条件,如垮落带与裂隙带的交界面设置为interior,表示内部界面;而其他所有边界均视为wall,即固体壁面｡

3、模拟实验结果分析

基于给定参数,通过数值模拟分析抽采条件下采空区瓦斯分布规律,得出32320工作面和40205工作面的采空区瓦斯浓度分布结果如图4所示｡

图4瓦斯浓度分布结果

由图4可知,随着煤层厚度的变化,2个工作面的瓦斯浓度均呈现出一定的波动趋势｡在32320工作面,当煤层厚度从3.5m增加到4.5m时,瓦斯浓度显著上升,达到峰值27.6m3/t;随后,随着煤层厚度继续增加至5.0m和5.5m,瓦斯浓度逐渐降低;当煤层厚度达到6.0m时,瓦斯浓度有所回升,但仍低于4.5m时的峰值｡这一趋势表明,在特定抽采条件下,瓦斯浓度与煤层厚度之间存在复杂的非线性关系｡相比之下,40205工作面的瓦斯浓度波动较为平缓｡在煤层厚度从3.5m增加至4.0m时,瓦斯浓度大幅上升;随后,在4.5~5.5m内,瓦斯浓度虽有波动但整体保持相对稳定;当煤层厚度达到6.0m时,瓦斯浓度略有下降｡这一趋势同样揭示了抽采条件下瓦斯浓度与煤层厚度之间的复杂关系｡综上所述,通过数值模拟分析,成功地揭示了抽采条件下采空区瓦斯分布与煤层厚度之间的关联规律｡

4、结语

通过对抽采条件下采空区瓦斯分布规律的深入分析,揭示了瓦斯在复杂地质与开采条件下的运移机制,为矿井瓦斯防治提供了重要的理论依据｡未来,随着技术的不断进步和研究的持续深入,有望开发出更加高效､智能的瓦斯防治技术,进一步降低煤矿开采中的安全风险,保障生产安全,推动煤炭行业向更加绿色､可持续的方向发展｡

参考文献:

[1]薛彦平.抽采条件下采空区瓦斯分布规律模拟及抽采技术研究[j].煤矿机械,2024,45(9):53-56.

[2]李颖,赵东,陈涛.高抽巷层位变化对采空区瓦斯分布规律的影响研究[j].太原理工大学学报,2023,54(2):313-320.

[3]王迪,韩红凯,任培良,等.采空区侧煤体的应力与瓦斯分布规律研究[j].河南理工大学学报(自然科学版),2023,42(2):42-48.

[4]戚子特.抽采条件下u型工作面采空区漏风与瓦斯分布规律研究[j].煤炭与化工,2022,45(4):102-104+107.

[5]范红伟,杨涛.基于cfd模拟的采空区瓦斯分布规律研究[j].煤炭技术,2022,41(2):113-116.

文章来源:刘莉彬,林建东.抽采条件下采空区瓦斯浓度分布规律数值模拟研究[j].煤矿机械,2025,46(04):108-111.