采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o l3 3N o1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 7 40 5 采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟 李宗翔，王继仁，周西华 辽宁工程技术大学职业技术学院．辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要针对我国高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放的现状，强调了在工作面后方“边采边抽”的开区移 动瓦斯抽放方法，以提高资源回收减少大气污染与瓦斯治理的双重效益．建立了非均质采空区瓦 斯渗流一扩散的数值模型，模拟了瓦斯在采空区中的涌出、分布及积聚的流体力学原理．模拟表 明，抽放流量与采空区瓦斯涌出量和抽放瓦斯浓度均呈显著的反比关系，且抽放的纯瓦斯量基本 保持恒定，结论与采空区瓦斯持续稳定释放的客观性完全一致；抽放口位置越深入采空区，瓦斯 绝对涌出量略有降低，抽放浓度越高．由此确定了抽放口的最佳位置和抽放流量．结舍实例，利用 联络巷进行瓦斯抽放，可获得高于4 0 ％浓度的瓦斯，理论抽放效率在7 0 ％以上．若配合以漏风导 流，可彻底抑制瓦斯涌入工作面，并降低配风量． 关键词采空区风流；瓦斯抽放；抽放参数；数值模拟 中图分类号T D7 1 2 ．6 2 3文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fG a sD r a i n a g e D u r i n gO p e nR e g i o nM o v e m e n ti nG o a l L IZ o n g x i a n g ，W A N GJ i r e n ，Z H O UX i h u a S c h o o lo fP r o f e s s i o n a lT e c h n o l o g y L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n tL i a o n i n g1 2 3 0 0 0 。C h i n a A b s t r a c t C o n s i d e r i n gt h ec u r r e n ts t a t eo fg a sd r a i n a g ei ng o a l so fh i g h l yg a s s ym i n ei nC h i n a ，t h e “d r a i n i n gw h i l em i n i n g ”g a sd r a i n a g em e t h o dd u r i n go p e nr e g i o nm o v e m e n tb e h i n dw o r k i n gf a c e s w a se m p h a s i z e dt or a i s et h er e s o u r c er e c o v e r y ，d e c r e a s ea t m o s p h e r ep o l l u t i o na n di m p l e m e n tg a s c o n t r 0 1 ．An u m e r i c a lm o d e lf o ri n f i l t r a t i o nf l o wa n dd i f f u s i o no fg a si nh e t e r o g e n e o u sg o a lw a s e s t a b l i s h e d ．I tc a nb eu s e dt os i m u l a t eg a se m i s s i o n ，g a sd i s t r i b u t i o nr u l ea n dt h eh y d r o d y n a m i c s p r i n c i p l ef o rg a sa c c u m u l a t i o n ．A c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e r ea r eo b v i o u si n v e r s e l y p r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd r a i n a g ef l u xa sw e l la sg u s hq u a n t i t yo fg a si ng o a la n dg a s d r a i n a g ec o n c e n t r a t i o n ，a n dt h en e tg a sd r a i n a g eq u a n t i t yi sa l m o s tac o n s t a n t ．