多品种瓦斯如何采样？

     作者：郑晓蒙

    本文重点介绍采空区不同瓦斯抽采方法与自燃合理平衡数值模拟的主要内容。

    矿井瓦斯和煤层自燃是严重威胁煤矿井下安全生产的两大主要灾害，当矿井瓦斯和煤层自燃同时存在时，对于矿井的生产和人员的安全则构成了双重威胁。特别对于高瓦斯易自燃的矿井，往往是在解决瓦斯的同时，由于瓦斯抽采技术，造成采空区漏风加剧，可能引发采空区破裂遗煤的自燃。而遗煤的自燃又会引起瓦斯燃烧和爆炸，严重地影响瓦斯的安全抽采和排放，演化为矿井生产的重大危险源。当前许多矿井采用不同方式进行立体瓦斯抽采，这些技术非常有效地治理了矿井瓦斯灾害，但在抽采的过程中，造成了采空区漏风通道及动力的形成、遗煤压实程度减弱、遗煤自燃进程加快等采空区自燃隐患。国内外很多学者的研究为笔者解决这一问题奠定了基础，其中美国Yuan L等采用CFD（计算流体动力学）研究了长壁采煤法下采空区自燃情况；澳大利亚的Ren T等研究了不同通风方式下氧浓度的分布和采空区瓦斯抽采情况；胡千庭等用Fluent研究了采空区的瓦斯分布和流动规律；陈明河通过对高瓦斯煤层抽采条件下综放采空区漏风状况进行了数值模拟，分析了采空区氧浓度、瓦斯浓度和漏风分布规律；冯雪采用Fluent研究了不同垂距和平距下高位巷抽采瓦斯时对采空区自燃的影响；李英明等采用Fluent主要研究了U型和上隅角埋管条件下U型通风系统的瓦斯浓度场；刘星魁等基于CFD研究了大流量高位巷瓦斯抽采可能诱发采空区自燃的问题，并用综合防火措施消除了危险。以上大多学者运用CFD对采空区瓦斯运移，氧浓度分布，抽采流量及风量等流场问题进行了研究，但模拟结果多以二维图形显示，缺乏立体空间信息。

    本文将利用Fluent软件，从三维立体角度分别分析高位巷、上隅角埋管和高低位钻孔存在下，通过量化氧化带宽度、瓦斯抽采流量及浓度大小等主要指标，确定抽采流量的合理参数以达到对自然发火的控制，从而为现场实现安全生产提供依据和指导。

    1  采空区气体流动的数学模型

    1.1  采空区非线性渗流模型

    采空区是由松散的多孔介质组成的，风流在采空区的流动可以视为气体在多孔介质中的稳定渗流流动，可以用多孔介质流体力学的理论来进行采空区气体动力学的研究。一般认为，采空区深处风流速度小，流动为层流，风流规律服从经典的Darcy定律；采空区中部风流状态为过渡流，其规律已偏离Darcy定律；采空区靠近巷道边缘风流速度较大，流动为紊流，风流规律完全不适应Darcy定律。因此一般认为采空区风流流动规律遵循Bachmat提出的非线性渗流方程： 

    1.2采空区流场数学控制方程

    采空区气体在多孔介质中流动必需遵循以下通用控制方程。 

    2  物理模型构建及参数设定

    2.1  工作面概述

    西山煤电集团西铭煤矿48205工作面采用走向长壁式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。可采走向长度389m，倾斜长度83m。作为主采煤层的8#煤层，煤厚3.8m，遗煤平均厚度0.5m。自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层。工作面采用“U”型通风方式，轨道顺槽进风，皮带顺槽回风，工作面通风量约为2590m3/min。

    2.2物理模型构建

    西铭矿三维模型结构如图1所示。进回风巷道断面尺寸5m x4m，工作面断面尺寸7m x4m。采空区几何模型尺寸定为走向150m，倾向83m，高60m。高位巷距8#煤垂高38m，内错平行于距皮带顺槽27m（水平投影），断面尺寸3.2m×3.4m。埋管管路简化为一排10个，距底板2. 5m高，距工作面5—95m。高低位钻孔被简化为两排共20个钻孔平均分布于采空区距工作面0~ l00m内，高位钻孔仰角42度，低位钻孔仰角21度，孔径113 mm。 

