D010.13374斤.issn10153x.200.12.00l 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 N9 12 2010年12月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Deg 2010 采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 姚 伟12)金龙哲)张君) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京市劳动保护科学研究所，北京100054 摘要依据Dac定律，在NaverSp©ks方程的基础上，对祁南煤矿综采工作面采空区瓦斯抽放问题作了计算分析，并进行 了CD数值模拟.从理论上模拟采空区瓦斯聚集过程，直观展示了瓦斯抽采时采空区流态、瓦斯分布变化.把抽放钻孔布置 在项板裂隙内，结合上隅角埋管实施瓦斯抽放，该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用，现场管路测量 显示，可抽出高浓度瓦斯达30%~8%（体积分数），工作面回风瓦斯的体积分数基本控制在0.3%以下. 关键词采矿：采空区：钻孔：瓦斯抽放：数值分析：模拟 分类号D712.5 Numerical simulation of gas dranage with h gh positon boreholes n goaf YAO We;2).JIN Long e.ZHANG Ju 1)SchoolofCivil and Envirarmenl Engineering University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)BeijngMunicpal hstitute of LabourPoctin Beijng 10004 Chna ABSTRACT Gas distrbution and fbwing inQnanMne were caku lted and anayzed bym eas of the Navier-Socks pmul based on the Darcy law and then the method ofCH)numerical siulaton was used p visually display the result The gas collection course in the falling porousmed a at he upper comerofgoafwas sin ulated hheoreticaly which cleary illustrated the gas move ent and fow pat tem n goafwhen the gas was draned Based on the smulaton resu lt the gas was drained through hgh-position boreholes placed in the fracture area n Qnan Mne and it was proved to prevent he gas frm flowing to he upper comer As a result pipingm easure ments shoy the gas concentration in the drainage p pelne reached p about30 p 80 and the gas concentration of retum air was lowered to as low as0 3%. KEY WORDS minng goaf boreholes gas drainage numerical analysis smu ation 防治瓦斯灾害事故的主要技术措施是瓦斯抽 1瓦斯的渗流特性及流场控制方程 放回，在瓦斯富集的采空区深部，瓦斯最高浓度为 工作面瓦斯浓度的几十倍甚至是上百倍.目前全国 煤炭开采过程中，上覆岩层随回采工作面的推 133个抽放矿井每年抽放总量达到6.3亿m,采空 进不断发生破裂、弯曲下沉变形运动，使采场围岩产 区瓦斯抽放量仅占其中的1/5引.采空区瓦斯抽放 生大量的裂隙.采空区岩块间孔隙的特点决定了可 利用相对落后，其中缺乏理论研究和有效的分析手 以用流体力学理论中的孔隙介质（多孔介质）模型 段是重要原因.掌握采空区瓦斯分布和流动规律， 描述整个采空区，即把气体在岩层中的运动看成在 是研究工作面合理通风方式、防治自然发火以及瓦 具有一定孔隙分布的孔隙介质中的连续介质运动. 斯治理的关键技术基础.本文运用CD模型模 工作面有与大气连通的通风设施，因此气压相 拟采空区钻孔抽放过程中瓦斯流动及分布规律的方 对较低.瓦斯在压力梯度的作用下，由煤层渗透扩 法和结果，确定出合理的抽放参数 散到采空区，继而进入巷道.这个流动过程中，瓦斯 收稿日期：2010-03-03 作者简介：姚伟(197-)，男，博士研究生：金龙哲(1963-)，男，教授，博士生导师，Ema1j@ce5us6dycn
