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摘要：本文结合重庆某矿14211沿空留巷综放工作面实际，结合渗流力学及流体力学理论建立采空区瓦斯运移数学模型，利用FLUENT数值模拟软件模拟得出了沿空留巷综放工作面采空区瓦斯运移分布规律。结果表明：采空区瓦斯浓度沿深度方向呈增大趋势，回风侧瓦斯浓度高于进风侧，上部区域瓦斯浓度高于下部。
关键词：沿空留巷；综放面；瓦斯运移
1沿空留巷综放工作面基本概况
重庆某矿14211沿空留巷综放工作面位于14采区下山东翼下部，上临已回采结束的14191综放工作面阶段煤柱，与14191运输平巷间隔煤柱厚度为3m，采用沿空掘巷的方式进行巷道布置，下临未圈定的14231工作面，东邻14和12采区保护煤柱，西邻14采区下山保护煤柱。工作面平均标高为-17m，工作面走向长度726m，倾斜长度140m，地面平均标高为+550m，平均埋深567m。14211沿空留巷综放工作面采用一进一回的布置方式，以14211运输平巷作为进风巷，以14211回风平巷作为回风巷，工作面所布置巷道均沿煤层底板布置，沿14211运输平巷内错布置一条底板抽放巷，对工作面煤层瓦斯进行采前预抽，实施区域消突的。图1所示为14211沿空留巷综放工作面巷道平面布置示意图。
2 沿空留巷综放工作面采空区瓦斯运移规律数值研究
2.1 边界条件的确定
入口边界：将运输平巷设置为速度入口（Velocity-inlet），供风量1500m3/min，平均风速为2m/s，运输平巷沿空留巷段通过直径为0.8m的风筒提供风量，供风量为750 m3/min，运输平巷内的CH4体积分数为0，O2体积分数为21%，其余为N2。
出口边界：回风平巷设置为自由出口（Out-flow），工作面上隅角设置为压力出口（Press-outlet），负压大小为13kPa。
壁面边界：工作面与采空区相连接的壁面设为内部边界条件（Interior），其余边界设置为墙（Wall），壁面为绝热条件。
瓦斯源项：将回采工作面煤壁、沿空留巷段顶板和下帮煤壁及采空区底板0.4m高度范围内设定为瓦斯质量释放源项，其中，采空区沿空留巷段及回风平巷侧由于不放顶煤，则采空区遗煤厚度为1.1m，采空区瓦斯释放源项遵循沿采空区走向方向呈负指数递减趋势[1]。
2.2 模拟结果分析
（1）沿空留巷综放工作面采空区风流流场分布规律
通过模拟得出了沿空留巷综放工作面采空区流场速度矢量的三维空间分布图，如图2所示。
从图2中可以得知，工作面由运输平巷即进风巷流经整个回采工作面，经回风平巷流出，而漏入采空区内的风流相对较小，在靠近工作面处的风流流速大于采空区深处的风流流速，但并不是呈线性递减规律，这主要是由于采空区内部气体浓度分布不均及采空区覆岩压实程度不同造成的，在采空区内部气体浓度变化较大的区域，其流场速度梯度会有所变化。在高度方向上，在相当于工作面高度范围内的流速大于其上部位置处的流速，且越接近采空区顶部，流速越低。
（2）采空区不同方向上的瓦斯浓度分布规律
①沿空留巷综放工作面采空区三维空间瓦斯浓度分布规律
从图3可以看出，邻近工作面处的采空区瓦斯浓度较低，而越深入采空区其瓦斯浓度越高，且采空区在邻近工作面进风侧的瓦斯浓度低于采空区深部回风侧的瓦斯浓度。
②走向方向上瓦斯浓度分布规律
从图4可以看出，受采空区漏风和矿山压力不同作用程度的影响，随着远离工作面的距离不断增大，采空区后方上覆岩层垮落岩体逐渐被压实，漏入采空区内部的风流逐渐被阻隔，其漏风对瓦斯的影响也随之减小，从而在邻近工作面处的采空区瓦斯浓度小于其深部区域瓦斯浓度，即沿采空区走向方向上分布的自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区内的瓦斯浓度逐渐增高。在邻近工作面处即自然堆积区内，采空区内垮落的岩体受到上覆岩层载荷影响较小，处于应力降低区，孔隙率较大，在工作面漏风的影响下，底板浮煤产生的大量瓦斯将会随漏风流流向采空区深部，从而使得此区域内的瓦斯浓度保持在一个较低的范围内。而随着基本顶的周期垮落，工作面发生周期来压现象，垮落的岩体逐渐承受上覆岩层产生的应力，其孔隙率逐渐减小，工作面处的漏风风流作用减弱，以至于底板浮煤释放的瓦斯一部分被重新带回工作面的回风流中，另一部分滞留在了采空区内。而由于采空区内垮落岩体被重新压实，孔隙率达到最小，此处工作面的漏风流不能够到达采空区深部区域，基于瓦斯自身的升浮和浓度较小的特点，底板浮煤释放的瓦斯将会在此区域产生积聚，从而形成高浓度瓦斯[2]。
