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中图分类号： X752 文献标识码： A
煤矿采空区上覆岩层结构和移动规律分析
综放工艺在开采高含量瓦斯厚煤层的推广应用中之所以遇到困难，往往是由于综放面上隅角瓦斯易超限，从而被迫断电撤人、中断生产所导致的。上隅角瓦斯的主要来源一是工作面煤壁释放出的瓦斯，二是采煤工作面新采落下來的煤炭中散发出来的瓦斯，三是从采空区涌出的瓦斯，其中采空区涌出瓦斯是主要的来源。由于采动影响在采动断裂带形成的破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连通形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区，这是瓦斯抽采的重点区域。因此，要研究采空区内瓦斯的渗流规律，有必要先研究采空区岩体的垮落特征，按照采场覆岩横向采动特征，将采空区按照自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区在横向进行划分，弄清各区碎胀系数、空隙率的分布特点；研究采空区上覆岩层采动断裂带的高度、碎胀系数及空隙率等特征，以便较全面地分析和研究采空区内空气—瓦斯混合气体在冒落带和采动断裂带内的渗流规律。
采空区瓦斯流场数学模型
研究煤矿采空区内的瓦斯流动情况，建立起瓦斯流场的数学模型，对于认识采空区内瓦斯的真实流动状况以及对于进行数值模拟都有重要的基础意义。垮落带之上的采动断裂带，在存在破断裂隙和离层裂隙相互贯通的同时，煤岩体内的裂隙还会与综放采场和采空区连通。研究瓦斯在采动断裂带内的渗流、升浮和扩散原理，可以为解释采动断裂带是瓦斯聚集带，为其内布置钻孔抽采、巷道排放等瓦斯治理技术提供科学依据。
求解方法的选择
FLUENT提供三种不同的解格式：分离解；隐式耦合解；显式耦合解。三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标量方程（比如：湍流或辐射）。隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。
非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的1.5～2.0倍）。如果必须要耦合求解，但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。
采空区覆岩层二维建模及网格划分
采场相关假设
煤矿采空区不仅设有回风巷、瓦斯尾巷、高抽巷，还有注浆注氮系统，故而在采空区内有很多的因素对瓦斯渗流产生影响，为简便起见本文在数值模拟中忽略以上特殊情况，只考虑采空区漏风情况下对瓦斯分布动态影响。
采空区网格划分
建立采空区进深100m，长为160m的二维模型。进深方向建立为自然堆积区、载荷影响区、采动断裂带。用GAMBIT建立采空区模型
采空区瓦斯渗流数值模拟
建立采空区求解模型
（1）设置Solver（求解器）：选择非耦合求解法、隐式算法、二维空间的定长流动下的状态。保持求解器的默认设置。
（2）设置标准湍流模型：
（3）选择能量方程
设置流体的物理属性
(1) 创建新流体，取名为gas
(2) 瓦斯的物理属性：
Density (密度)：716
Cp(等压比热)：2000
Thermal Conductivity(导热系数)：1.318
Viscosity(动力黏度)：
设置边界条件
（1）设置流体
（2）设置入口inlet1、inlet2 边界条件
（3）设置出口边界条件：将出口给定为自由出流（outflow）
求解并显示计算结果
在FLUENT中对流场进行初始化，设置监视器窗口，监测特殊街面上物理变化，进行迭代计算，最后利用不同颜色显示浓度分布：漏风情况下，分别在方向给定氧气进入速度，根据氧气速度的不同，则采空区瓦斯浓度分部也将不同。
采空区只有漏风情况下，在走向长100m，倾斜长160m的工作面内，当通风量不同时，瓦斯浓度分布也将不同，以下通过数值计算，得不同通风量情况下，气体浓度分布如图1-1～图1-6：
图1-1巷道风量为13.75m2/min时的瓦斯浓度分布图1-2巷道风量为13.75m2/min时的瓦斯浓度分布线