第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.12 Dec.2010 采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 姚 伟 1, 2) 金龙哲 1 ) 张 君 1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 北京市劳动保护科学研究所, 北京 100054 摘 要 依据 Darcy定律, 在 Navier-Stocks方程的基础上, 对祁南煤矿综采工作面采空区瓦斯抽放问题作了计算分析, 并进行 了 CFD数值模拟.从理论上模拟采空区瓦斯聚集过程, 直观展示了瓦斯抽采时采空区流态、瓦斯分布变化.把抽放钻孔布置 在顶板裂隙内, 结合上隅角埋管实施瓦斯抽放, 该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用, 现场管路测量 显示, 可抽出高浓度瓦斯达 30% ～ 80%(体积分数 ) , 工作面回风瓦斯的体积分数基本控制在 0.3%以下. 关键词 采矿;采空区;钻孔 ;瓦斯抽放;数值分析;模拟 分类号 TD712 +.5 Numericalsimulationofgasdrainagewithhighpositionboreholesingoaf YAOWei1, 2) , JINLong-zhe1) , ZHANGJun1) 1) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) BeijingMunicipalInstituteofLabourProtection, Beijing100054, China ABSTRACT GasdistributionandflowinginQinanMinewerecalculatedandanalyzedbymeansoftheNavier-Stocksformulabased ontheDarcylawandthenthemethodofCFDnumericalsimulationwasusedtovisuallydisplaytheresult.Thegascollectioncoursein thefallingporousmediaattheuppercornerofgoafwassimulatedtheoretically, whichclearlyillustratedthegasmovementandflowpatterningoafwhenthegaswasdrained.Basedonthesimulationresult, thegaswasdrainedthroughhigh-positionboreholesplacedin thefractureareainQinanMine, anditwasprovedtopreventthegasfromflowingtotheuppercorner.Asaresult, pipingmeasurementsshow, thegasconcentrationinthedrainagepipelinereachedtoabout30% to80% andthegasconcentrationofreturnairwas loweredtoaslowas0.3%. KEYWORDS mining;goaf;boreholes;gasdrainage;numericalanalysis;simulation 收稿日期:2010--03--03 作者简介:姚 伟 ( 1977— ), 男, 博士研究生;金龙哲 ( 1963— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:lzjin@ces.ustb.edu.cn 防治瓦斯灾害事故的主要技术措施是瓦斯抽 放 [ 1--2] , 在瓦斯富集的采空区深部, 瓦斯最高浓度为 工作面瓦斯浓度的几十倍甚至是上百倍.目前全国 133个抽放矿井每年抽放总量达到 6.3亿 m 3 , 采空 区瓦斯抽放量仅占其中的 1/5 [ 3] .采空区瓦斯抽放 利用相对落后, 其中缺乏理论研究和有效的分析手 段是重要原因.掌握采空区瓦斯分布和流动规律, 是研究工作面合理通风方式 、防治自然发火以及瓦 斯治理的关键技术基础 [ 4] .本文运用 CFD模型模 拟采空区钻孔抽放过程中瓦斯流动及分布规律的方 法和结果, 确定出合理的抽放参数. 1 瓦斯的渗流特性及流场控制方程 煤炭开采过程中, 上覆岩层随回采工作面的推 进不断发生破裂、弯曲下沉变形运动, 使采场围岩产 生大量的裂隙 .采空区岩块间孔隙的特点决定了可 以用流体力学理论中的孔隙介质 (多孔介质 )模型 描述整个采空区, 即把气体在岩层中的运动看成在 具有一定孔隙分布的孔隙介质中的连续介质运动 . 工作面有与大气连通的通风设施, 因此气压相 对较低.瓦斯在压力梯度的作用下, 由煤层渗透 --扩 散到采空区, 继而进入巷道.这个流动过程中, 瓦斯 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .12 .001