③倾斜方向上瓦斯浓度分布规律
从图5可以看出，采空区内瓦斯浓度工作面沿倾斜方向逐渐增高，工作面上隅角处的瓦斯浓度位于3%～6%之间，明显高于下隅角处的瓦斯浓度。由于采空区内的漏风流主要源自于工作面中下部，在下隅角处漏风最为严重，瓦斯浓度较空气质量轻，依靠自身的升浮作用，致使邻近工作面处的采空区瓦斯被漏风流沿工作面倾斜方向运移至回风侧。受主风流方向和此处直接顶不能及时垮落情况的影响，风流在工作面上隅角处易形成附壁涡流区，使处于漏风流中的高浓度瓦斯不断发生旋转，而难以进入主风流中，造成了采空区涌出的高浓度瓦斯在上隅角附近发生循环运动而聚集在附壁涡流区内，在工作面通风负压的作用下易形成工作面上隅角处瓦斯浓度超限现象。另一方面在沿空留巷综放工作面正常通风条件下，工作面运输平巷和回风平巷之间将形成一定的风压差，而上隅角又是采空区瓦斯涌向工作面的必经之道且处于低压区域，从而造成了工作面上隅角处的瓦斯产生局部积聚[3]。
④高度方向上瓦斯浓度分布规律
为了便于分析研究，分别在沿空留巷综放工作面采空区三维空间瓦斯浓度分布云图中截取了几张不同高度处的采空区瓦斯浓度分布云图作为研究对象，即：Z=0.5m（邻近瓦斯源高度处）、1.8m（沿空留巷段观测孔位置处）、5m（冒落带中部）、10m（冒落带与裂隙带临近处）、15m（裂隙带下部位置处）、20m（裂隙带中部位置处）高度处。如图6所示。 从图6中截取的几张不同高度处的云图可以看出，沿高度方向，采空区瓦斯浓度由下至上不断增大，且上部区域扩散范围较下部区域大，即从底板至冒落带的上部，采空区瓦斯浓度呈增大趋势，且变化速度较快，而位于冒落带上部区域，采空区内瓦斯浓度变化较小，基本趋于稳定状态，在Z=0.5m和Z=1.8m距离工作面20m范围内的瓦斯浓度只有12%，而在Z=15m和Z=20m高度处的瓦斯浓度已经达到了24%，距离工作面以外20m的范围，瓦斯浓度迅速增高，在Z=20m高度时的瓦斯浓度已经达到40%，而位于自然堆积区和载荷影响区中间区域的瓦斯浓度高于两侧区域，呈明显的“O”型圈分布。受瓦斯自身的升浮作用及采空区冒落岩体压实程度的影响，采空区底板瓦斯源释放的瓦斯易运移至邻近工作面处的冒落带内，而由于在相当于工作面高度处的采空区漏风流速大于其上部区域，即越接近于采空区顶部，其漏风流速越低，从而导致了采空区上部裂隙带内被风流带走的瓦斯量相对较少，最终形成了采空区上部高浓度瓦斯区域。而由于受煤壁和留巷段砌墙的影响，采空区四周区域内的碎胀系数较中部区域大，瓦斯易于流动，进而产生了中部区域瓦斯浓度较高的现象[4-5]。
3 结论
（1）在高度方向上，在相当于工作面高度范围内的流速大于其上部位置处的流速，且越接近采空区顶部，流速越低。
（2）邻近工作面处的采空区瓦斯浓度较低，而越深入采空区其瓦斯浓度越高，且采空区在邻近工作面进风侧的瓦斯浓度低于采空区深部回风侧的瓦斯浓度。
参考文献
[1] 撒占友，何学秋. 综采工作面上隅角瓦斯分布与积聚处理技术的研究[J]. 矿业安全与环保. 2001， 28（5）： 5-8.
[2] 李铁良，陶玉梅. 己1517160采空区瓦斯运移规律与治理方法[J]. 煤矿安全. 2003， 34（5）： 14-15.
[3] 李诚玉，周西华. 采空区瓦斯运移的数学模型[J]. 矿业快报. 2007（8）： 17-19.
[4] 李晓泉. 采空区瓦斯运移规律研究[J]. 现代矿业. 2009（3）： 68-72.
