崔少華

(長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605)

1 前言

礦區(qū)位于東碾河南岸,位于寧武煤田南部汾河流域。就礦區(qū)而言，無地表水體，發(fā)育有大小溝谷，平時干枯無水，僅雨季時有間歇性流水，并匯入東碾河再向西流入汾河。晉北井田內(nèi)有5個水文孔(ZK002、ZK605、補2、補8、補11)經(jīng)抽水試驗奧灰?guī)r溶含水層富水性強，水位標高為1 259～1 267m，井田內(nèi)西部各可采煤層大部在奧灰水水位之下，屬帶壓開采。石炭系碎屑巖夾碳酸鹽類巖溶裂隙含水層深部巖溶不發(fā)育，富水性弱，淺部受風化影響，裂隙及巖溶較發(fā)育，富水性較好。補11號水文孔抽水試驗資料，太原組水位標高為1 375.45m，單位涌水量為0.001 5L/s·m，富水性弱。二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組泥巖厚度大，層位穩(wěn)定，為煤系地層與上覆含水巖組的主要隔水層。本溪組正常情況下阻隔了奧陶系巖溶水與上部含水層之間的水力聯(lián)系，隔水良好，開采煤層與奧灰頂板為多層復合式軟硬相間的巖性組合軟，在未受構(gòu)造破壞的情況下阻水效果好[1-2]。

該礦2301工作面所采煤層為3#煤，3#煤層平均厚度5.5m，煤層傾角-5°～10°，是不自燃煤層。工作面直接頂為2.97m，為砂質(zhì)泥巖、泥巖、局部為粉砂巖；基本頂厚度5.86m，為中- 細粒砂巖。

該礦井具有完整獨立的通風系統(tǒng)，回風井口安裝有2臺FBCDZ- 8- №26型礦用防爆對旋軸流式通風機，配套電機功率為2×355kW，一臺運轉(zhuǎn)，一臺備用。反風時采用葉片反轉(zhuǎn)反風，該主通風機設計排風量90～200m3/s，負壓1 060～3 990Pa，電機額定轉(zhuǎn)速740r/min。

回采面采用U型通風，掘進面采用通風機局部通風[3-4]。

瓦斯含量分布具有東低、中西部高的特點，隨著煤層埋藏的加深，覆蓋層厚度加大以及煤質(zhì)變質(zhì)程度的加深，有利于瓦斯的生成、聚集和保存，因此西部瓦斯含量較東部明顯增高。其中，一采區(qū)輔助運輸巷以東絕大部分開采區(qū)域(埋深小于380m)屬于瓦斯風化帶，工作面停采線以東的回采區(qū)域最大瓦斯含量為3.05m3/t，掘進區(qū)域最大瓦斯含量為4.50m3/t；二采區(qū)回采和掘進區(qū)域最大瓦斯含量為全礦井最大瓦斯含量8.85m3/t；三采區(qū)回采和掘進區(qū)域最大瓦斯含量為8.57m3/t；四采區(qū)回采和掘進區(qū)域最大瓦斯含量分布為8.59m3/t。3號煤層瓦斯含量增長梯度為3.62m3/t·100m。

礦井地面瓦斯抽采泵站安裝4臺2BEC72水環(huán)式真空泵，布置有高負壓和低負壓兩套瓦斯抽采系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)各布置兩臺水環(huán)式真空泵，一運一備，抽采流量分別為510m3/min和502m3/min。真空泵功率630kW，電壓6kV，轉(zhuǎn)速為270r/min，選用配套YB2型防爆電機。抽采主管選擇φ630mm螺旋焊縫鋼管，井下干管選擇φ630mm螺旋焊縫鋼管，支管選用φ426mm螺旋焊縫鋼管。

為了更安全高效的回采2301工作面，現(xiàn)對工作面采場的瓦斯移動情況進行了研究，模擬預測采場瓦斯運移規(guī)律。

2 2301工作面采場瓦斯運移的數(shù)值模擬預測

2.1 PHOENICS程序簡介

PHOENICS程序能對一維、二維或三維，定?；蚍嵌ǔ?，可壓或不可壓，理想黏性層流或湍流，均相或多相(主要是兩相)的流動、傳熱傳質(zhì)和燃燒過程進行計算機模擬。PHOENICS程序可應用于礦井內(nèi)空氣流動及傳熱傳質(zhì)規(guī)律的研究。