。1522 北京科技大学学报 第32卷 的流动速度非常小，一般小于105ms.巷道 孔隙介质的动量损失源的项：以上各式中，ⅰ去1 的通风速度也比较低，瓦斯和空气在煤层、采空区和 23 巷道中的流动属于流体力学中的低速流动范畴.由 控制方程组中，方程(1)为各组分的连续性方 于瓦斯在采空区中的流速极低，对巷道通风质量流 程方程(2)是混合物的动量方程，方程(3)是混合 动的贡献很低尽管压力梯度非常大，但仍可以把瓦 物的能量方程，方程(4)是混合物的理想气体状态 斯和空气在采空区、巷道中的流动视为不可压流 方程. 动9.采空区地层垮落变形情祝见图1 表述采空区孔隙介质的动量损失特性，可以用 式(5)进行描述： $=-空D+空c时IMy (5) 煤层 式中：S为第补(x或动量方程的源；μ为分子 黏度Pa§DC为预定义的矩阵；为速度向量的 回风巷 模；为在和纺向的速度分量.式(5)中，括号 采空区 内的第一项为黏性损失项，即为Dac定律，反映的 进风巷 是压力梯度驱动下的黏性损失；第二项为惯性损失 图1采空区地层垮落变形模型 项，反映的是高速流动中的动量损失，对于孔隙介 Fg 1 Geon etricmodel of roof caving n goaf 质中的低速层流流动，第二项可以忽略.因此本文 瓦斯在煤层中的流动按渗透-扩散和低渗透一 研究中，假设岩层均为各向同性的孔隙介质，使用下 渗透规律计算的结果，与按Darc定律的计算结果 式表述孔隙介质的动量损失源项 基本一致因此从简化计算和工程实用出发，采用 S=-#Y (6) Dac定律模拟瓦斯在煤层中的渗流场是完全可行 的) 式中，α表述孔隙介质中孔隙大小，为黏性阻碍特性 Navier Stock访程是现代流体力学使用的基本 的渗透性系数，.对于采空区的冒落带，渗透性系 方程8-.在本文研究中，使用了带组分输运方程 数a为1×101~1×109咤：对于采空区的裂隙 的Navier Stock方程作为流场的控制方程组.考虑 带，渗透性系数a为1X10B~1X102叫，对于弯 采空区孔隙介质的多组分控制方程组形式如下： 曲下沉带，渗透性系数a为1X1018~1×1014m apy)a 对于未变形的地层，渗透性系数a≤1×109？. at 十pY)=入 PD- =12,n 2实验区现状 (1) p4)1 2.1工作面情况 t十ax(p4+G9= t0+S (2) 淮准北矿业集团祁南煤矿位于安徽省宿州市埇桥 a a 区祁县镇境内，81采区713工作面属于多煤层高瓦 at 分「pH4)-x4+k ax (3) 斯工作面，位于81采区左翼第二个区段，工作面标 Y pIR宫 高为一503~一550四上邻711工作面.工作面采用 (4) 轻型放顶煤采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶 式中：P为混合物密度，8：为方向的张量表现 板.图2为祁南煤矿713工作面巷道布置示意图. 形式：4为速度分量，ms;P为压强P?T为静 工作面走向长754？工作面倾向长140四开采面 温，K妫流体的传热系数；E为单位体积总能量， 积105560；工作面煤层厚度3.5四煤层倾角3°~ J上宫Yh+(a++)号的单位体 6,平均5；工业储量55.1万t713工作面配风 710m·mr:,工作面的矿井瓦斯相对涌出量为 积总焓，Jmo;τ为分子剪应力张量，P?妫组分 57.,工作面煤产量850t.随着开采能力 总数：R为普适气体常数，83145于(mo1的；M 不断增大、采空区顶板岩石的垮落，瓦斯大量释放， XD和h分别为组分的相对分子质量、质量浓 进入713综采工作面.瓦斯大量涌出问题已成为限 度、质量扩散系数和单位质量的绝对焓值：S为表述 制该工作面生产的主要因素之一
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 的流动速度非常小, 一般小于 10 -5 m·s -1[ 5] .巷道 的通风速度也比较低, 瓦斯和空气在煤层 、采空区和 巷道中的流动属于流体力学中的低速流动范畴.由 于瓦斯在采空区中的流速极低, 对巷道通风质量流 动的贡献很低, 尽管压力梯度非常大, 但仍可以把瓦 斯和空气在采空区、巷道中的流动视为不可压流 动 [ 6] .采空区地层垮落变形情况见图 1. 图 1 采空区地层垮落变形模型 Fig.1 Geometricmodelofroofcavingingoaf 瓦斯在煤层中的流动按渗透--扩散和低渗透-- 渗透规律计算的结果, 与按 Darcy定律的计算结果 基本一致, 因此从简化计算和工程实用出发, 采用 Darcy定律模拟瓦斯在煤层中的渗流场是完全可行 的 [ 7] . Navier-Stocks方程是现代流体力学使用的基本 方程 [ 8--10] .在本文研究中, 使用了带组分输运方程 的 Navier-Stocks方程作为流场的控制方程组 .考虑 采空区孔隙介质的多组分控制方程组形式如下 : (ρYs) t + xj ( ρYsuj) = xj ρDs Ys xj , s=1, 2, …, ns ( 1) ( ρui) t + xj (ρuiuj+δijp) = τij xj +Si ( 2) (ρE) t + xj (ρHuj) = xj τijuj+k T xj ( 3) p=ρTRu ∑ ns s=1 Ys Ms ( 4) 式中:ρ为混合物密度, g·m -3 ;xj为方向的张量表现 形式;ui、uj为速度分量, m·s -1;p为压强, Pa;T为静 温, K;k为流体的传热系数;E为单位体积总能量, J;E=∑ ns s=1 Yshs + 1 2 ( u 2 +v 2 +w 2 ) - p ρ ;H为单位体 积总焓, J·mol -1;τij为分子剪应力张量, Pa;ns为组分 总数;Ru为普适气体常数, 8.314 5 J·( mol·K) -1;Ms、 Ys、Ds和 hs分别为组分 s的相对分子质量 、质量浓 度 、质量扩散系数和单位质量的绝对焓值 ;Si为表述 孔隙介质的动量损失源的项;以上各式中 i, j=1, 2, 3. 