T h ec o n c l u s i o ni s c o n s i s t e n tw i t ht h eo b j e c t i v i t yt h a tt h er e l e a s eo fg a si ng o a fi s s t e a d y ．W i t ht h ep o s i t i o n so f d r a i n a g eb o r e sg o e sd e e pi n t og o a l ，t h ea b s o l u t ee m i s s i o nq u a n t i t yo fg a sd e c r e a s e ss l i g h t l y ，a n dt h e d r a i n a g ec o n c e n t r a t i o ni sh i g h e r ．T h e r e f o r e ，t h eo p t i m a lp o s i t i o n so fd r a i n a g eb o r e sa n dd r a i n a g e f l u xc a nb ed e t e r m i n e d ．A c c o r d i n gt oe x a m p l e s ，w h i l eu s i n gc r o s s h e a d i n g st od r a i ng a s ．t h e c o n c e n t r a t i o no fd r a i n e dg a sc a nr e a c h4 0p e r c e n to rh i g h e r ，a n dt h et h e o r e t i c a ld r a i n a g ee f f i c i e n t c a nr e a c h7 0p e r c e n to rh i g h e r ．I fa i rl e a k a g ef l u i dd i v e r s i o ni su s e d ，w ec a nr e s t r a i ng a sf r o m s w a r m i n gi n t ow o r k i n gf a c e s ，a n dt h ed i s t r i b u t e da i rq u a n t i t yc a na l s ob er e d u c e d ． K e yw o r d s lg o a la i rf l o w } g a sd r a i n a g e } d r a i n a g ep a r a m e t e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 高瓦斯矿井采空区瓦斯涌出量占全矿井4 0 ％左右，其蕴涵的煤层气量相当可观．长期以来，我国 收稿日期z2 0 0 3 0 3 3 0 作者简介t 李宗翔 1 9 6 2 一 ，男，黑龙江省绥化市人，辽宁工程技术大学副教授 赍格 ．工学硕士．从事安全工程 煤层注水、自然发火 瓦斯等场流数值模拟 方面的研究． 万方数据 第1 期 李宗翔等采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟 在井下瓦斯综合治理、资源利用方面取得了很大成 就，目前全国13 3 个抽放矿井每年抽放总量达 6 ．3 亿r f t 3 ．然而，采空区瓦斯抽放量仅占其中的1 ／ 5 ，显然，采空区瓦斯的抽放利用还相对落后，抽放 力度不足、影响因素多而工艺控制复杂，缺乏理论 研究和有效的分析手段“] ．用采空区开区移动瓦斯 抽放方法，即在推进的工作面后方一定距离同时进 行瓦斯抽放，具有治理采空区回风隅角瓦斯和资源 回收的双重意义，其具体工艺布置方式见图1 ．用 数值模拟方法能够定量化地确定出合理的抽放参 数和位置，其手段先进，方法可行o _ 3 ] ． b 双巷布置联络巷抽放 图1 开区瓦斯抽放工艺布置 F i g ．1 T h et e c h n o l o g yl a y o u to f g a sd r a i n a g ei no p e nr e g i o n 1采空区瓦斯涌出及其移动规律的定解数 值模型 采空区瓦斯的涌出和移动与采空区风流流动 状况有着密切的关系，属于典型的渗流一扩散传质 问题．在非均质的冒落岩石介质的采空区上 图 2 ，伴有瓦斯抽放问题的采空区风流渗流模型为“] 图2 采空区计算区域 F i g ．2 T h ec a l c u l a t e da r e ao fg o a l 礼，五工作面向采空区的漏人、精出风量 叮0 ．