[5] 张东明，刘见中. 煤矿采空区瓦斯流动分布规律分析[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2003， 14（1）： 81-84.
作者简介：
黎秋云（1974-），男，重庆潼南人，通风工程师，现于重庆市华地工程勘察设计院从事通风、采矿设计工作。
关键词：沿空留巷；综放面；瓦斯运移
1沿空留巷综放工作面基本概况
重庆某矿14211沿空留巷综放工作面位于14采区下山东翼下部，上临已回采结束的14191综放工作面阶段煤柱，与14191运输平巷间隔煤柱厚度为3m，采用沿空掘巷的方式进行巷道布置，下临未圈定的14231工作面，东邻14和12采区保护煤柱，西邻14采区下山保护煤柱。工作面平均标高为-17m，工作面走向长度726m，倾斜长度140m，地面平均标高为+550m，平均埋深567m。14211沿空留巷综放工作面采用一进一回的布置方式，以14211运输平巷作为进风巷，以14211回风平巷作为回风巷，工作面所布置巷道均沿煤层底板布置，沿14211运输平巷内错布置一条底板抽放巷，对工作面煤层瓦斯进行采前预抽，实施区域消突的。图1所示为14211沿空留巷综放工作面巷道平面布置示意图。
2 沿空留巷综放工作面采空区瓦斯运移规律数值研究
2.1 边界条件的确定
入口边界：将运输平巷设置为速度入口（Velocity-inlet），供风量1500m3/min，平均风速为2m/s，运输平巷沿空留巷段通过直径为0.8m的风筒提供风量，供风量为750 m3/min，运输平巷内的CH4体积分数为0，O2体积分数为21%，其余为N2。
出口边界：回风平巷设置为自由出口（Out-flow），工作面上隅角设置为压力出口（Press-outlet），负压大小为13kPa。
壁面边界：工作面与采空区相连接的壁面设为内部边界条件（Interior），其余边界设置为墙（Wall），壁面为绝热条件。
瓦斯源项：将回采工作面煤壁、沿空留巷段顶板和下帮煤壁及采空区底板0.4m高度范围内设定为瓦斯质量释放源项，其中，采空区沿空留巷段及回风平巷侧由于不放顶煤，则采空区遗煤厚度为1.1m，采空区瓦斯释放源项遵循沿采空区走向方向呈负指数递减趋势[1]。
2.2 模拟结果分析
（1）沿空留巷综放工作面采空区风流流场分布规律
通过模拟得出了沿空留巷综放工作面采空区流场速度矢量的三维空间分布图，如图2所示。
从图2中可以得知，工作面由运输平巷即进风巷流经整个回采工作面，经回风平巷流出，而漏入采空区内的风流相对较小，在靠近工作面处的风流流速大于采空区深处的风流流速，但并不是呈线性递减规律，这主要是由于采空区内部气体浓度分布不均及采空区覆岩压实程度不同造成的，在采空区内部气体浓度变化较大的区域，其流场速度梯度会有所变化。在高度方向上，在相当于工作面高度范围内的流速大于其上部位置处的流速，且越接近采空区顶部，流速越低。
（2）采空区不同方向上的瓦斯浓度分布规律
①沿空留巷综放工作面采空区三维空间瓦斯浓度分布规律
从图3可以看出，邻近工作面处的采空区瓦斯浓度较低，而越深入采空区其瓦斯浓度越高，且采空区在邻近工作面进风侧的瓦斯浓度低于采空区深部回风侧的瓦斯浓度。
②走向方向上瓦斯浓度分布规律
从图4可以看出，受采空区漏风和矿山压力不同作用程度的影响，随着远离工作面的距离不断增大，采空区后方上覆岩层垮落岩体逐渐被压实，漏入采空区内部的风流逐渐被阻隔，其漏风对瓦斯的影响也随之减小，从而在邻近工作面处的采空区瓦斯浓度小于其深部区域瓦斯浓度，即沿采空区走向方向上分布的自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区内的瓦斯浓度逐渐增高。在邻近工作面处即自然堆积区内，采空区内垮落的岩体受到上覆岩层载荷影响较小，处于应力降低区，孔隙率较大，在工作面漏风的影响下，底板浮煤产生的大量瓦斯将会随漏风流流向采空区深部，从而使得此区域内的瓦斯浓度保持在一个较低的范围内。而随着基本顶的周期垮落，工作面发生周期来压现象，垮落的岩体逐渐承受上覆岩层产生的应力，其孔隙率逐渐减小，工作面处的漏风风流作用减弱，以至于底板浮煤释放的瓦斯一部分被重新带回工作面的回风流中，另一部分滞留在了采空区内。而由于采空区内垮落岩体被重新压实，孔隙率达到最小，此处工作面的漏风流不能够到达采空区深部区域，基于瓦斯自身的升浮和浓度较小的特点，底板浮煤释放的瓦斯将会在此区域产生积聚，从而形成高浓度瓦斯[2]。