图1-3巷道风量为22.5m2/min时的瓦斯浓度分布 图1-4巷道风量为22.5m2/min时的瓦斯浓度分布线
图1-5巷道风量为31.25m2/min时的瓦斯浓度分布图1-6巷道风量为31.25m2/min时的瓦斯浓度分布线
临近综放面的采空区内，垮落岩体未受或只受到很小的岩石应力影响，因此其空隙空间较大，导致漏风量较大，流经该区的风速也比较大，氧浓度相应较高。区内瓦斯的稀释和运移程度较大，受到风流的冲击和稀释，瓦斯浓度相比较低；随着远离工作面，岩体空隙空间受到压挤，导致漏风量逐渐减小，氧浓度由降低，相对应地，由于漏风的减少，遗煤释放的瓦斯开始聚集，瓦斯浓度逐渐增大。
由于受到矿压的作用程度不同，采空区内自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区的垮落岩体被逐渐压实，其漏风影响也由前向后逐渐降低，而瓦斯浓度则越往采空区进深越高，尤其载荷影响区和压实稳定区的高浓度聚集瓦斯是影响采空区回风瓦斯浓度升高的重要瓦斯源。
结论
本文以前人的研究成果为基础，通过理论分析、FLUENT数值模拟，得到了以下主要结论：
（1）煤层开采后，其上覆岩层由于缺少支撑而垮落，垮落的上覆岩层具有一定的垮落特征，根据破断的程度，采空区垮落岩体在竖直方向上可形成垮落带、采动断裂带和弯曲下沉带，在横向上采空区又形成自然堆积区、载荷影响区和重新压实区。从瓦斯渗流特征来看，采空区采动断裂带及其下的垮落带岩体为关键区域；
（2）基于J.Bear的渗流理论，认为综放采场由于上覆岩层垮落而形成的采动断裂带和垮落带具有渗流力学中描述的多孔介质特征。根据多孔介质空间内气体的渗流特点，给出了渗流—扩散场方程及方程求解时渗流场和浓度场的三类边界条件；
（3）利用数值计算模拟了采空区瓦斯渗流特征。由于受到矿压的作用程度不同，采空区内自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区的垮落岩体被逐渐压实，瓦斯浓度越往采空区进深越高，尤其载荷影响区和压实稳定区的高浓度聚集瓦斯是影响采空区瓦斯浓度升高的重要瓦斯源。
煤矿采空区上覆岩层结构和移动规律分析
综放工艺在开采高含量瓦斯厚煤层的推广应用中之所以遇到困难，往往是由于综放面上隅角瓦斯易超限，从而被迫断电撤人、中断生产所导致的。上隅角瓦斯的主要来源一是工作面煤壁释放出的瓦斯，二是采煤工作面新采落下來的煤炭中散发出来的瓦斯，三是从采空区涌出的瓦斯，其中采空区涌出瓦斯是主要的来源。由于采动影响在采动断裂带形成的破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连通形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区，这是瓦斯抽采的重点区域。因此，要研究采空区内瓦斯的渗流规律，有必要先研究采空区岩体的垮落特征，按照采场覆岩横向采动特征，将采空区按照自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区在横向进行划分，弄清各区碎胀系数、空隙率的分布特点；研究采空区上覆岩层采动断裂带的高度、碎胀系数及空隙率等特征，以便较全面地分析和研究采空区内空气—瓦斯混合气体在冒落带和采动断裂带内的渗流规律。
采空区瓦斯流场数学模型
研究煤矿采空区内的瓦斯流动情况，建立起瓦斯流场的数学模型，对于认识采空区内瓦斯的真实流动状况以及对于进行数值模拟都有重要的基础意义。垮落带之上的采动断裂带，在存在破断裂隙和离层裂隙相互贯通的同时，煤岩体内的裂隙还会与综放采场和采空区连通。研究瓦斯在采动断裂带内的渗流、升浮和扩散原理，可以为解释采动断裂带是瓦斯聚集带，为其内布置钻孔抽采、巷道排放等瓦斯治理技术提供科学依据。
求解方法的选择
FLUENT提供三种不同的解格式：分离解；隐式耦合解；显式耦合解。三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标量方程（比如：湍流或辐射）。隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。