    2.3参数设定及求解

    根据西铭矿48205工作面的实际情况及相关实测数据，结合多孔介质流体力学、Fluent计算理论，设定模拟参数见表1。 

    上述控制方程的求解均采用有限体积法进行离散，速度与压力之间的耦合采用基于交错网格的SIMPLE算法，迭代的最大误差都小于10-4。

    3不同瓦斯抽采方法与自燃合理平衡的模

    拟实验结果分析

    多孔介质引起的动量方程源项的变化由Fluent进行自动计算，氧浓度、瓦斯浓度的源项采用笔者自定义函数进行导人、编译，并将这些源项代入采空区流场通用控制方程，每个计算结果需12核CPU电脑并行运算1天。计算收敛时，在正常通风条件下，如图2(a)所示，采空区未进行瓦斯抽采时，采空区瓦斯浓度在走向上逐渐增大，倾向上沿着“进风侧一中部一回风侧”的顺序依次递增，垂直方向上裂隙带瓦斯浓度明显高于冒落带，这种趋势是由于冒落带内瓦斯的升浮、弥散和集聚，使得裂隙带成为高浓度瓦斯的聚集区。如图2(b)所示，氧化带（划分标准采取氧气体积分数8%~18%）最宽的范围在支架后15~52m，约为37m。临近综放面的散热带（15m之前），冒落的岩石受应力影响较小，留有大量空隙空间，导致漏风量较大，流经该区的新鲜风流比较多，氧浓度虽然较高，但聚集的热量大多被风流所带走。采空区深部的窒息带（52m之后）氧浓度很低，不满足自燃的条件。因此氧化带决定了自燃的可能性。 

    3.1  高位巷抽采参数与自燃关系的分析

    不同的瓦斯抽采都会给采空区漏风带来新的动力，造成漏风量的增加，不利于采空区自燃“三带”控制，并对其造成一定的影响，但为了达到瓦斯抽采效果与采空区自燃的合理平衡，避免在实际生产过程中的频繁调节抽采流量，降低工作面瓦斯浓度，杜绝上隅角瓦斯超限问题，实现煤与瓦斯的安全共采，得到广泛推广。针对这一问题，正是笔者主要研究的内容。图3(a)为高位巷瓦斯抽采流量为20m3／min时采空区瓦斯浓度分布图，同未进行瓦斯抽采相比，流向采空区上隅角附近的风量有所减少，可见高位巷的存在一方面增加了采空区漏风量，另一方面，将一部分漏风引向采空区上部裂隙带，减小了回风侧上隅角高浓度瓦斯集中涌出的情况。表2更加详细的体现了抽采流量在0~50m3/min变化时各参数的情况，在0~ 20m3/min的区间，随着抽采流量的增加，瓦斯抽采总量升高以及上隅角瓦斯浓度降低程度显著，而在抽采流量升至30m3/min后，两者的变化趋于缓慢。抽采流量增加至20m3／min后，继续增加抽采流量带来的瓦斯抽采总量增量占所增加抽采流量的百分比（增量抽采效率）降低至10%以下，在50m3／min时，增量抽采效率降至2.16%，因此，增加抽采流量所带来的增量抽采效率极为有限。图3(b)是高位巷瓦斯抽采流量为20m3／min时采空区氧浓度分布图，同未进行瓦斯抽采相比，由于漏风量的增大，氧化带范围在整体空间中不断扩大。在回采过程中又伴随着局部垮落现象，漏风供氧与遗煤氧化耗氧以及遗煤氧化产热与漏风散热失去了平衡，最终可能导致自燃的发生。这里用回归分析对模拟结果进行量化研究，以获得抽采流量与自燃合理平衡的一般规律。 

    如图4，随着抽采流量q的增加，抽采氧气浓度y增大，近似呈正比函数关系，即服从式(3)。 

    式中，回归系数f1=-4.58326，f2=14. 71865，a= 21. 61096，p=1.51573，相关系数为0.99982。

    从图4中可知，当抽采流量大于33m3／min后，抽采氧气浓度超过临界值8%（即高位巷所在空间进入了氧化带），此时若出现瓦斯与氧浓度充分混合并处于瓦斯爆炸极限内，则存在较大的安全隐患。所以从瓦斯抽采技术标准要求、抽采安全性及自然发火因素考虑，高位巷瓦斯抽采流量应控制在10~28 m3/min．但高位巷瓦斯抽采流量在28m3／min时，上隅角瓦斯浓度约2%，所以，高位巷作为单一采空区瓦斯治理措施并不能完全解决上隅角瓦斯问题。 

    3.2  埋管抽采参数与自燃关系的分析

    如图5(a)，埋管位置距工作面35m，抽采流量为20m3/min，工作面和采空区的瓦斯浓度分布状态与未抽采时的情况基本一致，而抽采管和上隅角附近的瓦斯浓度分布有明显变动，可以看出回风侧浓度为30%左右的瓦斯在涌向工作面上隅角时，由于抽采负压形成的第二个漏风汇的出现，促使上隅角处的风流流向抽采管，减小了采空区瓦斯向上隅角处集中涌出的情况，此时，上隅角处瓦斯浓度降到1%以下，瓦斯积聚的现象得到了解决。