控制方程组中, 方程 ( 1)为各组分的连续性方 程, 方程 ( 2)是混合物的动量方程, 方程 ( 3)是混合 物的能量方程, 方程 ( 4)是混合物的理想气体状态 方程 . 表述采空区孔隙介质的动量损失特性, 可以用 式 ( 5)进行描述 : Si =- ∑ 3 1 Dijμvj+∑ 3 1 Cij 1 2 ρ v vj ( 5) 式中 :Si为第 i个 (x, y或 z)动量方程的源 ;μ为分子 黏度 Pa·s;D、C为预定义的矩阵 ;v为速度向量的 模;vj为在 x、y和 z方向的速度分量 .式 ( 5)中, 括号 内的第一项为黏性损失项, 即为 Darcy定律, 反映的 是压力梯度驱动下的黏性损失;第二项为惯性损失 项, 反映的是高速流动中的动量损失 .对于孔隙介 质中的低速层流流动, 第二项可以忽略 .因此本文 研究中, 假设岩层均为各向同性的孔隙介质, 使用下 式表述孔隙介质的动量损失源项 . Si=- μ α vj ( 6) 式中, α表述孔隙介质中孔隙大小, 为黏性阻碍特性 的渗透性系数, m 2 .对于采空区的冒落带, 渗透性系 数 α为 1 ×10 -11 ～ 1 ×10 -9 m 2 ;对于采空区的裂隙 带, 渗透性系数 α为 1 ×10 -13 ～ 1 ×10 -12 m 2 ;对于弯 曲下沉带, 渗透性系数 α为 1 ×10 -18 ～ 1 ×10 -14 m 2; 对于未变形的地层, 渗透性系数 α≤1 ×10 -19 m 2 . 2 实验区现状 2.1 工作面情况 淮北矿业集团祁南煤矿位于安徽省宿州市埇桥 区祁县镇境内, 81采区 713工作面属于多煤层高瓦 斯工作面, 位于 81采区左翼第二个区段, 工作面标 高为 -503 ～ -550m, 上邻 711工作面 .工作面采用 轻型放顶煤采煤法, 一次采全高, 全部垮落法管理顶 板.图 2 为祁南煤矿 713工作面巷道布置示意图. 工作面走向长 754 m;工作面倾向长 140 m;开采面 积 105 560m 2 ;工作面煤层厚度 3.5m;煤层倾角3°～ 6°, 平均 5°;工业储量 55.1 万 t.713工作面配风 710 m 3 ·min -1 , 工作面的矿井瓦斯相对涌出量为 5.7 m 3 ·t -1 , 工作面煤产量 850 t·d -1 .随着开采能力 不断增大 、采空区顶板岩石的垮落, 瓦斯大量释放, 进入 713综采工作面 .瓦斯大量涌出问题已成为限 制该工作面生产的主要因素之一 . · 1522·
第12期 姚伟等：采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 ·1523 811 集中运输巷一 高位 713风巷 钻孔 713风巷 3 Sa(mmin)w-m) 7.2169710 >0 高位钻孔 35 713机巷 图2祁南煤矿713工作面巷道的布置 Fig 2 A mangement of the unnel in713 Face 2.2采空区钻孔布置情况 工作面配风710m。m前'，按温度300K时的空气 (1)高位钻孔.利用工作面回采动压形成的顶 密度1.177k怒r3折算，进风巷空气质量流量为 板裂隙通道来抽采工作面煤壁以及上隅角的瓦斯. 13.923k881 钻孔位置选在冒落拱的顶部.工作面风巷每间隔 (2▣风巷出口：边界条件设为压力出口，即按 70施工一高位钻场，在高位钻场内施工高位钻孔. 照表压给出静压0P: 钻孔可以控制风巷至工作面内10~30范围的瓦 (3)上表面：边界条件设置为压力入口，假设6 斯流动，钻孔终孔处于裂隙带和冒落带交界范围，使 煤层所含瓦斯气体仍然保持其地层瓦斯气体压力， 同一钻场内有两排高位孔，一排浅孔和一排深孔杜 按照假设的工作面标高和地层瓦斯压力梯度计算得 绝前后高位钻场交替时对抽放效果的影响. 到瓦斯气体压力为1.69MP作为入口总压. (2)采空区埋管.在工作面风巷，每间隔20m (4)下表面：采空区模型下表面即为713工作 向巷道顶部施工15~20m深，孔径100mm以上的 面巷道底面，边界条件设置为壁面边界条件. 垂直立钻孔，钻孔下部进入风巷底板2~3？并下 (5周围地层：采空区周围地层因受采空区垮 套管于孔内，套管最上部3~5打花眼：下部套管 塌影响较小，孔隙率仍然保持与原来地层一致，瓦斯 进入底板2~3用于控制立孔内套管在老塘时仍 流量非常小，可视为壁面边界条件. 处于直立状态. (6港道内：巷道内充满瓦斯和空气混合物的 (3)布置方式.沿回采工作面的回风巷的上帮 不可压理想气体 敷设一条瓦斯管，随着工作面的推进，瓦斯管道一端 (7采空区内：气体流动状况设置为层流巷道 逐渐埋入采空区，瓦斯管路每隔一定距离设一个三 底面以下区域的孔隙介质渗透性系数α按未变形 通，并安设阀门，可以开闭.自风巷切眼处，靠风巷 地层的给出，即α=109吐巷道底面以上区域的 上帮开始竖直放立一站管，抽采管每隔20设置一 孔隙介质渗透性系数α可以参照文献[6]，由如 个三通接口，平时封闭此接口.在埋进管路时，将三 图所示分布给出. 通接上瓦斯抽采器，埋入采空区.站管随工作面的 推进每20m布置一个，当工作面回采，抽采器滞后 20m时，关闭采空区埋管内的抽采器连入新的抽采 器，依次不断向前延接.为弥补采空区埋管抽采不 足，利用高位钻孔抽采原理在工作面风巷打立孔， 安设抽采站管，加大站管的高度，让其处于顶板离层 区、冒落带上部的裂隙带内，抽上隅角高浓度瓦斯. 3采空区瓦斯抽采的CD模拟 图3采空区孔隙介质模型渗透率分布模型（单位：10Dm2) 3.1采空区模型边界条件的设置 Fg 3 Seepage ratemodel ofporusmedia n goaf unit 10-10 m) 采空区模型的各边界条件按照如下边界条件 给出. 3.2计算模型 (1)进风巷入口：边界条件设为质量入口，713 高位钻孔从回风巷道向斜上方进行施工，钻孔
