５６ 娥茬斜披 综采支架对采空区漏风及瓦斯分布规律的影响 詹庆超 （兖矿集团东滩煤矿，山东邹城２７３５１２） 摘要 为确定采空区瓦斯浓度与工作面有无支架之间的关系，文中采用数值模拟研究手段，建立工作面有无支架两种 模型，分析了采空区内瓦斯浓度分布及工作面上下隅角瓦斯浓度，研究结果表明，当工作面存在支架时，对采空区内的漏 风量有较大影响，在采空区回风侧，有支架时瓦斯浓度数值模拟结果明显高于无支架时的瓦斯浓度，工作面向采空区漏风 主要影响范围为底部，在采空区回风侧。 关键词 漏风量 支架 瓦斯分布 中图分类号ｘ９３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２８０１．２０１７．０５．０２６ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｎ Ｇｏｂ Ａｉｒ Ｌｅａｋａｇｅ ａｎｄ ｇａｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ Ｚｈａｎ Ｑｉｎｇ－ｃｈａｏ （Ｙａｎｚｈｏｕ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｄｏｎｇｔａｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｚｏｕｃｈｅｎｇ ２７３５ １ ２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏａｆ ａｎｄ ｗｈｅｔｈｅｒ ｏｒ ｎｏｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ—ｏｕｔ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ，ｔｈｅ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏａｆ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ—ｏｕｔ ａｒｅａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｕｐｐｏ￣，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ａｒｅａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｏａｆ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｅａ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏｂ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｉｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｇａｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 采空区瓦斯分布规律主要受工作面漏风的影 工作面与采空区之间有、无支架的物理模型及 响，对于综采＿Ｔ作面，在工作面和采空区之间有综 采支架挡板的隔离，工作面风流仅能通过支架问的 尺寸基本相同，但工作面与采空区之间有支架时， 仅在工作面与采空区交界处加上２２０套支架，每架 宽０．