灿t c 0 分别为瓦斯抽放的流量、风压及瓦斯浓度l ”户1 呐分别为导流排放风量、风压及瓦斯浓度} 厶，L o 为排、抽的位置 d i v 慨叫d O , k 6 ‘每≠ H _ 器 户一R 1 0 2 ，一y 在工作面边界上 ， 一 g r a dp q o 在抽放口上 ， g r a dp o 在固壁边界上 ， 1 式中P 为风压，P a ；k 为采空区流场的渗透性系 数，m 2 ／ P a s ；b 为待定系数，m 2 ／ P a s ；M 为 工作面采高，m ；H 为流场厚度，m ；K 。为冒落岩石 碎胀系数，K 。是沿3 7 方向变化的，K ，一K 7 。 畔一 K v e 一，其中霹为初始冒落碎胀系数，砭为压实 碎胀系数，a 为衰减率，由矿压观测确定；R 。为工作 面单位长度的风阻，N S 2 ／m 9 ；z 为工作面长度。m ； Q 为工作面风量，m 3 ／r a i n ；P 。为导流巷风压，P a ；吼 为抽放流量，m 3 ／m i n ． 在同一采空区流场中，瓦斯浓度变化过程的微 分方程为[ 3 ] 一， ni d i v c V 一n d i v D g r a dc Ⅳc H 。， 2 其中 W c H 。一W o 百W 一 o e - 。r ， f n 在漏人新风边界上 ， 式中c 为瓦斯浓度，m o l ／m 3 ；C ，为边界瓦斯浓度， m o l ／m 3 ；D 为弥散系数张量，m 2 ／h ；V 是由式 1 解 出的渗流速度场函数；”为空隙度；t 为时问变量， h ；Ⅳc H ．为瓦斯涌出源项，m o l ／ m 3 h ；Ⅳ。为均匀 恒稳定源瓦斯涌出强度，m o l ／ m 2 h ；Ⅳ’。为衰减 涌出源初始瓦斯涌出强度，m o l ／ m 2 “ ；d 为瓦斯 涌出衰减指数系数，为实测值，是按多少天后强度 衰减至初始时刻的倍数来推算；r 为衰减时间，r x ／v ，其中”是工作面推进速度，m ／d ． 2 采空区流场与抽放前后瓦斯浓度分布的 计算 算例为晋煤集团寺河煤矿西1 0 2 0 1 S 综采工作 面，为首采工作面．煤层厚度3 ．5 ～5 ．5m ，采高 3 ．5m ，留底煤，设计工作面长度2 2 0i n ，日进度 1 3 ．6m ，煤层无自然发火危险．该矿经地质勘探定 为高瓦斯矿井，与该矿相邻的永红煤矿曾发生过煤 与瓦斯突出，寺河矿建井期间进入3 号煤层时曾发 生过瓦斯严重超限而被迫停止施工，经煤科总院抚 顺分院和重庆分院测定，煤层瓦斯含量为 7 ．3 1m 3 ／t ．经初步分析计算，工作面总的瓦斯绝对 涌出量约为8 5m 3 ／m i n ，其中采空区的涌出量约为 4 3m 3 ／r a i n ．由此构造出模型中参数W 。一 0 ．5 7m o l ／ m 2 h 、W ’n 一2 ．9 5m o l ／ m 2 h ，d 一 0 ．0 8 ．计算时，取采空区K 。 1 ．1 5 ～I ．5 ，此时n 一 0 ．1 3 ～0 ．3 3 ， 一8 ．7 7 ～2 4 ．9c m 2 ／ P a s ；瓦斯弥 散度为5m 速度纵向 、1 ．5m 速度横向 ，分子扩 散系数7 5 ．6m 2 ／h ，R l 一5 ．9 1 1 0 _ 5N S 2 ／m 9 ，工 作面总配人风量36 0 0m 3 ／r a i n 包括导流和配风 ． 通过渗透性系数待定数b 与原问题进行拟合 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 确定模型．用专门开发的计算程序求解流场流态、 速度场和瓦斯浓度分布，数值结果由计算机图形显 示．文中各图风压等值线差距为5P a ，流线代表的 流量差距为2m 3 ／r a i n ；设工作面回风端V I 相对风 压为0P a ；△p 为工作面两端总风压差，P a ；g 。为 采空区向工作面的瓦斯绝对涌出量，m 3 ／m i n ． 图3 数值模拟结果表明，在处于三面封闭无边 界漏风的采空区深部积有大量高浓度瓦斯，受漏回 霉酵桫 风流和扩散作用，在采空区内部的回风隅角形成了 瓦斯积聚，浓度在9 5 ％以上 图3 a ，这就为在采空 区回风隅角处实施开区移动式瓦斯抽放提供了理 论上的可能．在工作面后方进行瓦斯抽放，如图 3 b ，抽放口瓦斯浓度在5 0 ％～9 0 ％，回收纯瓦斯量 为3 8m 3 ／r a i n ．同时，采空区回风隅角的瓦斯浓度 降低，采空区瓦斯绝对涌出量g 。。也降低到 51 2 1 3 ／r a i n ，起到“截流”瓦斯的作用． 阵 ，I r a 抽出 曲 图3 瓦斯抽放前后采空区流态及瓦斯浓度分布变化数值结果 F i g ．3 T h en u m e r i c a lr e s u l t so fa i r f l o ws t a t ea n dt h ev a r i a t i o n so fg a sc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni ng o db e f o r ea n da l t e rg a sd r a i n a g e B 瓦斯抽放前日一36 0 0m 3 ／m l n 札一一1 3 37m 3 ／m m ，△户 8 55P “q c n 。一4 3 ．2 3 1m 3 ／m m b 瓦斯抽放后L 。 