第 12期 姚 伟等:采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 图 2 祁南煤矿 713工作面巷道的布置 Fig.2 Arrangementofthetunnelin713 Face 2.2 采空区钻孔布置情况 ( 1)高位钻孔 .利用工作面回采动压形成的顶 板裂隙通道来抽采工作面煤壁以及上隅角的瓦斯 . 钻孔位置选在冒落拱的顶部 .工作面风巷每间隔 70 m施工一高位钻场, 在高位钻场内施工高位钻孔 . 钻孔可以控制风巷至工作面内 10 ～ 30 m范围的瓦 斯流动, 钻孔终孔处于裂隙带和冒落带交界范围, 使 同一钻场内有两排高位孔, 一排浅孔和一排深孔, 杜 绝前后高位钻场交替时对抽放效果的影响 . ( 2)采空区埋管 .在工作面风巷, 每间隔 20 m 向巷道顶部施工 15 ～ 20 m深, 孔径 100 mm以上的 垂直立钻孔, 钻孔下部进入风巷底板 2 ～ 3 m, 并下 套管于孔内, 套管最上部 3 ～ 5 m打花眼 ;下部套管 进入底板 2 ～ 3m, 用于控制立孔内套管在老塘时仍 处于直立状态. ( 3)布置方式 .沿回采工作面的回风巷的上帮 敷设一条瓦斯管, 随着工作面的推进, 瓦斯管道一端 逐渐埋入采空区, 瓦斯管路每隔一定距离设一个三 通, 并安设阀门, 可以开闭 .自风巷切眼处, 靠风巷 上帮开始竖直放立一站管, 抽采管每隔 20 m设置一 个三通接口, 平时封闭此接口.在埋进管路时, 将三 通接上瓦斯抽采器, 埋入采空区.站管随工作面的 推进每 20m布置一个, 当工作面回采, 抽采器滞后 20 m时, 关闭采空区埋管内的抽采器连入新的抽采 器, 依次不断向前延接.为弥补采空区埋管抽采不 足, 利用高位钻孔抽采原理, 在工作面风巷打立孔, 安设抽采站管, 加大站管的高度, 让其处于顶板离层 区 、冒落带上部的裂隙带内, 抽上隅角高浓度瓦斯. 3 采空区瓦斯抽采的 CFD模拟 3.1 采空区模型边界条件的设置 采空区模型的各边界条件按照如下边界条件 给出. ( 1)进风巷入口:边界条件设为质量入口, 713 工作面配风 710 m 3 ·min -1 , 按温度 300 K时的空气 密度 1.177 kg·m -3折算, 进风巷空气质量流量为 13.923kg·s -1 . ( 2)回风巷出口 :边界条件设为压力出口, 即按 照表压给出静压 0 Pa. ( 3)上表面 :边界条件设置为压力入口, 假设 61 煤层所含瓦斯气体仍然保持其地层瓦斯气体压力, 按照假设的工作面标高和地层瓦斯压力梯度计算得 到瓦斯气体压力为 1.69 MPa作为入口总压 . ( 4)下表面 :采空区模型下表面即为 713 工作 面巷道底面, 边界条件设置为壁面边界条件 . ( 5)周围地层:采空区周围地层因受采空区垮 塌影响较小, 孔隙率仍然保持与原来地层一致, 瓦斯 流量非常小, 可视为壁面边界条件 . ( 6)巷道内:巷道内充满瓦斯和空气混合物的 不可压理想气体. ( 7)采空区内:气体流动状况设置为层流, 巷道 底面以下区域的孔隙介质渗透性系数 α按未变形 地层的给出, 即 α=10 -19 m 2;巷道底面以上区域的 孔隙介质渗透性系数 α, 可以参照文献 [ 6], 由如 图 3所示分布给出 . 图 3 采空区孔隙介质模型渗透率分布模型 (单位:10 -10 m2 ) Fig.3 Seepageratemodelofporousmediaingoaf(unit:10 -10 m2 ) 3.2 计算模型 高位钻孔从回风巷道向斜上方进行施工, 钻孔 · 1523·
。1524 北京科技大学学报 第32卷 终孔距离工作面后约60m距巷道底面垂直高度约 区，因此本文选取距离工作面后20m处在采空区模 20四钻孔终孔间距为10四为了模拟高位钻孔的 型侧面横向外接一个0.3mX0.3m的方管模拟采 瓦斯抽放效果，本文对高位钻场作如下假设和简化， 空区埋管的瓦斯抽放效果. 建立计算模型，采空区计算模型如图4 (5高位钻孔和采空区埋管的出口处采用中等 抽放负压一25kPa 3.3网格生成 高位钻孔 网格总数为3023645个，细化了巷道、高位钻 采空区模型 孔、采空区埋管和冒落带底部区域的网格如图5所 老塘埋管 0 示，以模拟其附近的瓦斯渗流场变化. 回风巷 巷道模型进风巷 图4采空区计算模型（单位：m) Fig 4 Cakultion model of goaf unitm) (1)高位钻场为5~7个钻孔本文假设有三个 图5采空区模型的网格划分 处于要研究的采空区模型中 F琴5 Grid divis知of the gn fmodel (2)高位钻场间隔70m施工，本文假设只考虑 两个高位钻场的影响，认为更早施工的高位钻场己 4数值模拟及应用效果分析 经被压实或者对瓦斯抽放贡献不大. 软件UENT通过有限体积的流体动力学计算 (3)高位钻孔直径约0.1四钻孔尾端联入瓦斯 来求解Nav erStokes方程，得到了采空区瓦斯流动 抽放管路，高位钻孔之间可以认为是相互连通的，本 规律的典型情况.