９ｍ，支架与支架之间的空隙为０．１ｍ。 ２有、无综采支架时数值模拟结果分析 应用数值模拟的方法求解各类问题时，均牵涉 空隙漏入采空区。以往数值模拟对于工作面和采空 区交界处均看作直接漏风通道，而忽略工作面与采 空区交界处综采支架的影响。本文通过建立有、无 综采支架的采空区数值模型，模拟分析综采支架对 采空区漏风及瓦斯分布规律的影响［１－２］０ 到数值解算稳定性和正确性的判定，仅通过观察各 变量残差图来判断解的稳定与否不可靠，只有当计 ｌ 有、无综采支架时数值模拟物理型的建立 模拟对比工作面与采空区之间有、无综支架两 算区域中的结果保持稳定不变时，才能得到正确的 结果，故需要首先合理的迭代次数ｐ］。 ２．１ 数值模拟迭代次数的合理确定 种情况，需要两种物理模型：工作面与采空区之间 无支架模型、工作面与采空区之间有支架模型。 两种模型的物理尺寸均为：进回风巷长度２０ｍ， 断面为宽４ｍ，高４ｍ；工作面巷道为长２２０ｍ，宽 为了保证解算结果的稳定性与正确，本文选 取采空区计算域中的三个点（２，２，２）、（２，１１０，２）和 （２，２１８，２），通过监测不同迭代次数时这三个点上的 瓦斯浓度变化趋势，确定合理的迭代次数。 对于本节的有、无综采支架两种模型，由两种 ５ｍ，高４ｍ；采空区模型为长３００ｍ，宽２２０ｍ，高 ２０ｍ 模型的网格数量和边界条件设置基本相同，可以推 收稿日期 ２０１７－０２—０７ 作者简介詹庆超，（１９７８．），本科，采矿工程专业毕业。 断出：为了得到可靠的数值解，两种模型所需的迭 ２０１７年第５期 查．媳 京碱技 模型 无支架模型 有支架模型 ５７ 工作面向采空区的漏风量ｍ３／ｍｉｎ 漏风率％ ５７１．２ ４９３．８ １９．０４ １６．４６ 代次数也基本相同，故仅选取无综采支架时的模型 进行解算。无综采支架不同迭代次数时采空区内部 三个点上的瓦斯浓度变化规律如表１所示。 表１迭代不同次数时采空区监测点处瓦斯浓度变化规律 迭代次数 点（２，２，２） 点（２，１１，２） 点（２，２１８，２） ＣＨ４浓度％ ＣＨ 浓度％ ＣＨ 浓度％ １．７９Ｅ．０４ １．７７Ｅ．０４ １．７７Ｅ一０４ １．７７Ｅ．０４ ０．０３９ ０．０４３ ０．０４４ ０．０４４ ２．５１ ４．１１ ４．３５ ４．５４ 表２有、无支架时工作面向采空区的漏风景及漏风率 从表２可以看出，有支架时工作面漏向采空区 的风量为４９３．８ ｍ ／ｍｉｎ，无支架时工作面漏向采空 迭代次数１００次 迭代次数２００次 迭代次数３００次 迭代次数４００次 区的风量为５７１．２ｍ ／ｍｉｎ，二者相差７７．４ｍ ／ａｉｒｎ， 存在较大差别。由此可以看出，综采支架对采空区 漏风量有较大影响。 对于ｕ型通风工作面，向采空区的漏风主要集 中在进风侧下隅角附近区域，且漏风影响主要集中 迭代次数５００次 迭代次数６００次 迭代次数７００次 迭代次数８００次 迭代次数９００次 １．７７Ｅ．０４ １．７７Ｅ．０４ １．７７Ｅ一０４ １．７７Ｅ一０４ １．７７Ｅ一０４ ０．０４６ ０．０４６ ０．０４６ ０．０４６ ０．０４６ ４．４８ ４Ｉ３６ ４．４９ ４．４６ ４．５Ｏ 在采空区靠近工作面的区域，以及靠近底板附近的 采空区下部区域，故选取有、无综采支架时Ｚ＝２ｍ 平面上采空区进风侧Ｙ＝２ｍ线上的漏风速度分布进 行对比，如图１所示。 迭代次数１０００次 １．７７Ｅ．０４ 迭代次数１１００次 迭代次数１２００次 １．７７Ｅ一０４ １．７７Ｅ一０４ ０．０４６ ０．０４６ ０．