瓦斯抽放条件下采空区流场数值模拟
摘要：针对采空区内埋管、瓦斯尾巷、高位瓦斯巷这三种采空区瓦斯治理方法，基于矿井通风理论、多孔介质渗流理论，建立了采空区流场计算模型，通过数值模拟，研究了三种瓦斯抽放方法的抽放效果以及对采空区流场的影
响范围，并为瓦斯抽放过程中的采空区火灾防治提供有效的建议。
关键词：采空区；瓦斯抽放；流场；自然发火；数值模拟
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：
1006-4311（2015）13-0057-02
1 采空区瓦斯分布及运移规律
采空区内风流流动主要分为紊流区、层流区、静止区三个区域。
每个区域空间大小主要由漏入采空区风量的大小、工作面长度、开采高度等因素决定的。
由于采空区内气体流动缓慢，因此混合气体内瓦斯浓度的分布处于一种相对比较稳定的动态平衡状态，其具体表现为采空区瓦斯浓度由工作面向深部以及由底板向顶部冒落带方向上的逐渐增大，因此造成在采空区内存在着一个等瓦斯浓度的曲面梯度[2，3]。
由于在采空区内既有采动空隙，同时存在着原有围岩空
隙，因此瓦斯气体在采空区内的运动主要表现为煤块内解析、低雷诺数流动以及煤岩采动空隙系统内的大雷诺数流动[4]。
在邻近层区域围岩空隙内的气体流动主要是单一的瓦斯气
体流动，而冒落带内则是空气与瓦斯混合气体的流动。
2 采空区流场数学模型
2.1 理想混合气体状态方程
采空区内的混合气体由瓦斯、空气组成，在混合气体中，为方便简历模型，首先假设气体分子没有体积，各分子之间也无作用力，即将其假设为理想气体，由各种理想气体混合在一起所形成的气体即为理想混合气体。
理想混合气体的状态方程：
式中：P为外界绝对压力，Pa；
V为混合气体的体积，m3；
m为混合气体的质量，kg；
M为混合气体的摩尔质量，kg/mol；
R0为普适气体常数，R0=8.31J/（mol?K）；
T为外界绝对温度，K。
2.2 采空区混合气体流动方程
将采空区内空隙视为连续的渗流空间，通过引入空度因子，并忽略各组分气体由于分子质量不同所引起的气体密度变化与紊流效应，然后运用质量守恒定律、N-S方程，推导
可得：
式中：ui、uj为气体渗流速度分量，m/s；
gi为气体加速度分量，m/s2；
p为气体压力，Pa；
μ为运动粘性系数，kg/（m?s）；
Fi为各组分气体的流动阻力，Pa/m，Fi=Ci？籽uuiSAi。
其中Ci为各组分气体在空隙空间内的阻力系数，SAi为各组分气体混合空间的上游面积。
采空区内各组分气体的流动与扩散过程可视为三维动
态弥散过程，主要由机械弥散发挥作用。
根据质量守恒定律和Fick扩散定律，建立采场中混合气体的动力弥散方程：式中：c为采空区内混合气体浓度，g/m3；Di，j为动力弥散系数的九个分量，m2/s；ui为平均流速向量的分量，m/s；Ic为源汇项，g/m3?s。
稳定状态下混合气体的弥散微分方程：
式中：ui为混合气体的流速，它与渗流速度之间的关系式为q=n?ui，其中n为介质孔隙率。
3 采空区风流场数值模拟
3.1 采空区建模及网格划分
模拟实验过程中建立的采空区二维模型具体参数如下：采空区沿走向长度为100m，采煤工作面长度为160m，工作面宽度为8m。
对所建立的二维数值模型进行网格化，网格尺寸为1m×1m，网格总数为17600个。
模拟过程中进风巷
内风速取V入=1.5m/s，模型的出口边界设定为自由出口，同时在采空区内设置了9个监测点，用以检测不同位置出的风流速度。
3.2 采空区流场数值模拟
数值模拟中忽略矿井周期来压等特殊情况，只针对采空区未进行瓦斯治理、采空区设置瓦斯尾巷、瓦斯抽放管、高抽巷时对采空区风流分布的影响，针对不同模拟方案的条件设置如下：
①采空区未进行瓦斯治理模拟中，整个采空区的孔隙率分布视为均匀分布，取n=0.30（下同）。
②采空区设置瓦斯尾巷模拟中，瓦斯尾巷位于采空区回风侧距工作面30m处。
③采空区埋设瓦斯抽放管模拟中，抽放管口位于采空区回风侧距工作面20m处。
④采空区设置瓦斯抽放管模拟中，高抽巷位于采空区回风侧距回风顺槽30m、距工作面30m处。
针对以上四种方案，分别对采空区流场分布情况进行数值模拟，同时监测模拟各方案时9个监测点上的风速大小，记录于表1。
4 结论
①瓦斯尾巷、抽放管、高抽巷都能有效排放采空区瓦斯，其中高抽巷对采空区流场影响范围最大，抽放效果最好；
②实施瓦斯抽放后，采空区风流分布有明显变化，即抽放会影响采空区内部的风流流动，且受抽放口的影响，工作面中后部的采空区风速有变大的趋势，抽放位置距工作面越远，漏风流影响范围越大，从而扩大了对采空区遗煤自然发火影响的区域；
③深部位置的瓦斯抽放导致了采空区漏风范围扩大，为采空区遗煤充分供氧，促使自燃氧化范围扩大，增加了采空区自燃的危险性，这不仅表现在自然发火期的缩短上，也致使自燃高温区范围扩大，因此在制定具体的瓦斯抽放方案时，须制定相应的防止采空区自然发火措施，尤其是针对瓦斯抽放所影响的流场区域须加强管理。
参考文献：
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