图6给出了带有高位钻孔和采空 文假设三个钻孔形成的钻场可以简化成一根从采空 区埋管的采空区模型防向不同截面的瓦斯渗流场 区侧面插入的管道，用0.202m的方管模拟三 截面图.从图6可以看出，瓦斯含量分布随增大 个钻孔的合成效果， 而增大：采空区埋管对瓦斯渗流场的影响很大高位 (4)采空区埋管沿回风巷道上帮每隔20铺设 钻孔的存在会在一定程度上减小周围的瓦斯含量分 一段.由于采空区埋管本身只有管终孔埋入采空 布，但影响区域很小. (a 95 功 083 0.75 07D 0动 00 06 09的 050 usyss.o0 00 4.70 .35 00 0.45 品1 00 025 05m 图6瓦斯含量分布（体积分数）.（两采空区=20m藏面（采空区埋管中心面）片（采空区=60m藏面（高位钻孔1中心面） Fg6 Gas concentration fiel of he profile(号-20四(b-60m 图7给出了带有高位钻孔和采空区埋管的采空 钻孔. 区模型方向和纺向界面的瓦斯渗流场截面图. 上述特性也反映在了各出口抽放流量和瓦斯含 从图7可以看出，采空区瓦斯抽放的主要贡献来自 量上.表1给出了数值模拟得到的各出口流量和瓦 于采空区埋管，埋管的负压抽放使得大量瓦斯流向 斯含量.其结果表明，高位钻孔和采空区埋管相结 埋管，也使得空气通过渗透扩散进入了很大一个 合的瓦斯抽放方式能很好地将裂隙带、冒落带涌出 区域的地层，使得上隅角的瓦斯含量降到非常低的 的瓦斯抽走，使上隅角瓦斯含量达到了安全标准. 水平.小部分瓦斯经过地层渗透扩散进入高位 在实际生产过程中，高位钻孔和采空区埋管相结合
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 终孔距离工作面后约 60 m、距巷道底面垂直高度约 20 m, 钻孔终孔间距为 10 m.为了模拟高位钻孔的 瓦斯抽放效果, 本文对高位钻场作如下假设和简化, 建立计算模型, 采空区计算模型如图 4. 图 4 采空区计算模型 (单位:m) Fig.4 Calculationmodelofgoaf( unit:m) ( 1)高位钻场为 5 ～ 7个钻孔, 本文假设有三个 处于要研究的采空区模型中. ( 2)高位钻场间隔 70 m施工, 本文假设只考虑 两个高位钻场的影响, 认为更早施工的高位钻场已 经被压实或者对瓦斯抽放贡献不大. ( 3)高位钻孔直径约 0.1 m, 钻孔尾端联入瓦斯 抽放管路, 高位钻孔之间可以认为是相互连通的, 本 文假设三个钻孔形成的钻场可以简化成一根从采空 区侧面插入的管道, 用 0.2 m×0.2 m的方管模拟三 个钻孔的合成效果. ( 4)采空区埋管沿回风巷道上帮每隔 20 m铺设 一段.由于采空区埋管本身只有管终孔埋入采空 区, 因此本文选取距离工作面后 20 m处在采空区模 型侧面横向外接一个 0.3 m×0.3 m的方管模拟采 空区埋管的瓦斯抽放效果. ( 5)高位钻孔和采空区埋管的出口处采用中等 抽放负压 -25 kPa. 3.3 网格生成 网格总数为 3 023 645 个, 细化了巷道 、高位钻 孔、采空区埋管和冒落带底部区域的网格如图 5所 示, 以模拟其附近的瓦斯渗流场变化. 图 5 采空区模型的网格划分 Fig.5 Griddivisionofthegoafmodel 4 数值模拟及应用效果分析 软件 FLUENT通过有限体积的流体动力学计算 来求解 Navier-Stokes方程, 得到了采空区瓦斯流动 规律的典型情况.图 6给出了带有高位钻孔和采空 区埋管的采空区模型 x方向不同截面的瓦斯渗流场 截面图.从图 6可以看出, 瓦斯含量分布随 x增大 而增大;采空区埋管对瓦斯渗流场的影响很大, 高位 钻孔的存在会在一定程度上减小周围的瓦斯含量分 布, 但影响区域很小 . 图 6 瓦斯含量分布 (体积分数 ) .(a) 采空区 x=20m截面 (采空区埋管中心面 ) ;( b) 采空区 x=60m截面 (高位钻孔 1中心面) Fig.6 Gasconcentrationfieldoftheprofile:( a) x=20m;( b) x=60m 图 7给出了带有高位钻孔和采空区埋管的采空 区模型 y方向和 z方向界面的瓦斯渗流场截面图 . 从图 7可以看出, 采空区瓦斯抽放的主要贡献来自 于采空区埋管, 埋管的负压抽放使得大量瓦斯流向 埋管, 也使得空气通过渗透 --扩散, 进入了很大一个 区域的地层, 使得上隅角的瓦斯含量降到非常低的 水平.小部分瓦斯经过地层渗透--扩散进入高位 钻孔 . 上述特性也反映在了各出口抽放流量和瓦斯含 量上 .表 1给出了数值模拟得到的各出口流量和瓦 斯含量.其结果表明, 高位钻孔和采空区埋管相结 合的瓦斯抽放方式能很好地将裂隙带 、冒落带涌出 的瓦斯抽走, 使上隅角瓦斯含量达到了安全标准. 在实际生产过程中, 高位钻孔和采空区埋管相结合 · 1524·