０４６ ４．６０ ４．４６ ４．５８ 坩米空去ｘ万同／ｍ 迭代次数１３００次 迭代次数１４００次 迭代次数１５００次 １．７７Ｅ．０４ １．７７Ｅ．０４ １．７７Ｅ．０４ ０．０４６ ０．０４６ ０．０４６ ４．６０ ４．４５ ４．５２ 图１ 有、无支架采空区进风侧Ｚ＝２ｍ 截面Ｙ＝２ｍ线上漏风速度分布 通过图１可以看出，当模型中无支架时，在采 空区进风侧初始最大漏风速度达到０．９０ｍ／ｓ，而模型 从表１可以看出，当迭代２００次以后，点（２，２，２） 处的瓦斯浓度不再变化，这是由于采空区进风侧风 流中瓦斯浓度本来就很低的缘觇当迭代５００次以后， 点（２，１１０，２）处的瓦斯浓度基本不再变化；当迭代９００ 次以后，点（２，２１８，２）处的瓦斯浓度基本稳定在４．５０％ 中有支架时，由于支架的阻挡作用，初始最大漏风 速度为０．２８ｍ／ｓ；同时，在采空区进风侧，采空区沿 ｘ方向Ｏ到２０ｍ的区域，无支架时的漏风速度均大 于有支架时的漏风速度。 ２．３ 综采支架对采空区瓦斯分布规律的影响 有、无支架时采空区Ｚ＝２ｍ平面上的瓦斯浓度 图，如图２、图３所示： 左右。依此可知，当迭代次数达到９００次以后，所监 测的三个点上的瓦斯浓度基本保持稳定。 ２．２ 综采支架对工作面向采空区漏风量的影响 根据综采工作面的摩擦阻力系数取值范围， 通过理论计算得到的综采工作面两端压差在 ５３．５～９６．４Ｐａ之间。通过数值模拟得到的工作面两端 压差为：有支架时工作面两端压差为７０ Ｐａ；无支 架时工作面两端压差为６５ Ｐａ。数值模拟得到的工 作面两端压差决定工作面向采空区漏风量。 通过对有、无支架时工作面向采空区的漏风量 和漏风率进行统计，得到两种模型下的工作面向采 空区漏风量及漏风率，见表２。 图２ 无支架时Ｚ＝２ｍ平面上采空区瓦斯浓度图 ５８ 童堪蒺料技 ２０１７年第５期 图３ 有支架时Ｚ＝２ｍ平面上采空区瓦斯浓度图 由图２、图３可以看出，无论有、无支架，采 空区瓦斯浓度分布规律大体相同，沿ｘ，Ｙ方向均 呈逐渐增大的趋势，在进风侧，无支架时深入采空 区１３８ｍ左右瓦斯浓度达到９０％，有支架时深入采 空区１３０ｍ左右瓦斯浓度即达到９０％；但是在采空 区回风侧，有、无支架时采空区靠近上隅角区域均 出现高浓度瓦斯积聚，无支架时瓦斯浓度为５％， 有支架时瓦斯浓度为１０％，二者模拟结果差别较 大。工作面向采空区的漏风影响范围主要在采空区 浅部，为了能够更清晰的分析综采支架对采空区 瓦斯分布规律的影响，选择有、无支架时采空区 Ｙ＝２ｍ、Ｙ＝２ １ ８ｍ线上瓦斯浓度分布规律进行对比， 如图４，５所示。 ４％ ３ ５％ ３％ 芒２ ５％ 谣２％ 壕 １．５％ １％ ０・５％ ０ ２０ ３０ 沿采空区ｘ方向／ｍ 图４有、无支架采空区Ｚ＝２ｍ平面上 Ｙ＝２ｍ线上瓦斯浓度 沿采空区ｘ方向／ｍ 图５ 有、无支架采空区Ｚ＝２ｍ 平面上Ｙ＝２１８ｍ线上瓦斯浓度 由图４可以看出，在采空区Ｙ＝２ｍ线上前 ２０ｍ，有无支架时瓦斯浓度无明显差别，而在 Ｙ＝２ｍ线２０ｍ以后，有支架时瓦斯浓度略高于无支 架时瓦斯浓度，这是因为Ｙ＝２ｍ线位于工作面新鲜 风流漏向采空区区域，风流中瓦斯浓度较低且差别 不大；由图５可以看出，在采空区Ｙ＝２１８ｍ线卜，架架 支支 无有 ＿ｌ一 有支架时瓦斯浓度明显高于无支架时的瓦斯浓度， 原因在于有支架时工作面向采空区的漏风较少，在 相同瓦斯涌出量的情况下，有支架时漏风对瓦斯的 稀释作用较弱。 