崔少华

(长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046605)

1 前言

矿区位于东碾河南岸,位于宁武煤田南部汾河流域。就矿区而言，无地表水体，发育有大小沟谷，平时干枯无水，仅雨季时有间歇性流水，并汇入东碾河再向西流入汾河。晋北井田内有5个水文孔(ZK002、ZK605、补2、补8、补11)经抽水试验奥灰岩溶含水层富水性强，水位标高为1 259～1 267m，井田内西部各可采煤层大部在奥灰水水位之下，属带压开采。石炭系碎屑岩夹碳酸盐类岩溶裂隙含水层深部岩溶不发育，富水性弱，浅部受风化影响，裂隙及岩溶较发育，富水性较好。补11号水文孔抽水试验资料，太原组水位标高为1 375.45m，单位涌水量为0.001 5L/s·m，富水性弱。二叠系下统山西组、下石盒子组泥岩厚度大，层位稳定，为煤系地层与上覆含水岩组的主要隔水层。本溪组正常情况下阻隔了奥陶系岩溶水与上部含水层之间的水力联系，隔水良好，开采煤层与奥灰顶板为多层复合式软硬相间的岩性组合软，在未受构造破坏的情况下阻水效果好[1-2]。

该矿2301工作面所采煤层为3#煤，3#煤层平均厚度5.5m，煤层倾角-5°～10°，是不自燃煤层。工作面直接顶为2.97m，为砂质泥岩、泥岩、局部为粉砂岩；基本顶厚度5.86m，为中- 细粒砂岩。

该矿井具有完整独立的通风系统，回风井口安装有2台FBCDZ- 8- №26型矿用防爆对旋轴流式通风机，配套电机功率为2×355kW，一台运转，一台备用。反风时采用叶片反转反风，该主通风机设计排风量90～200m3/s，负压1 060～3 990Pa，电机额定转速740r/min。

回采面采用U型通风，掘进面采用通风机局部通风[3-4]。

瓦斯含量分布具有东低、中西部高的特点，随着煤层埋藏的加深，覆盖层厚度加大以及煤质变质程度的加深，有利于瓦斯的生成、聚集和保存，因此西部瓦斯含量较东部明显增高。其中，一采区辅助运输巷以东绝大部分开采区域(埋深小于380m)属于瓦斯风化带，工作面停采线以东的回采区域最大瓦斯含量为3.05m3/t，掘进区域最大瓦斯含量为4.50m3/t；二采区回采和掘进区域最大瓦斯含量为全矿井最大瓦斯含量8.85m3/t；三采区回采和掘进区域最大瓦斯含量为8.57m3/t；四采区回采和掘进区域最大瓦斯含量分布为8.59m3/t。3号煤层瓦斯含量增长梯度为3.62m3/t·100m。

矿井地面瓦斯抽采泵站安装4台2BEC72水环式真空泵，布置有高负压和低负压两套瓦斯抽采系统，两套系统各布置两台水环式真空泵，一运一备，抽采流量分别为510m3/min和502m3/min。真空泵功率630kW，电压6kV，转速为270r/min，选用配套YB2型防爆电机。抽采主管选择φ630mm螺旋焊缝钢管，井下干管选择φ630mm螺旋焊缝钢管，支管选用φ426mm螺旋焊缝钢管。

为了更安全高效的回采2301工作面，现对工作面采场的瓦斯移动情况进行了研究，模拟预测采场瓦斯运移规律。

2 2301工作面采场瓦斯运移的数值模拟预测

2.1 PHOENICS程序简介

PHOENICS程序能对一维、二维或三维，定常或非定常，可压或不可压，理想黏性层流或湍流，均相或多相(主要是两相)的流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟。PHOENICS程序可应用于矿井内空气流动及传热传质规律的研究。

为了研究工作面采场瓦斯运移规律，本文采用PHOENICS程序模拟采场瓦斯运移规律[5]。

PHOENICS程序的主要有以下几个组成部分。

(1)“Satellite”：开始时使用者应该先学会它的交互运行方式，这有助于尽快地掌握PHOENICS程序的使用方法。

(2) 快速输入功能：已经基本掌握了PHOENICS程序的输入语言和懂得计算机编辑的用户可学用快速输入文件Q1。

(3)“Earth”：模拟的核心部分，用户不需要对其内部作任何修改。

(4)“Ground”：源程序，用于与“Earth”交换信息，它可以进一步扩展PHOENICS程序的功能。

(5)“Satlit”：是“Satellite”中的子程序(源程序)，供想用Fortran语言，而不惯用PHOENICS程序输入语言以及希望把两者结合起来的用户使用。

如PHOENICS程序包括的“Grex1”就是使用“Ground”的一个例子，它包含许多普通适用的公式，有特殊需要的用户可以效仿它来编写程序。

根据实际问题，程序组“Satellite”会不同，至少是在它们的数据文件和可能使用的Fortran编写的某个子程序方面不同。“Satellite”接收用户的想法，如模拟什么，并把这些想法转化成正常驱动“Earth”的一系列输入文件，通过数据文件把这些输入信息传送给“Earth”。通常可以把“Satellite”看作一个翻译器，它把用PHOENICS程序输入语言表达的指令翻译成计算机能够执行的命令。这些指令构成快速输入文件。这种文件的优点可以从PHOENICS程序的输入文件库里得到，也可以用计算机系统的文本编辑自行建立。