3 5 m ，帅一6 0 m 3 ／r a i n ，如暑一5 ．IP a , e o 6 4 ．2 ％；扎蓝1 3 1 ．2 i n 3 ／r a i n , 一L 一7 1 ．2 m 3 ／m m l 靶H 4 - - 5 m 3 ／m i n 3 抽放参数的确定与瓦斯抽放浓度变化的 模拟分析 抽放参数 流量、位置 的确定，应在满足最低 的抽放要求的情况下，尽量使抽放瓦斯浓度最大， 并以严格控制瓦斯涌人工作面为主体目标．为便于 分析，这里在距工作面4 5I T I 处作抽放模拟试验 图4 ，得到抽放流量g o 与采空区瓦斯绝对涌出量 L 口州。近似回归关系为g 叫。一孤u 1 ，其中b l , 6 。为I F I 归系数，那么。最低的安全抽放流量 口 为 2 彘由 ㈥ 式中口鼠为采空区瓦斯涌出量应控制的安全值 上限，赫。与工作面风量Q 有关，即赫． o ．O l Q 一 面。，其中q ‘c H ．为工作面瓦斯绝对涌出量，I T l 3 ／m i n ． 2 0 71 6 ；。 童8 j 。 ．。≤l 3 4 4 , 9 3 5 ．爵 01 02 03 04 0 5 06 0 ‰／ m a r a i n 一1 图4 抽放流量叮0 与q c n ．的关系 F 1 9 4T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r a i n a g ef l u xq oa n d 口c H d 抽放位置距工作面k 一4 5m ，耵为最低安全流量 算例中，b ． 3 4 4 ．9 3 5 ，b 。 7 ．6 5 6 ，相关系数为 0 ．9 9 65 ．若对本煤层进行瓦斯抽放的抽放率不低 于2 5 ％，有q c ’i f ≤ ． 3 ．在Q 一, 3 06I T I ／r a i n 36 0 0m 3 ／m i n 时，g 晶一5 ．4I T l 3 ／r a i n ，得到抽放流量 下限g 一5 3 ．7m 3 ／r a i n ． 进一步模拟可知，当o 6 01 T 1 3 ／r a i n ，抽排放口 在3 0 ～1 0 0I T s 范围内，q c 一．均控制在9 南。以下 图 5 ．随着抽放流量增大，抽放瓦斯浓度逐渐减小，回 归得到抽放浓度C 。与抽放流量卿近似有关系，其 中d 。，d 。为回归系数 图6 ，得抽放流量上限 “一粤一d 。， 4 9 2 一i 一。’ ‘4 式中c i 为最低瓦斯抽放浓度限值，r i 3 0 ％叫． 1 2 ；1 0 8 要6 薹4 ＼～． 竺“ ＼～目一6 0 口 、_ ， L0 ／m 图5 抽放位置厶与钕。．的关系 F i g ．5 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r a i n a g e p o s i t i o n 厶a n dg c H ‘ 这里d 。 2 3 ．1 6 ，d o 0 ．3 3 7 6 ，相关系数为 0 ．9 9 99 2 图6 ，得到抽放流量上限q ； 7 6 ．8 6 m 3 ／r a i n ．抽放纯瓦斯量在2 31 1 1 3 ／r a i n 上恒定 图 婴 万方数据 第1 期李宗翔等采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟 7 ．抽放浓度随着抽放口的位置不同而变化的，抽 放口越深入采空区，抽放浓度越高 图8 ．考虑到 理论计算与实际的差距，图6 ～8 中瓦斯浓度均取 模拟的最低值． 图6 抽放流量帅与抽放浓度“的关系 位置L 。_ 4 2m F i g ．6 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nq oa n dC O ，3 5 l 3 0 2 5 2 0 j d 15 ‰／ 一- m m 。 图7 抽放纯瓦斯流量Q c H 。与q 。的关系 位置L o 一4 2m F i g ．7 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nQ c H 。a n dq 0 4 结论 6 0 i 4 1 0 02 04 06 08 0I D O1 2 0 L o ／m 图8 抽放位置L 。与抽放浓度c 。的关系 F i g ．8 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r a i n a g ep o s i t i o nL 。 a n dd r a i n a g ec o n c e n t r a t i o nC O 由数值模型确定的寺河矿的抽放最佳位置在 距离工作面6 0m 左右，合理的抽放流量为 6 0m 3 ／r a i n ，抽放获得的瓦斯浓度可达4 0 ％左右． 与抽放前的采空区瓦斯涌出量4 3m 3 ／m i n 相比，理 论抽放效率为7 1 ．3 ％ 含本煤层瓦斯抽放 ． 