采空区同时存在着空气和瓦斯两种气体，由于 瓦斯密度较小，在重力作用下会向采空区顶部运移， 由前面分析可知，有、无支架时工作面向采空区的 漏风对采空区进风侧瓦斯分布影响较小，对采空区 回风侧瓦斯分布影响较大，这里仅选取有、无支架 时沿Ｙ方向采空区回风侧Ｙ＝２１８ｍ剖面的瓦斯分布 ～ 规律，如图６、图７所示： ２０ ０ ｉ １０ ５０ ｌＯ０ ｌ５０ ２０ｏ ２５０ ３００ Ｘ／ｍ 图６ 无支架时Ｙ＝２１ ８ｍ截面上瓦斯浓度图 ２Ｏ ￡ 、 ０ 一——— ——— 高 ５０ ２０Ｏ ２５０ ３００ Ｘ／ｍ 图７ 有支架时Ｙ＝２１８ｍ截面上瓦斯分布图 有、无支架时两种模型空区瓦斯涌出量相同， 由于有支架时Ｔ作面漏入采空区风量较少，则与无 支架时相比漏风影响范围小，漏风对瓦斯的稀释作 用较弱，由图６，图７可以看出：有、无支架时， 采空区瓦斯在ｚ方向均出现明显的分层现象，且沿 ｚ方向具有逐渐增高的趋势，采空区中上部高浓度 瓦斯分布规律差别不大，但在采空区回风侧底板附 近，有支架时瓦斯浓度明显高于无支架时的瓦斯浓 度【５】。 ３ 结论 （１）无支架时工作面向采空区的漏风量为 ５７１．２ｍ ／ｍｉｎ，明显大于有支架时工作面向采空区的 漏风量４９３．８ｍ ／ｍｉｎ，二者相差７７．４ｍ ／ｍｉｎ，可见 工作面向采空区的漏风量数值模拟结果存在较大差 别。 （２）综采支架对采空区进风侧的瓦斯浓度模 拟结果影响较小，但在采空区回风侧，有支架时瓦 斯浓度数值模拟结果明显高于无支架时的瓦斯浓度 模拟结果。 （３）工作面向采空区漏风主要影响范围为底 部，在采空区回风侧，有支架时靠近底板处的瓦斯 浓度更高，而在采空区上部高瓦斯浓度差别不大。 （下转第６１页） 年第５期 呈边阻步 黜 姗隈 出分升 个风耐 ～支高 扩渐逐大阻 低某步 于大 扩 一童 茬斜技 那 翌 角联 望络总风阻依附其分支风阻的升高而 总风阻跟着 ０ 在实际降阻优化 骺佃 后固 又定 渐 ，缩那托 逐值 减么 嘲 ‰阻 依升 ，量 竺旦霉苎适宜缩减角联分支风 某 孽羹筌 完 尊减其总相反则能够经过适主弃 阻力。从而得 二 、力 孝詈角联分支风阻来到 雪 目 ，如果角联分支风阻 美 ，分支风阻来达到降阻的孥 整（升高或缩减） 紧 目的 … 附高 如其而 果风逐 篓 誓 要统降阻优化分析能够得知，角联网 苎分支风阻的升高嫠 篓后 高的现象角联分支 顺 Ｖ￣ＬＬ Ｉ 细Ｈ，， 竺运 适 角联分支风阻低于 ≤ 竺 升高角联分支风阻某 了经过凋整（升 角 警最小风阻依附边缘赢 茜升 妻 曼坡底矿通风阻来达到降阻的目的的 淼 系统降阻提供了科学依 ’怂 ［２］ 彭云赵伏军．矿井通风系统降阻优化及综合，…评 【ｒＪＴＪ＿１矿业工程研究［３］ 王振ｒ ］ ，２０１４（３）：２５．２９潘强．某煤矿中央风井通风系统降阻竹 ，． 。４ 量 ［Ｊ】，西部探矿工程，２０１３（１）：】５５．１５６＋ｌ５８． 辆成，周西华’等．矿井通风系 ，降 调节经济性分析［Ｊ】辽宁工程技术 ．学报（自然科学版），、 一… ２０１５（３）：３２３．３２８．冤［Ｄ］・北京：首都经济贸易大学竺篓军－大安山煤矿通风系统安全检测与优化研 ’ ，３ 降阻优化分析 在很大程度上非常有用的缩减角 翮 ２ｏ１Ｏ． ． 女兴 霉矿通风系统优化与改造［Ｄ】．西 ：西安科技大举２Ｏ１， ’ 簧网络总风阻；如果角联分支风阻 ； 上接第５８页） 参考文献Ｊ 诗 ：西安科技大学系统灵敏度分析及应用２０１１． ，［Ｄ］．西 。 一一～ ［２］ ¨ 兰采工作面采空区瓦斯运移规律及其应 ｆ ３］ 用［Ｄ】・阜新：辽宁工程技术大学…一 。ｊ ，２Ｏ０２．