為了研究工作面采場瓦斯運移規(guī)律，本文采用PHOENICS程序模擬采場瓦斯運移規(guī)律[5]。

PHOENICS程序的主要有以下幾個組成部分。

(1)“Satellite”：開始時使用者應該先學會它的交互運行方式，這有助于盡快地掌握PHOENICS程序的使用方法。

(2) 快速輸入功能：已經(jīng)基本掌握了PHOENICS程序的輸入語言和懂得計算機編輯的用戶可學用快速輸入文件Q1。

(3)“Earth”：模擬的核心部分，用戶不需要對其內(nèi)部作任何修改。

(4)“Ground”：源程序，用于與“Earth”交換信息，它可以進一步擴展PHOENICS程序的功能。

(5)“Satlit”：是“Satellite”中的子程序(源程序)，供想用Fortran語言，而不慣用PHOENICS程序輸入語言以及希望把兩者結(jié)合起來的用戶使用。

如PHOENICS程序包括的“Grex1”就是使用“Ground”的一個例子，它包含許多普通適用的公式，有特殊需要的用戶可以效仿它來編寫程序。

根據(jù)實際問題，程序組“Satellite”會不同，至少是在它們的數(shù)據(jù)文件和可能使用的Fortran編寫的某個子程序方面不同?！癝atellite”接收用戶的想法，如模擬什么，并把這些想法轉(zhuǎn)化成正常驅(qū)動“Earth”的一系列輸入文件，通過數(shù)據(jù)文件把這些輸入信息傳送給“Earth”。通?？梢园选癝atellite”看作一個翻譯器，它把用PHOENICS程序輸入語言表達的指令翻譯成計算機能夠執(zhí)行的命令。這些指令構(gòu)成快速輸入文件。這種文件的優(yōu)點可以從PHOENICS程序的輸入文件庫里得到，也可以用計算機系統(tǒng)的文本編輯自行建立。

另外，用戶還可以用交互運行方式向“Satellite”輸入數(shù)據(jù)，這種方式的優(yōu)點是用戶可以通過屏幕監(jiān)視數(shù)據(jù)的輸入和查尋需要的信息。在交互運行時，如果敲錯了某個鍵，屏幕上立即會有反映。這樣提供的命令可立即執(zhí)行，也可以把它們用快速輸入文件的形式儲存起來，準備下次運行時使用?！癝atellite”包含的Fortran子程序(源程序)“Satlit”對用戶是公開的，允許用戶對它進行修改。

2.2 采場瓦斯運移模擬的物理模型

為模型工作面回采，建立工作面回采物理模型。本模型為工作面前方取40m，工作面推進300m時，采高5m，冒落帶高度按前文軟件模擬結(jié)果取值，取12.65m，采空區(qū)剖面圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)剖面圖

2.3 瓦斯涌出量及邊界條件

經(jīng)初步分析與計算，2301工作面瓦斯涌出量為10.76m3/min。工作面受采動礦壓的影響，工作面各區(qū)域的瓦斯涌出量不同。2301工作面采空區(qū)內(nèi)，瓦斯涌出量較大，向后30m逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。按q=q0e-αt負指數(shù)規(guī)律衰減，瓦斯涌出量變化曲線如圖2所示。

圖2 采空區(qū)瓦斯涌出量與距工作面距離的變化關系

2.4 采場風流及瓦斯運移分布數(shù)值模擬

按照以上條件，采用PHOENICS程序進行滲流場瓦斯運移模擬研究。工作面進風量分別取2 000m3/min和3 000m3/min，采用兩種方案進行模擬。具體方案見表3。

表3 數(shù)值模擬方案表

1)方案一：采空區(qū)不抽放瓦斯，采空區(qū)流場和瓦斯?jié)舛确植寄M

在前述數(shù)據(jù)條件下，對采空區(qū)回風側(cè)抽放瓦斯時，采空區(qū)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植歼M行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

