基于CFD模型地面钻井抽采对采空区气体浓度场的影响分析

许石青

(贵州大学矿业学院)

我国煤层瓦斯赋存条件复杂，随着开采深度的增加，煤层瓦斯的含量与瓦斯涌出量也不断加大[1-2]。采空区瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要来源之一，约占40%～60%，对于近距离多煤层开采的矿井，其所占比例更高[3]。在高产高效工作面集中化生产、放顶煤开采技术普遍应用，为煤炭企业带来经济效益的同时，也加大了采空区瓦斯的涌出强度，瓦斯涌出量增大，瓦斯危险源的治理将是井下安全生产长期面临的问题[4-7]。

随着理论研究的深入和抽采技术的发展完善，近年来，国内外在瓦斯治理技术上都有了很大突破，并且在工程实践中也取得了很好地效果，如法国、波兰等国家运用压风引射器、小型气动风机很好地解决了上隅角积聚的瓦斯[8-9]。瓦斯抽采技术在结合CFD等计算流体力学工具的使用上也有了很大的发展，尤其在地面钻井抽采卸压采空区瓦斯方面[10-11]。近年来，我国在煤层瓦斯运移规律及煤氧化特征的理论、实验和现场应用等方面取得了很大的进展[12]。本文选用某矿5#煤层的保护层开采工作面作为研究对象，基于目前实施的地面钻井瓦斯抽采方式，通过建立三维模型进行数值模拟，以更加深入了解工作面采空区瓦斯流动特征及分布规律，为现场采空区瓦斯治理工作提供一定的参考。

1 工作面概况及模型的建立

1102工作面为某高瓦斯矿井5#煤层开采保护层所实施，其走向长约800 m，面宽180 m。该面区域煤层赋存稳定，结构简单，煤层倾角平均约6°。为了有助于解决1102工作面采空区瓦斯治理的效果，分别研究不同地面钻井布置对采空区瓦斯、氧气浓度场的影响。2种钻井布置方式为单个地面钻井(模型一)和双联合地面钻井(模型二)，见图1。依据综采面的实际几何尺寸，建立了采空区三维CFD模型，并将模型划分为六面体网格，在靠近工作面及重点关注的区域内进行了网格加密，划分网格后的三维模型所包含的单元格数量约350 000个。模型计算边界条件为进回风巷分别为流场的进出口，工作面和采空区为流体流动范围。根据该工作面实际的工程资料及地质环境，模型所用参数见表1。

图1 采空区几何模型

模型工作面尺寸/m长宽高巷道尺寸/m宽高煤层倾角/(°)U型通风系统风量/(m3/min)瓦斯涌出量/(m3/min)CH4气体组分/%一5402003.54362 88020～45100二8402003.54362 88020～45100

2 无地面钻井抽采气体浓度场分布规律

1102工作面采空区在地面钻孔未抽采时的氧气及CH4浓度分布分别见图2、图3。

图2 氧气浓度场分布

图3 瓦斯浓度场分布

从图2可以看出，工作面进风侧氧气大量进入采空区，远远大于回风侧氧气渗透范围。在进风侧，距工作面170 m处的采空区内部氧气浓度仍高达6%。同时，在回风侧，距工作面70 m处的采空区内部氧气浓度也仍然较高。此外，受工作面风压影响，氧气分布沿采空区走向有明显的分离过度带，且向回风侧运移、汇集。

由图3可看出，在远离工作面的采空区深部区域积聚着大量高浓度瓦斯，且在进回风两侧呈现出有规律地分布。也发现瓦斯主要从回风巷上隅角涌出，这也是U型通风一源一汇的特点与瓦斯治理难点。离工作面越远的采空区内部区域瓦斯浓度越大，这可解释为因采空区深部岩层垮落后被渐渐压实，其孔隙率与渗透率都远低于近工作面区域，瓦斯及氧气双方渗流速度均较慢，导致瓦斯大量积聚，形成瓦斯源。而当顶板垮落来压时，在采空区内积存的大量瓦斯会在来压的冲击力作用下从裂隙带等位置向工作面迅速涌出，导致工作面瓦斯超限，如果此时遇到火花就极易引起瓦斯爆炸事故而造成伤亡与损失。可见采空区内积聚的瓦斯随时可能对井下劳动人员的生命构成威胁，完善采空区瓦斯抽采与治理的措施对工作面安全掘进至关重要。