当采用双巷布置时，为彻底控制采空区瓦斯涌 出，常利用在抽放点与工作面之间的一个联络巷进 行漏风导流，即采用“边采边抽边排”的方法口] ，图 9 给出了用导流排放5 0 0m 3 ／r a i n ，抽放6 0m 3 ／m i n 情况下的模拟结果，可见，抽瓦斯的同时也有效控 制了采空区瓦斯涌出，相互间的影响不大．此时，抽 放导流排出瓦斯巷的配风量仅需5 0m 3 ／r a i n ． 0 , 5 ％S ％2 0 ％7 5 ％ 图9 瓦斯抽放配合大流量漏风导流的采空区藏态及瓦斯浓度分布 F i g ．9 A i r f l o ws t a t ea n dg a sc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni ng o a fw h e ng a sd r a i n a g ec o m b i n e s w i t hl a r g ef l u xa i rl e a k a g ef l u i dd i v e r s i o n L 1 3 5 m ，口1 5 0 0 m 3 ／r a i n ．P l 一1 5 0 ．1P a t 。j 一1 ．1 ％， L 。一6 5n 1 ，目。一6 0m 3 ／r a i n ．P o - - 一7 0 ．5P a ，‘o 6 3 ％； n 一一5 6 0m 3 ／r a i n ∞H 一0m 3 ／r a i n 1 理论分析为开区瓦斯抽放方法在高瓦斯矿 井推广和应用奠定了基础，数值模型 程序 能够帮 助分析抽放瓦斯浓度与各种因素和抽放参数的变 化规律．根据工作面具体条件，预先在计算机上模 拟分析抽放各种方案确定抽放参数，以提高资源的 回收率． 2 抽放流量的提高有利于降低采空区瓦斯绝 对涌出量，二者呈显著的反比关系 图4 ．抽放位 置对瓦斯绝对涌出量存在一定影响，有小范围的波 动 图5 ． 3 抽放流量与抽放瓦斯浓度呈显著的反比关 系 图6 ，且抽放的纯瓦斯量基本保持恒定 图7 ， 这反映出采空区瓦斯涌出具有一定的系统稳定性， 也与实际情况完全相符．过大的抽放流量能提高抽 放的可靠性，但使抽放效率降低，因此，以利用为主 的采空区瓦斯抽放，在满足治理瓦斯涌出的情况 下，抽放流量不能攀大，流量愈小，浓度愈高． 4 抽放口位置越深入采空区，获得的瓦斯浓 度也越高 图8 ．对于双巷布置联络巷抽放方式， 随工作面推进抽放口相对于工作面位置是变化的， 因此，开区移动抽放过程中抽放浓度呈周期波动变 化，且与联络巷的间距相关，而单巷布置埋管抽放 瑚 啪 ㈨ 钟 。 自、 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 其瓦斯抽放浓度相对稳定． 参考文献 [ 1 ] 张铁岗．矿井瓦斯综台治理技术[ M ] 北京煤炭工 业出版社，2 0 6 1 ．3 3 23 3 9 ． [ 2 ] 李宗翔，孙广义，王继波．采空区上隅角瓦斯治理的 数值模拟研究[ J ] ．中国地质灾害与防治学报，2 0 0 1 ， I2 4 19 一] 2 ． [ 3 ] 李宗翔．回采采空区上隅角瓦斯抽放的数值模拟与 参数确定D ] ．矿业安全与环保，2 0 0 2 1 ；1 4 1 5 ． [ 4 3 李宗翔．回采采空区非均质渗流场风流移动规律的 数值模拟[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 I 增刊 2 1 5 7 8 15 8 1 ． [ 5 3 李宗翔．王继仁，周西华．高瓦斯矿井采空区瓦斯排放 的数值模拟应用[ J ] ．中国地质灾害与防治学报， 2 0 0 7 , ，1 4 3 7 0 7 5 第二届全国土木工程研究生学术论坛 责任编辑王玉浚 由中国土木工程学会教育工作委员会和同济大学研究生院联合主办的第二届全国土木工程 研究生学术论坛将于2 0 0 4 年9 月2 5 ～2 7 日在上海举行，由同济大学土木工程学院承办．这次 论坛旨在为包括香港、澳门、台湾在内的全国土木工程学科各相关专业的研究生提供一个学术交 流的机会．论坛主要以研究生自主报告的形式开展学术交流活动，优秀论文将被推荐至土木类 核心期刊发表，同时还将邀请土木工程领域著名专家学者到场做学术前沿报告． 欢迎土木工程及相近或相关的水利、交通、力学、材料、地质、测绘、管理等学科领域的研究生 投送国内外未公开发表的论文，著者可将不少于3 0 0 字的中、英文摘要以邮寄或电子邮件方式提 交．投送论文摘要到2 0 0 4 年2 月2 9 日截至．论文摘要经学术委员会评选后将于2 0 0 4 年3 月 3 1 日通知著者是否投送全文．论坛相关内容可从网上查询c i v i l e n g ．t o n g j i ．e d u ．c n ． 联系人王旭峰老师、严长征同学 地址上海市四平路1 2 3 9 号同济大学土木工程学院 邮编2 0 0 0 9 2 电话0 2 1 6 5 9 8 2 2 1 2 E m a i l N C E F G 2 0 0 4 m a i l ．t o n g j i ．e d u ．C D ． 万方数据