第12期 姚伟等：采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 1525 b 175 图7瓦斯含量分布（体积分数）和流线图。(3采空区二30m藏面图：(b采空区二2m截面图 Fg7 Gas concentration fel ard stream line fied of he coss sectiop(两-30四(b二2m 的方式提高了抽放效果，在现场瓦斯抽放管路测量 (张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.北京：煤炭工业出版社， 中表明，抽出的瓦斯为30%一809%（体积分数）.工 2001) Chen D K.WangI.Jin 1 Z et al The Prelm mnary research on 作面的高位钻孔抽放主管路的测量瓦斯体积分数为 【4 coaLbed gas degradatin by m icroogaism J China Coal Soc 20%~30%、抽放量为10~15m。mr;埋管、顺层 200631(5:607 孔抽放瓦斯体积分数为5%~10%，抽放量为4~ (陈东科.王璐.金龙暂，等微生物降解煤矿瓦斯的研究.煤炭 7。m前1.工作面通过瓦斯治理可抽放瓦斯量达 学报，200631(5)：607) 到13~15。mr',抽放效果良好，抽放率可达 [3到 LiZX Numerical smulticn of gas drainage duiring open region movement in gonf JChim UnivMn Technol 2004.33(1)74 60%~70%.大大减少了工作面瓦斯超限现象发 (李宗翔.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟.中国矿业大 生，工作面回风瓦斯体积分数基本控制在0.%以 学学报，200433(1)：74) 下，缓解矿井北翼风量紧张的局面 LiZX The study on he numerical s加uat知d de temna tion 表1带有高位钻孔和采空区埋管的采空区模型各出口的流量和瓦 of parame ters in gas contol at te upper comer in U type ventil 斯含量 tion fao9 Chn JGeo]Haza Contn回200112(4)：9 Tab l Fbw rate and gas oonoen tration at the outket of the goa fmodel (李宗翔.回采工作面上隅角瓦斯治理的数值模拟与参数确 定.中国地质灾害与防治学报.200112(4)：9) 出口 流量/(m3.1) 瓦斯体积分数% [ LiZX Sudy on numerical smulton of gas emission regularit 回风巷 19.64 005 and boundary condition of he goaf in conl caving of the fullymech 采空区埋管 1.251 407 anized J China Coal So 2002 27(2):173 高位钻孔1 0.002337 500 (李宗翔.综放工作面瓦斯涌出规律的数值模拟研究.煤炭学 报.2002272)：173) 高位钻孔2 0.004257 500 【日HuQT LingY P CFD smuhti知of gaf gas fbow pa ttems J China CoalS09200732(7):719 5结论 (胡千庭，梁运培.采空区瓦斯流动规律的C下D模拟.煤炭学 报，2007,32(7片719) 对不同抽放方式下的采空区瓦斯渗流场变化进 W ang F J Conpuna tionalF uid Dynamics Ana ysis Beijing Tsin 行了数值模拟.实测数据验证了高位钻孔瓦斯流量 ghua Universit Press 2004 与含量的数值模拟结果的准确程度.实测结果表 (王福军.计算流体动力学分析.北京：清华大学出版社 明：高位钻孔和采空区埋管相结合的瓦斯抽放方式， 2004) Speziale C G GatsiT B Fitzmaurioe N An anapysis of RNG- 能将从煤层经过裂隙带、冒落带涌出的30%~80% based turbu lence models for honcgeneous tear fw Phys F luds (体积分数)的瓦斯抽走，达到了较好的抽放效果. A19913(9片2278 综合考虑经济成本和矿井地质条件，采用高位钻孔 [9 YakhtV O rszag SA Thanga S Deve kpmentof trbukentmod 和采空区埋管相结合的抽放方式是合适祁南煤矿瓦 els for shear fovs by a doub le expansion technue Phys F luidsA 斯综合治理的方式之一. 199247):1510 10 FuDX Ma Y W.Conputtiomal Fluid Dynam ics Beijng 参考文献 Hther Education Pres 2004 (傅德薰，马延文.计算流体力学.北京：高等教育出版社， [I]ZhangTG GasCantrol Technokgy gr CoalMne Beijing Conl 2004) ndustry Press 2001
