通风负压对采空区瓦斯浓度的影响分析

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1、通风负压对采空区瓦斯浓度的影响分析杨东1,2马小敏1,2（1．中国煤炭科工集团沈阳研究院，辽宁抚顺，113122.;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺,113122）摘要：根据瓦斯渗流的基本理论，建立了55002综放面采空区的二维网格模型，应用该模型对综放面采空区通风负压对采空区瓦斯浓度变化的情况进行数值模拟，探讨了不同通风负压下工作面采空区瓦斯涌出浓度的变化规律，这为确定通风负压对采空区瓦斯涌出作用机理提供可靠的数据基础。关键词：通风负压；瓦斯浓度；数值模拟工作面瓦斯涌出随煤炭产量增加而上升，计算工作面的瓦斯涌出以及解决与

2、此有关的通风问题，都是以此为基础。进一步深入地探讨会发现，综放开采由于存在顶板周期来压不强烈、煤层及其邻近层、围岩的瓦斯含量、围岩的破坏程度、开采压力以及围岩及煤层的应力与透气性等原因造成瓦斯涌出形成自身内在规律，主要参数包括采场瓦斯浓度、涌出量以及工作面风量等。在认清这种规律的基础上，用某种数学模型如微分方程的形式等加以阐述并进行计算机数值模拟，对采取有针对性的技术措施来有效控制与调节瓦斯的涌出，进而改善工作面瓦斯涌出的不均衡状态，减少瓦斯涌出量及其超限的机会，提高工作面安全生产的程度，具有重要的现实意义。本次研究的对象选定为抚

3、顺矿务局老虎台矿55002综放工作面，针对采空区瓦斯涌出的特点，拟对工作面通风负压与工作面采空区瓦斯涌出浓度关系进行数值模拟，以探讨不同通风负压下工作面采空区瓦斯涌出浓度的变化规律，最终为确定通风负压对采空区瓦斯涌出作用机理提供可靠的数据基础。1概况55002工作面位于老虎台井田东部，东西平均走向长度700m，南北宽205m，煤层平均厚度18m。开采标高为-594m～-545m之间。工作面东至老龙煤柱，西至东一号风井，北为55001、63003已采区，南为F7-1断层下盘，上部为54001、54002、55001、63002已采区

4、，下部为四分层夹矸及五分层底板。2综放面采空区瓦斯渗流的数学模型进入采空区的风流大部分经过工作面，部分进入采空区，形成采空区漏风风流。采空区靠近工作面的部分，由于煤壁、支架等的支撑作用，冒落岩石为松散体，尚未压实，岩石之间的空隙较大，风流流速比采空区后部大。采空区深部随着垮落岩体的逐渐压实，漏风流速越来越小。在采动断裂带内，由于其离工作面较高，所以此带内的漏风和瓦斯运移速度都比较小。综上，采空区内的漏风流动状态是由工作面的湍流向采空区深部、采动断裂带的层流过渡的状态。采空区内的气体流动，实际上应包括上述三种流动状态。将采空区视为连

5、续的渗流空间，引入空度因子，忽略各组分气体引起气体密度的改变和紊流效应，运用质量守恒定律和N-S方程，推导得：（1）（2）（3）（4）式中，u，v，w分别为渗流速度在x，y，z方向上的分量，m/s；gx，gy，gz分别为各方向的加速度分量，m/s2；p气体压力，Pa；u为动力粘性系数，kg/(ms)；Fx，Fy，Fz各组分气体流动阻力，，，。C为各组分气体在空隙介质中的阻力系数；SA为各组分气体流的上游面积。采空区各组分气体流动和扩散过程为三维动力弥散过程，其运移主要机制是：对流、机械弥散、分子扩散和煤岩各组分气体相互作用。气体在

6、采空区中运移时，分子扩散效应先对很小，机械弥散起主要作用。根据质量守恒定律及Fick扩散定律，可得出采空区中各组分气体的动力弥散方程：（5）式中，c为采空区内各组分气体的浓度，g/m3；Dij为动力弥散系数的9个分量，m2/s；ui：平均流速向量的分量，m/s；Ic为源汇项，g/(m3s)。3通风负压对采空区瓦斯浓度影响的数值模拟综放面采空区上覆岩层假定为各向同性的多孔介质，以采空区上覆岩层瓦斯渗流数学模型为基础，利用FLUENT软件中的前导软件包GAMBIT建立55002综放面采空区二维网格模型，应用计算流体力学软件FLUENT

7、对综放面采空区通风负压对采空区瓦斯浓度变化的情况进行数值模拟，模拟结果将给出瓦斯浓度分布及变化等情况的数值解及规律，为更好地提出瓦斯治理方案提供理论基础。3.1计算模型根据已知条件建立如图1所示二维模型，其采空区东西走向为500m，南北倾斜长为205m，且在出口隅角处设置风障引导风流。假设采空区高6m，工作面区域高1m。入口500m205m出口工作面采空区图1二维模型示意图3.2边界条件设置采空区为多孔介质区域，层流流动。查阅相关文献知其渗透系数为2.8e-8、孔隙率为固定值0.3，由此在fluent软件中设该区域粘性阻力系数为3

8、.57e5(1/m2)和3.57e7(1/m2)，惯性阻力系数为0（层流流动中可以这样设置）。入口设置为纯空气的速度入口，出口设置为outflow。在多孔介质区域设置连续的纯甲烷源项0.0002004kg/m3·s，换算成风量即588m3/min。