從模擬結(jié)果可以看出：

(1)從圖3、圖4可以看出，采空區(qū)不抽放瓦斯，工作面靠近進風側(cè)的一半向采空區(qū)漏風，靠近回風側(cè)的一半采空區(qū)的風流漏向工作面，采空區(qū)的漏風主要集中在工作面切頂后50m的范圍內(nèi)，尤其是前30m漏風最大，在100m之后漏風量很小。采空區(qū)進風側(cè)因漏風影響，瓦斯?jié)舛容^低，工作面進風側(cè)切頂后50m處瓦斯?jié)舛葹?0%；采空區(qū)最后方因風速很小，幾乎無風，瓦斯?jié)舛容^高；而回風側(cè)因采空區(qū)內(nèi)的風流漏向工作面，把采空區(qū)的瓦斯帶出來，因此回風側(cè)瓦斯?jié)舛容^高，回風隅角靠近邊界煤柱的采空區(qū)瓦斯?jié)舛瓤蛇_15%～30%，且瓦斯?jié)舛鹊戎稻€較密。雖然工作面風流稀釋瓦斯，但因回風隅角處從采空區(qū)涌出的瓦斯?jié)舛容^高，這正是回風隅角瓦斯?jié)舛葧r常超限的原因[1-3]。

圖3 方案一 采空區(qū)風流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D(工作面風量2 000m3/min)

圖4 方案一 采空區(qū)風流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D(工作面風量3 000m3/min)

(2)工作面向采空區(qū)的漏風量隨工作面供風量的增加而增加，隨工作面兩端壓差的增加而增加。從采空區(qū)涌出到工作面風流中的瓦斯量隨工作面供風量的增加而增高。回風隅角采空區(qū)的瓦斯?jié)舛入S風量的增加而降低。因此，預抽本煤層瓦斯，提高本層抽放量，可減少工作面回采時的瓦斯涌出，降低工作面的供風量，降低工作面兩端的壓差，同時也可減少向采空區(qū)的漏風，降低采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量，這對于工作面的瓦斯治理是非常有利的[4-5]。

2)方案二：采空區(qū)回風巷抽放瓦斯，采空區(qū)流場和瓦斯?jié)舛确植寄M

在前述數(shù)據(jù)條件下，對采空區(qū)回風側(cè)抽放瓦斯時，采空區(qū)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植歼M行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 采空區(qū)風流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D(工作面風量2 000m3/min)

圖6 采空區(qū)風流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紙D(工作面風量3 000m3/min)

從模擬結(jié)果可以看出：

(1)從圖5、圖6中可以看出，工作面采空區(qū)回風側(cè)邊界煤柱抽放時，與方案一對應風量的結(jié)果相比，例如工作面風量為2 000m3/min時，對比圖5與圖3可以看出，回風側(cè)抽放時，從采空區(qū)涌入到工作面的瓦斯量減少，回風隅角采空區(qū)涌出的瓦斯平均濃度也大大降低。這是因為抽放不僅帶走一部分瓦斯，更重要的是它改變了采空區(qū)的風流流場，對采空區(qū)后方的高濃度瓦斯起到了截流作用，這對工作面回風隅角的瓦斯治理具有非常明顯的作用。

(2)抽放位置和抽放流量不變時，風量增加，采空區(qū)涌出的瓦斯量增加，工作面風量的變化只影響采空區(qū)涌入到工作面的瓦斯量，對抽放濃度影響很小。

(3)工作面風量和抽放流量不變時，改變抽放位置，將抽放位置向后方移動，則抽放濃度提高，抽放的純瓦斯量增加，采空區(qū)涌入到工作面的瓦斯量減少，回風隅角采空區(qū)涌出瓦斯平均濃度降低。這表明：2301工作面抽放瓦斯位置應在采空區(qū)后方，對于抽放高濃度的瓦斯以供地面利用及降低工作面瓦斯超限都是非常有利的。

(4)增加抽放量，可減少采空區(qū)涌入到工作面的瓦斯量。因此在盡可能的條件下，應增加抽放量。但這受到抽放設備能力的限制。

3 結(jié)論

通過采用PHOENICS軟件研究了2301工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，大采高綜采工作面在回采過程中，在盡可能的條件下，應增加抽放量，提高抽放設備的能力。