非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的1.5～2.0倍）。如果必须要耦合求解，但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。
采空区覆岩层二维建模及网格划分
采场相关假设
煤矿采空区不仅设有回风巷、瓦斯尾巷、高抽巷，还有注浆注氮系统，故而在采空区内有很多的因素对瓦斯渗流产生影响，为简便起见本文在数值模拟中忽略以上特殊情况，只考虑采空区漏风情况下对瓦斯分布动态影响。
采空区网格划分
建立采空区进深100m，长为160m的二维模型。进深方向建立为自然堆积区、载荷影响区、采动断裂带。用GAMBIT建立采空区模型
采空区瓦斯渗流数值模拟
建立采空区求解模型
（1）设置Solver（求解器）：选择非耦合求解法、隐式算法、二维空间的定长流动下的状态。保持求解器的默认设置。
（2）设置标准湍流模型：
（3）选择能量方程
设置流体的物理属性
(1) 创建新流体，取名为gas
(2) 瓦斯的物理属性：
Density (密度)：716
Cp(等压比热)：2000
Thermal Conductivity(导热系数)：1.318
Viscosity(动力黏度)：
设置边界条件
（1）设置流体
（2）设置入口inlet1、inlet2 边界条件
（3）设置出口边界条件：将出口给定为自由出流（outflow）
求解并显示计算结果
在FLUENT中对流场进行初始化，设置监视器窗口，监测特殊街面上物理变化，进行迭代计算，最后利用不同颜色显示浓度分布：漏风情况下，分别在方向给定氧气进入速度，根据氧气速度的不同，则采空区瓦斯浓度分部也将不同。
采空区只有漏风情况下，在走向长100m，倾斜长160m的工作面内，当通风量不同时，瓦斯浓度分布也将不同，以下通过数值计算，得不同通风量情况下，气体浓度分布如图1-1～图1-6：
图1-1巷道风量为13.75m2/min时的瓦斯浓度分布图1-2巷道风量为13.75m2/min时的瓦斯浓度分布线
图1-3巷道风量为22.5m2/min时的瓦斯浓度分布 图1-4巷道风量为22.5m2/min时的瓦斯浓度分布线
图1-5巷道风量为31.25m2/min时的瓦斯浓度分布图1-6巷道风量为31.25m2/min时的瓦斯浓度分布线
临近综放面的采空区内，垮落岩体未受或只受到很小的岩石应力影响，因此其空隙空间较大，导致漏风量较大，流经该区的风速也比较大，氧浓度相应较高。区内瓦斯的稀释和运移程度较大，受到风流的冲击和稀释，瓦斯浓度相比较低；随着远离工作面，岩体空隙空间受到压挤，导致漏风量逐渐减小，氧浓度由降低，相对应地，由于漏风的减少，遗煤释放的瓦斯开始聚集，瓦斯浓度逐渐增大。
由于受到矿压的作用程度不同，采空区内自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区的垮落岩体被逐渐压实，其漏风影响也由前向后逐渐降低，而瓦斯浓度则越往采空区进深越高，尤其载荷影响区和压实稳定区的高浓度聚集瓦斯是影响采空区回风瓦斯浓度升高的重要瓦斯源。
结论
本文以前人的研究成果为基础，通过理论分析、FLUENT数值模拟，得到了以下主要结论：
（1）煤层开采后，其上覆岩层由于缺少支撑而垮落，垮落的上覆岩层具有一定的垮落特征，根据破断的程度，采空区垮落岩体在竖直方向上可形成垮落带、采动断裂带和弯曲下沉带，在横向上采空区又形成自然堆积区、载荷影响区和重新压实区。从瓦斯渗流特征来看，采空区采动断裂带及其下的垮落带岩体为关键区域；
（2）基于J.Bear的渗流理论，认为综放采场由于上覆岩层垮落而形成的采动断裂带和垮落带具有渗流力学中描述的多孔介质特征。根据多孔介质空间内气体的渗流特点，给出了渗流—扩散场方程及方程求解时渗流场和浓度场的三类边界条件；
（3）利用数值计算模拟了采空区瓦斯渗流特征。由于受到矿压的作用程度不同，采空区内自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区的垮落岩体被逐渐压实，瓦斯浓度越往采空区进深越高，尤其载荷影响区和压实稳定区的高浓度聚集瓦斯是影响采空区瓦斯浓度升高的重要瓦斯源。