3 地面钻井抽采气体浓度场分布规律

按照工作面开采不同时间段，分别模拟单钻井与联合钻井抽采条件下采空区瓦斯、氧气等流场的运移规律。

3.1 单个地面钻井抽采气体浓度场分布规律

单个地面钻井抽采瓦斯浓度分布见图4。工作面推进500 m时，由单个地面钻井抽采与未抽采时的瓦斯浓度场分布对比可以看出，采空区距工作面相同位置处，实施瓦斯抽采措施可使采空区内部瓦斯浓度大幅降低。同时，随着抽采流量的增加，采空区内部瓦斯浓度发生明显的降低。且在靠近抽采钻孔C1附近区域瓦斯浓度改善最为显著。

图4 单个地面钻井抽采瓦斯浓度场分布

单个地面钻井抽采采空区氧气场浓度分布见图5。可以看出，实施地面钻井抽采会加大采空区内部氧气浓度，尤其是靠近进风侧。和图4相比，当地面钻孔抽采时，采空区内部氧气浓度高的地方瓦斯浓度低，而瓦斯浓度高的地方氧气浓度低。随着抽采流量的加大，氧气浓度向采空区深部渗入区域加大，在采空区进风侧与开切眼位置等高渗透区域氧气浓度增加明显。这表明地面井抽采会加大采空区内部富氧带范围，对于易自燃煤层，应密切关注采空区深部自燃状态的发展。

图5 单个地面钻井抽采氧气浓度场分布

3.2 联合地面钻井抽采气体浓度场分布规律

在布置C1与C2钻井的基础上，模拟地面钻井联合抽采情况时不同抽采流量对于采空区气体分布、运移的影响。

联合地面钻井抽采瓦斯浓度场分布见图6。可知，双钻井抽采时，采空区内整体瓦斯都有很好的治理效果。随着抽采流量(12～24 m3/min)的增加，采空区瓦斯浓度降低的范围也在变大。近工作面钻井C2很好地治理了流向工作面及上隅角的瓦斯，而C1钻井则可有效地抽采和稀释采空区深部瓦斯源。为更好地治理采空区整体的瓦斯，钻井间布置距离应分布合理。

图6 联合地面钻井抽采瓦斯浓度场分布

联合地面钻井抽采氧气浓度场分布及测点布置见图7。可知，随抽采流量从12m3/min增加至24 m3/min的过程中，在通风风压及抽采负压的作用下，氧气更容易沿着进风侧及开切眼处进入采空区，增加富氧范围。为更进一步清楚采空区氧浓度变化规律，在距回风侧80，120，170m处分别布置一个氧气浓度监测点，观察不同抽采流量(6，12，18及24 m3/min)对于不同位置处氧气浓度分布的影响，见图8。

图7 联合地面钻井抽采氧气浓度场分布及测点布置示意

图8 监测点氧气浓度变化曲线

从图8可以看出，随着钻井抽采流量从6 m3/min 增加至24 m3/min过程中，监测点1、2、3处的氧气浓度也在同步增加。在相同的抽采流量下从工作面进风侧到工作面回风侧，氧气的浓度依次减少。 同时，随着钻井抽采流量的增大，靠近工作面回风侧的监测点氧气浓度变化速度更快。表明对比进风侧而言，地面井抽采会对回风侧产生更大的自燃威胁。因此，对于易自燃煤层地面井抽采瓦斯，应控制其抽采流量，同时密切监视回风侧气体的CO等气体浓度变化，并制定相应的防火措施。

4 结 论

(1)未实施地面钻孔抽采时，靠近工作面侧瓦斯浓度较低，氧气浓度较高，随着往采空区深部距离的增加，瓦斯浓度逐渐升高，氧气浓度逐渐降低，且采空区内部靠近回风巷道侧的瓦斯浓度要高于进风巷道侧的瓦斯浓度。

(2)钻井抽采瓦斯会增加采空区富氧带范围，各监测点氧气浓度会随着瓦斯抽采流量的增加而增大。且随着抽采流量的增加，靠近回风侧的监测点氧气浓度增长速度更快。

(3)联合钻井抽采会在采空区内部形成较为均匀分布的低压区，不但有效降低采空区瓦斯浓度，同时也并未因漏风及抽采负压的存在增大富氧带范围。与单井抽采相比，对于大走向采空区，联合钻井抽采可以合理地分配抽采能力，最大化地抽采出卸压瓦斯。