张 倩，栗 磊，栗 伟

(1.潞安职业技术学院，山西 长治 046204；2.潞安集团 瓦斯研究院，山西 长治 046204；3.潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

瓦斯抽采是高瓦斯、突出矿井回采工作面瓦斯治理的主要手段，而上隅角埋管抽采是回采工作面瓦斯抽采方式中较为常用的方式之一，也是治理上隅角瓦斯较为有效的方式[1-4]。综放工作面通风加上隅角埋管抽采方式治理瓦斯的极限能力有多大，本文通过数值模拟方式进行了研究。

1 工作面概况

7601工作面为五阳煤矿76采区首采工作面，地面标高+884～+917 m，井下标高+518～+431 m，开采3号煤层，煤种为瘦煤，平均煤厚6.14 m，平均倾角4°，煤尘具有爆炸性，为III类不易自燃煤层；工作面倾斜长187 m，走向长度2 260 m，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采方法，全部垮落法管理顶板。工作面布置为U型通风方式，配风量2 000 m3/min；在回风巷中布置了D400 mm抽采管对工作面回风上隅角进行瓦斯抽采，混合抽采流量80 m3/min。

2 物理模型的建立、网格划分及数值模拟边界条件

2.1 模型的建立及网格划分

基于7601工作面采场的实际几何尺寸，建立相应数值模拟物理模型(见图1)，物理模型的具体参数见表1。

模型中回风巷布置抽放管对工作面上隅角进行瓦斯抽采，插管直径0.4 m，插管中心离巷道底板高2.25 m，利用GAMBIT进行了网格划分。

图1 7601工作面数值模拟的物理模型

表1 工作面物理模型参数 m

部位名称工作面采空区支架部分进回风巷抽风管几何大小x×y×z187×4×3187×200×40187×2×34×20×3d=0.4

2.2 数值模拟边界条件

进风巷的面边界设置为VELOCITY_INLET，回风巷和上隅角抽采风管的边界设置为OUTFLOW，将采空区和支架部分设置为多孔介质区域。

2.3 工作面瓦斯涌出构成

采用单元法对7601综放工作面瓦斯涌出量及涌出构成进行测定，得出：工作面瓦斯涌出总量为17.508 m3/min。其中：落煤瓦斯涌出量为3.648 m3/min，占总瓦斯涌出量的20.8%；采空区瓦斯涌出量为3.79 m3/min，占总瓦斯涌出量的21.6%；工作面煤壁瓦斯涌出量为10.07 m3/min，占总瓦斯涌出量57.6%。

2.4 综放工作面瓦斯涌出源相设置

根据以上实测计算可知，7601工作面采空区瓦斯涌出占总量的21.6%左右，采落煤占20.8%，煤壁占57.6%。瓦斯涌出源相设置位置为：支架上方和煤壁瓦斯涌出源相设置在距支架和煤壁0.3 m内均匀涌出，采空区瓦斯涌出源相设置在采空区底板1 m内均匀涌出。通过编译自定义函数UDF，实现在FLUENT运算过程中的加载调用，瓦斯涌出源相见表2所示。

3 数值模拟结果分析

7601综放工作面目前通风条件为：进风量2 000 m3/min，瓦斯浓度0.07%；回风量1 920 m3/min，瓦斯浓度0.68%；回风上隅角抽排流量为80 m3/min，抽排瓦斯平均浓度为2.5%。由图2采场瓦斯分布等值线可以看出：进风巷、回风巷瓦斯浓度与现场实测相同，数值模拟中上隅角插管抽排平均瓦斯浓度为2.65%，与现场实测值2.5%相差较小，说明数值模拟各参数设置合适，数值模拟结果可信度较高。

表2 7601工作面当前情况瓦斯涌出源项

图2 7601工作面采场瓦斯分布等值线

为了研究上隅角埋管抽采治理瓦斯的极限能力，将工作面进风量调整为《煤矿安全规程》规定的最大风量2 880 m3/min，上隅角埋管抽采混量设为工作面低负压系统所能达到的较大值220 m3/min，工作面瓦斯涌出量由23 m3/min间隔3 m3/min增大到44 m3/min，工作面瓦斯涌出比例不变进行数值模拟，数值模拟结果汇总见表3。

表3 数值模拟结果汇总

由表3可以看出，随着工作面瓦斯涌出总量由23 m3/min增大到44 m3/min，工作面上隅角瓦斯浓度也由瓦斯涌出总量为23 m3/min时的0.7%升高到瓦斯涌出总量为44 m3/min时的1.4%；回风巷瓦斯浓度则由0.6%升高到1.1%；当工作面瓦斯涌出总量为29 m3/min时，上隅角瓦斯浓度为0.9%，回风巷瓦斯浓度为0.8%；当工作面瓦斯涌出总量为32 m3/min时，回风上隅角瓦斯浓度1%，回风巷瓦斯浓度为0.84%，达到报警值。故在7601综放工作面实际条件下，在上隅角抽排量增大到220 m3/min，进风量增大到《煤矿安全规程》规定的最大允许风速4 m/s对应的2 880 m3/min时，风排加上隅角抽排治理工作面瓦斯的最大能力为工作面瓦斯涌出总量29 m3/min，上隅角及回风巷瓦斯浓度随工作面瓦斯涌出总量的变化规律如图3所示。

图3 上隅角、回风巷瓦斯浓度随工作面

由图3可以看出， 7601综放工作面上隅角瓦斯浓度随工作面瓦斯涌出总量的增加呈线性升高，关系函数为y=0.098 2x+0.601 8，其中y为回风上隅角瓦斯浓度，x为工作面瓦斯涌出总量；回风巷瓦斯浓度也随工作面瓦斯涌出总量的增加呈线性升高，关系函数为w=0.067 4x+0.564 3，其中w为回风巷平均瓦斯浓度。

4 结 语

通过对五阳煤矿7601工作面瓦斯分布进行数值模拟，得出：上隅角及回风巷瓦斯浓度随工作面瓦斯涌出总量的增加呈线性升高；工作面采用U型通风方式、进风量为2 880 m3/min、上隅角混合抽采量为220 m3/min时，工作面最大瓦斯治理能力为29 m3/min。通过数值模拟研究，为回采工作面选用上隅角埋管抽采提供了理论和数据支持，使工作面瓦斯治理更具科学性。