Y型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

任搴華 趙耀江 周家川

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

1 引言

隨著淺部煤炭資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，礦井開(kāi)采強(qiáng)度不斷增大，工作面瓦斯涌出超限已成為了制約煤礦安全生產(chǎn)的瓶頸，而采空區(qū)瓦斯涌出又是工作面瓦斯涌出的主要來(lái)源。在U型通風(fēng)方式下，經(jīng)常會(huì)造成回采工作面和采空區(qū)上隅角瓦斯?jié)舛瘸?，而用Y型通風(fēng)系統(tǒng)能有效地解決回風(fēng)流和上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯?wèn)題。然而，Y型通風(fēng)方式下的采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)為巖體或煤壁，另一側(cè)為沿空巷，會(huì)產(chǎn)生一定量的漏風(fēng)，而采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律對(duì)瓦斯運(yùn)移特征和采空區(qū)遺煤自燃有直接關(guān)系。因而研究Y型通風(fēng)系統(tǒng)下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律有重要意義。

2 采空區(qū)漏風(fēng)阻力定律

2.1 Y型通風(fēng)兩源一匯

Y型通風(fēng)系統(tǒng)有兩進(jìn)一回和一進(jìn)兩回兩種類型，本相似模擬實(shí)驗(yàn)采用兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)系統(tǒng)，在這種通風(fēng)方式下，工作面落煤和煤壁涌出的瓦斯可被主進(jìn)風(fēng)巷新鮮風(fēng)流所稀釋，并利用采空區(qū)沿空留巷向采空區(qū)回風(fēng)道有控制地漏風(fēng)，使采空區(qū)瓦斯從沿空巷直接流入回風(fēng)道，而副進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流主要用于稀釋上隅角瓦斯?jié)舛取Ｔ趦稍匆粎R情況下，源匯之間的壓差決定了漏風(fēng)方向和漏風(fēng)量的大小，而源匯之間的壓差和漏風(fēng)量的大小又決定了采空區(qū)漏風(fēng)的影響范圍，所以改變?cè)磪R之間的壓差就相應(yīng)改變了漏風(fēng)影響的范圍。為防止采空區(qū)遺煤自燃，可以用改變壓差的方式來(lái)控制采空區(qū)的漏風(fēng)方向及漏風(fēng)量，從而抑制煤的氧化升溫。

2.2 漏風(fēng)阻力定律

漏風(fēng)量大小和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)區(qū)段是否易于隔絕是影響采空區(qū)遺煤自燃的兩個(gè)通風(fēng)因素。如果完全消除漏風(fēng)則可以使煤炭無(wú)法自燃，但在日常生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)，而只能通過(guò)減少漏風(fēng)和控制漏風(fēng)量來(lái)防止煤炭自燃。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生漏風(fēng)的條件有兩個(gè)，一是有漏風(fēng)通道的存在，二是兩端必須存在風(fēng)壓差。其漏風(fēng)壓差可由相關(guān)巷道的位能求出，漏風(fēng)量也遵循阻力定律。即：

則：

式中：Δ H——漏風(fēng)通道兩端的壓差，P a；

Ql——漏風(fēng)量，m3／s；

RL——漏風(fēng)通道的風(fēng)阻，N·s2／m8；

m——漏風(fēng)風(fēng)流的流態(tài)指數(shù)。當(dāng)漏風(fēng)的流態(tài)為層流時(shí)，m＝1；紊流時(shí)，m＝2；過(guò)渡流時(shí)，1＜m＜2。

式（2）表明，在漏風(fēng)風(fēng)流的流態(tài)指數(shù)一定時(shí)，漏風(fēng)風(fēng)量與漏風(fēng)通道兩端的壓差成正比，和漏風(fēng)風(fēng)阻的大小成反比。

3 模型的建立

3.1 采空區(qū)實(shí)際尺寸

采空區(qū)走向長(zhǎng)215m，采高2.5m，切眼寬度4.5m，采面長(zhǎng)度200m，頂板垮落高度10m，進(jìn)風(fēng)巷斷面（高×寬）3.8m×2.8m，聯(lián)絡(luò)巷斷面（高×寬）3.8m×2.8m。

3.2 實(shí)驗(yàn)基本假設(shè)

（1）將采空區(qū)內(nèi)瓦斯按理想氣體對(duì)待，煤巖體可假定為多孔介質(zhì)，滲流過(guò)程為等溫過(guò)程。瓦斯在巖體內(nèi)滲流符合達(dá)西定律，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合菲克定律。

（2）本實(shí)驗(yàn)流動(dòng)介質(zhì)為空氣，采空區(qū)風(fēng)流的流動(dòng)為有壓穩(wěn)定流，為保證物理現(xiàn)象、初始條件、邊界條件相似，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮烷g的相似關(guān)系滿足幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似。

（3）采空區(qū)瓦斯分布影響因素主要考慮不同驅(qū)動(dòng)力下漏風(fēng)流場(chǎng)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，為便于分析，本模型考慮在單一驅(qū)動(dòng)力（通風(fēng)壓力）下的采空區(qū)漏風(fēng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

（1）按1︰50的比例，采空區(qū)模型尺寸為4.16m×4.3m×0.2m；區(qū)段巷道尺寸為60mm×80mm，工作面傾斜角度為8°，工作面長(zhǎng)度為4.0m，斷面尺寸為90mm×50mm。