另外，用户还可以用交互运行方式向“Satellite”输入数据，这种方式的优点是用户可以通过屏幕监视数据的输入和查寻需要的信息。在交互运行时，如果敲错了某个键，屏幕上立即会有反映。这样提供的命令可立即执行，也可以把它们用快速输入文件的形式储存起来，准备下次运行时使用。“Satellite”包含的Fortran子程序(源程序)“Satlit”对用户是公开的，允许用户对它进行修改。

2.2 采场瓦斯运移模拟的物理模型

为模型工作面回采，建立工作面回采物理模型。本模型为工作面前方取40m，工作面推进300m时，采高5m，冒落带高度按前文软件模拟结果取值，取12.65m，采空区剖面图如图1所示。

图1 采空区剖面图

2.3 瓦斯涌出量及边界条件

经初步分析与计算，2301工作面瓦斯涌出量为10.76m3/min。工作面受采动矿压的影响，工作面各区域的瓦斯涌出量不同。2301工作面采空区内，瓦斯涌出量较大，向后30m逐渐减小，并趋于稳定。按q=q0e-αt负指数规律衰减，瓦斯涌出量变化曲线如图2所示。

图2 采空区瓦斯涌出量与距工作面距离的变化关系

2.4 采场风流及瓦斯运移分布数值模拟

按照以上条件，采用PHOENICS程序进行渗流场瓦斯运移模拟研究。工作面进风量分别取2 000m3/min和3 000m3/min，采用两种方案进行模拟。具体方案见表3。

表3 数值模拟方案表

1)方案一：采空区不抽放瓦斯，采空区流场和瓦斯浓度分布模拟

在前述数据条件下，对采空区回风侧抽放瓦斯时，采空区流场和瓦斯浓度场分布进行了数值模拟。模拟结果如图3、图4所示。

从模拟结果可以看出：

(1)从图3、图4可以看出，采空区不抽放瓦斯，工作面靠近进风侧的一半向采空区漏风，靠近回风侧的一半采空区的风流漏向工作面，采空区的漏风主要集中在工作面切顶后50m的范围内，尤其是前30m漏风最大，在100m之后漏风量很小。采空区进风侧因漏风影响，瓦斯浓度较低，工作面进风侧切顶后50m处瓦斯浓度为10%；采空区最后方因风速很小，几乎无风，瓦斯浓度较高；而回风侧因采空区内的风流漏向工作面，把采空区的瓦斯带出来，因此回风侧瓦斯浓度较高，回风隅角靠近边界煤柱的采空区瓦斯浓度可达15%～30%，且瓦斯浓度等值线较密。虽然工作面风流稀释瓦斯，但因回风隅角处从采空区涌出的瓦斯浓度较高，这正是回风隅角瓦斯浓度时常超限的原因[1-3]。

图3 方案一 采空区风流场和瓦斯浓度场分布图(工作面风量2 000m3/min)

图4 方案一 采空区风流场和瓦斯浓度场分布图(工作面风量3 000m3/min)

(2)工作面向采空区的漏风量随工作面供风量的增加而增加，随工作面两端压差的增加而增加。从采空区涌出到工作面风流中的瓦斯量随工作面供风量的增加而增高。回风隅角采空区的瓦斯浓度随风量的增加而降低。因此，预抽本煤层瓦斯，提高本层抽放量，可减少工作面回采时的瓦斯涌出，降低工作面的供风量，降低工作面两端的压差，同时也可减少向采空区的漏风，降低采空区涌出到工作面的瓦斯量，这对于工作面的瓦斯治理是非常有利的[4-5]。

2)方案二：采空区回风巷抽放瓦斯，采空区流场和瓦斯浓度分布模拟

在前述数据条件下，对采空区回风侧抽放瓦斯时，采空区流场和瓦斯浓度场分布进行了数值模拟。模拟结果如图5、图6所示。

图5 采空区风流场和瓦斯浓度场分布图(工作面风量2 000m3/min)

图6 采空区风流场和瓦斯浓度场分布图(工作面风量3 000m3/min)

从模拟结果可以看出：

(1)从图5、图6中可以看出，工作面采空区回风侧边界煤柱抽放时，与方案一对应风量的结果相比，例如工作面风量为2 000m3/min时，对比图5与图3可以看出，回风侧抽放时，从采空区涌入到工作面的瓦斯量减少，回风隅角采空区涌出的瓦斯平均浓度也大大降低。这是因为抽放不仅带走一部分瓦斯，更重要的是它改变了采空区的风流流场，对采空区后方的高浓度瓦斯起到了截流作用，这对工作面回风隅角的瓦斯治理具有非常明显的作用。

(2)抽放位置和抽放流量不变时，风量增加，采空区涌出的瓦斯量增加，工作面风量的变化只影响采空区涌入到工作面的瓦斯量，对抽放浓度影响很小。

(3)工作面风量和抽放流量不变时，改变抽放位置，将抽放位置向后方移动，则抽放浓度提高，抽放的纯瓦斯量增加，采空区涌入到工作面的瓦斯量减少，回风隅角采空区涌出瓦斯平均浓度降低。这表明：2301工作面抽放瓦斯位置应在采空区后方，对于抽放高浓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，可减少采空区涌入到工作面的瓦斯量。因此在尽可能的条件下，应增加抽放量。但这受到抽放设备能力的限制。

3 结论

通过采用PHOENICS软件研究了2301工作面采空区瓦斯运移规律，大采高综采工作面在回采过程中，在尽可能的条件下，应增加抽放量，提高抽放设备的能力。