③倾斜方向上瓦斯浓度分布规律
从图5可以看出，采空区内瓦斯浓度工作面沿倾斜方向逐渐增高，工作面上隅角处的瓦斯浓度位于3%～6%之间，明显高于下隅角处的瓦斯浓度。由于采空区内的漏风流主要源自于工作面中下部，在下隅角处漏风最为严重，瓦斯浓度较空气质量轻，依靠自身的升浮作用，致使邻近工作面处的采空区瓦斯被漏风流沿工作面倾斜方向运移至回风侧。受主风流方向和此处直接顶不能及时垮落情况的影响，风流在工作面上隅角处易形成附壁涡流区，使处于漏风流中的高浓度瓦斯不断发生旋转，而难以进入主风流中，造成了采空区涌出的高浓度瓦斯在上隅角附近发生循环运动而聚集在附壁涡流区内，在工作面通风负压的作用下易形成工作面上隅角处瓦斯浓度超限现象。另一方面在沿空留巷综放工作面正常通风条件下，工作面运输平巷和回风平巷之间将形成一定的风压差，而上隅角又是采空区瓦斯涌向工作面的必经之道且处于低压区域，从而造成了工作面上隅角处的瓦斯产生局部积聚[3]。
④高度方向上瓦斯浓度分布规律
为了便于分析研究，分别在沿空留巷综放工作面采空区三维空间瓦斯浓度分布云图中截取了几张不同高度处的采空区瓦斯浓度分布云图作为研究对象，即：Z=0.5m（邻近瓦斯源高度处）、1.8m（沿空留巷段观测孔位置处）、5m（冒落带中部）、10m（冒落带与裂隙带临近处）、15m（裂隙带下部位置处）、20m（裂隙带中部位置处）高度处。如图6所示。 从图6中截取的几张不同高度处的云图可以看出，沿高度方向，采空区瓦斯浓度由下至上不断增大，且上部区域扩散范围较下部区域大，即从底板至冒落带的上部，采空区瓦斯浓度呈增大趋势，且变化速度较快，而位于冒落带上部区域，采空区内瓦斯浓度变化较小，基本趋于稳定状态，在Z=0.5m和Z=1.8m距离工作面20m范围内的瓦斯浓度只有12%，而在Z=15m和Z=20m高度处的瓦斯浓度已经达到了24%，距离工作面以外20m的范围，瓦斯浓度迅速增高，在Z=20m高度时的瓦斯浓度已经达到40%，而位于自然堆积区和载荷影响区中间区域的瓦斯浓度高于两侧区域，呈明显的“O”型圈分布。受瓦斯自身的升浮作用及采空区冒落岩体压实程度的影响，采空区底板瓦斯源释放的瓦斯易运移至邻近工作面处的冒落带内，而由于在相当于工作面高度处的采空区漏风流速大于其上部区域，即越接近于采空区顶部，其漏风流速越低，从而导致了采空区上部裂隙带内被风流带走的瓦斯量相对较少，最终形成了采空区上部高浓度瓦斯区域。而由于受煤壁和留巷段砌墙的影响，采空区四周区域内的碎胀系数较中部区域大，瓦斯易于流动，进而产生了中部区域瓦斯浓度较高的现象[4-5]。
3 结论
（1）在高度方向上，在相当于工作面高度范围内的流速大于其上部位置处的流速，且越接近采空区顶部，流速越低。
（2）邻近工作面处的采空区瓦斯浓度较低，而越深入采空区其瓦斯浓度越高，且采空区在邻近工作面进风侧的瓦斯浓度低于采空区深部回风侧的瓦斯浓度。
参考文献
[1] 撒占友，何学秋. 综采工作面上隅角瓦斯分布与积聚处理技术的研究[J]. 矿业安全与环保. 2001， 28（5）： 5-8.
[2] 李铁良，陶玉梅. 己1517160采空区瓦斯运移规律与治理方法[J]. 煤矿安全. 2003， 34（5）： 14-15.
[3] 李诚玉，周西华. 采空区瓦斯运移的数学模型[J]. 矿业快报. 2007（8）： 17-19.
[4] 李晓泉. 采空区瓦斯运移规律研究[J]. 现代矿业. 2009（3）： 68-72.
[5] 张东明，刘见中. 煤矿采空区瓦斯流动分布规律分析[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2003， 14（1）： 81-84.
作者简介：
黎秋云（1974-），男，重庆潼南人，通风工程师，现于重庆市华地工程勘察设计院从事通风、采矿设计工作。