    如图5(b)，埋管抽采时采空区氧化带宽度较未抽采时开始发生变化，同样用回归分析进行量化研究，如图6，可知埋管位置x与氧化带宽度y两者符合指数函数关系，即服从式(4)。 

    式中，回归系数yo= 50. 75751，xo=-6.75638，A=0. 68001，t=20. 30552，相关系数为0.99292。

    如图6，在距离工作面65m处，氧化带增加了22m。根据模拟结果表明，在距离工作面55m后，抽采管附近会出现次生火区，从防灭火角度出发考虑，埋管抽采位置的选择应距工作面35m以内。但埋管抽采也不能作为单一采空区瓦斯治理措施。

    3.3高低位钻孔抽采参数与自燃关系的分析

    如前面图5(c)、(d)所示，在Fluent模拟中，高低位钻孔瓦斯抽采效果以及瓦斯抽采对采空区浮煤自燃的影响与高位巷规律相似，在此不予赘述。

     3.4  不同瓦斯抽采下的比较与现场数据验证分析

    在模拟实验中，如图7所示，高低位钻孔与高位巷瓦斯抽采措施相比，采空区增量抽采效率和瓦斯抽采总量变化相差无几，而埋管抽采的这两项指标远不如前两种抽采措施，但是埋管抽采比前两种抽采措施更有利于上隅角瓦斯的治理，3种瓦斯抽采对氧化带影响趋势大致一样，抽采流量越大，氧化带范围越大，自燃危险性也越大；在现场实践中，高低位钻孔由于“高负压”、“一源多汇”的特性，使得不同位置抽采钻孔抽出的瓦斯浓度差异很大，难以进行可靠的调节控制，同时，低位钻孔在采空区中层位较低，易出现塌孔等现象，使得冒落带氧气进入钻孔，严重影响抽采效率。与高位巷瓦斯抽采相比，抽采的平均瓦斯浓度较低，抽采总量相对较小。因此，为有效防治西铭矿48205工作面瓦斯超限和采空区自燃现象，应采取“高位巷+埋管”立体联合共同抽采的方式，抽采流量都选取20m3/min。现场在高位巷采取密闭措施的墙上安装一趟DN630mm聚乙烯抽采管路并接入瓦斯抽采系统；皮带顺槽布置一趟φ315mm抽采管路，用于上隅角埋管抽采。抽采管路上安设孔板流量计用于抽采数据测量。如图8，该理论抽采流量与实测数据基本吻合（高位巷在正常回采过程中抽出的瓦斯浓度大于25%，抽采流量基本保持在20m3／min左右，埋管抽采使上隅角瓦斯浓度降到了1%以下），验证了利用数学模型进行数值模拟实验的可行性和准确性。 

    4结论

    1)现场实际调节抽采流量工程大、困难多。运用Fluent软件可以方便、快捷的模拟不同瓦斯抽采下合理的瓦斯抽采流量、瓦斯浓度和氧浓度的三维立体分布图，并较二维图更真实的反应现场情况。

    2)结合西山煤电集团西铭矿48205工作面实际情况，利用理论分析，明确了瓦斯抽采诱导遗煤自燃致灾的关联因素，通过模拟结果表明，对采空区灾害的控制，一味的追求大流量反而适得其反，得出了高位巷、埋管和高低位钻孔（共20个钻孔）的最佳抽采流量都为20m3/min。

    3)基于数值分析，选择“高位巷+埋管”立体联合共同抽采的方式，有效控制了瓦斯超限与遗煤自燃的威胁，为现场提供了理论基础和实践指导。

    评述：为了研究和解决西铭矿在生产中由于瓦斯抽采方法的不同可能引起采空区自燃以及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题，构建了高位巷、埋管和高低位钻孔瓦斯抽采方法下的非均质多孔介质三维模型。利用非线性渗流定律、通用控制方程和自定义的函数进行解算，结果表明：高位巷、高低位钻孔抽采流量与抽采氧气浓度近似呈正比函数关系，埋管抽采流量与氧化带宽度呈指数函数关系；高位巷、高低位钻孔随着抽采流量的增加抽采效率反而降低，抽采总量增加，埋管抽采位置在距工作面35m处、抽采流量为20m3/min能很好解决上隅角瓦斯超限问题。根据模拟结论：采用立体联合瓦斯抽采方法既能满足抽采要求又能有效控制采空区自燃现象。