第 12期 姚 伟等:采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 图 7 瓦斯含量分布 (体积分数 )和流线图.( a) 采空区 y=30m截面图;( b) 采空区 z=2m截面图 Fig.7 Gasconcentrationfieldandstreamlinefieldofthecrosssection:( a) y=30m;( b) z=2m 的方式提高了抽放效果, 在现场瓦斯抽放管路测量 中表明, 抽出的瓦斯为 30% ～ 80%(体积分数 ).工 作面的高位钻孔抽放主管路的测量瓦斯体积分数为 20% ～ 30%、抽放量为 10 ～ 15 m 3 ·min -1 ;埋管、顺层 孔抽放瓦斯体积分数为 5% ～ 10%, 抽放量为 4 ～ 7 m 3 ·min -1 .工作面通过瓦斯治理, 可抽放瓦斯量达 到 13 ～ 15 m 3 ·min -1 , 抽放效果良好, 抽放率可达 60% ～ 70%.大大减少了工作面瓦斯超限现象发 生, 工作面回风瓦斯体积分数基本控制在 0.3%以 下, 缓解矿井北翼风量紧张的局面. 表 1 带有高位钻孔和采空区埋管的采空区模型各出口的流量和瓦 斯含量 Table1 Flowrateandgasconcentrationattheoutletofthegoafmodel 出口 流量 /( m3·s-1 ) 瓦斯体积分数 /% 回风巷 19.64 0.05 采空区埋管 1.251 4.07 高位钻孔 1 0.002 337 50.0 高位钻孔 2 0.004 257 50.0 5 结论 对不同抽放方式下的采空区瓦斯渗流场变化进 行了数值模拟.实测数据验证了高位钻孔瓦斯流量 与含量的数值模拟结果的准确程度 .实测结果表 明 :高位钻孔和采空区埋管相结合的瓦斯抽放方式, 能将从煤层经过裂隙带、冒落带涌出的 30% ～ 80% (体积分数 )的瓦斯抽走, 达到了较好的抽放效果 . 综合考虑经济成本和矿井地质条件, 采用高位钻孔 和采空区埋管相结合的抽放方式是合适祁南煤矿瓦 斯综合治理的方式之一. 参 考 文 献 [ 1] ZhangTG.GasControlTechnologyforCoalMine.Beijing:Coal IndustryPress, 2001 (张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.北京:煤炭工业出版社, 2001 ) [ 2] ChenDK, WangL, JinLZ, etal.Thepreliminaryresearchon coal-bedgasdegradationbymicroorganism.JChinaCoalSoc, 2006, 31( 5 ):607 (陈东科, 王璐, 金龙哲, 等.微生物降解煤矿瓦斯的研究.煤炭 学报, 2006, 31( 5) :607) [ 3] LiZX.Numericalsimulationofgasdrainageduringopenregion movementingoaf.JChinaUnivMinTechnol, 2004, 33( 1 ):74 (李宗翔.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟.中国矿业大 学学报, 2004, 33( 1 ) :74) [ 4] LiZX.Thestudyonthenumericalsimulationanddetermination ofparametersingascontrolattheuppercornerinU-typeventilationface.ChinJGeolHazardControl, 2001, 12 ( 4) :9 (李宗翔.回采工作面上隅角瓦斯治理的数值模拟与参数确 定.中国地质灾害与防治学报, 2001, 12 ( 4) :9 ) [ 5] LiZX.Studyonnumericalsimulationofgasemissionregularity andboundaryconditionofthegoafincoalcavingofthefully-mechanized.JChinaCoalSoc, 2002, 27 ( 2) :173 (李宗翔.综放工作面瓦斯涌出规律的数值模拟研究.煤炭学 报, 2002, 27( 2) :173) [ 6] HuQT, LiangYP.CFDsimulationofgoafgasflowpatterns.J ChinaCoalSoc, 2007, 32( 7) :719 (胡千庭, 梁运培.采空区瓦斯流动规律的 CFD模拟.煤炭学 报, 2007, 32( 7 ):719) [ 7] WangFJ.ComputationalFluidDynamicsAnalysis.Beijing:TsinghuaUniversityPress, 2004 (王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社, 2004 ) [ 8] SpezialeCG, GatskiTB, FitzmauriceN.AnanalysisofRNGbasedturbulencemodelsforhomogeneousshearflow.PhysFluids A, 1991, 3( 9 ):2278 [ 9] YakhotV, OrszagSA, ThangamS.Developmentofturbulentmodelsforshearflowsbyadoubleexpansiontechnique.PhysFluidsA, 1992, 4( 7) :1510 [ 10] FuD X, MaYW.ComputationalFluidDynamics.Beijing: HigherEducationPress, 2004 (傅德薰, 马延文.计算流体力学.北京:高等教育出版社, 2004 ) · 1525·