（2）采空區(qū)模型底板及域界用不銹鋼板焊接而成，巷道用方形和圓形不銹鋼管焊接，并且所有連接處采用焊接方式以保證氣密性。

（3）采空區(qū)模型頂部覆蓋8mm厚的有機(jī)玻璃并用玻璃膠密封，用膠布在玻璃上貼上方格網(wǎng)，每個(gè)方格網(wǎng)中間打孔作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在工作面的上、下隅角分別專設(shè)了氣體采樣點(diǎn)，以便于觀測(cè)和分析流動(dòng)情況。測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

（4）在模型底板鋪設(shè)數(shù)條供氣管道以模擬采空區(qū)、工作面和鄰近層的瓦斯涌出，瓦斯涌出量可以通過(guò)閥門調(diào)節(jié)來(lái)控制。

（5）為真實(shí)反應(yīng)采空區(qū)巖體特性，模型采用粒度為1～60mm不等（以便有不同的壓實(shí)特性）的煤礦廢矸破碎后充填采空區(qū)，在模型的“O”形圈內(nèi)和中心壓實(shí)區(qū)分別堆積不同壓實(shí)特性的破碎廢矸以滿足冒落帶的滲透特性。

（6）實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉所有聯(lián)絡(luò)巷閥門，只開(kāi)啟沿走向采空區(qū)深部最后一個(gè)閥門，構(gòu)成“兩進(jìn)一回”Y型通風(fēng)系統(tǒng)。

4 采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

4.1 能位測(cè)定

采空區(qū)周圍漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯的能位關(guān)系可以通過(guò)能位測(cè)定來(lái)確定，并為整個(gè)采空區(qū)的漏風(fēng)流場(chǎng)定性分析提供理論基礎(chǔ)。利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)能位圖也可以方便地分析通風(fēng)系統(tǒng)中相鄰分支點(diǎn)間的壓能關(guān)系，借以判斷其間的漏風(fēng)通道是否存在及可能的漏風(fēng)方向。本實(shí)驗(yàn)在某礦共布置11個(gè)能位測(cè)定點(diǎn)，各點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 能位點(diǎn)布置圖

圖中x軸表示沿傾向距副進(jìn)風(fēng)巷的距離，y軸表示沿走向距工作面的距離。進(jìn)風(fēng)巷口采空區(qū)附近為1號(hào)能位點(diǎn)，副進(jìn)風(fēng)巷口采空區(qū)附近為2號(hào)能位點(diǎn)，采空區(qū)沿空巷與回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)點(diǎn)為11號(hào)能位點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)距近風(fēng)巷側(cè)13m，距工作面13.5m為3號(hào)能位點(diǎn)，為方便起見(jiàn)以下能位點(diǎn)用測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）表示，4號(hào)能位點(diǎn)（13m，40.5m），5號(hào)能位點(diǎn)（13 m，67.5 m），6號(hào)能位點(diǎn)（13 m，94.5 m），7號(hào)能位點(diǎn)（13m，121.5m），8號(hào)能位點(diǎn)（13 m，148.5 m），9號(hào)能位點(diǎn)（13 m，175.5 m），10號(hào)能位點(diǎn)（13m，202.5m）。以1號(hào)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)值，各測(cè)點(diǎn)能位相對(duì)值見(jiàn)圖3。

圖3 各測(cè)點(diǎn)能位圖

從圖3中可以看出：1號(hào)能位點(diǎn)和2號(hào)能位點(diǎn)為兩個(gè)漏風(fēng)源，一個(gè)漏風(fēng)匯，最終在11號(hào)測(cè)點(diǎn)匯合。由于各能位點(diǎn)有壓差，為漏風(fēng)提供了動(dòng)力，在綜采工作面進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)壓最大，而在沿空巷與采空區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)巷出口處風(fēng)壓較小，且呈現(xiàn)向采空區(qū)走向深部遞減趨勢(shì)，由于兩端存在較大的風(fēng)壓梯度，使得風(fēng)流較為集中地從尾巷流出，直接流入沿空巷。同時(shí)1號(hào)能位點(diǎn)和2號(hào)能位點(diǎn)也存在壓差，漏風(fēng)流線有從靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)向靠近回風(fēng)側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，在只考慮漏風(fēng)的影響下沿傾向靠近沿空巷瓦斯?jié)舛容^大。

4.2 示蹤氣體實(shí)驗(yàn)

示蹤技術(shù)是應(yīng)用示蹤劑來(lái)研究氣體（或液體）流動(dòng)的蹤跡及其規(guī)律，特別是對(duì)人員不易到達(dá)地點(diǎn)的氣體流動(dòng)的研究具有獨(dú)特優(yōu)越性。井下實(shí)測(cè)一般采用S F6作為示蹤氣體，本實(shí)驗(yàn)為便于實(shí)施采用彩色煙霧彈作為示蹤氣體，在具體操作時(shí)，先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，待流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后，測(cè)定氣流在采空區(qū)的靜壓、沿工作面全程的風(fēng)量變化、氣流溫度和濕度、大氣壓力、風(fēng)機(jī)靜壓以及巷道內(nèi)壓差和風(fēng)量等相關(guān)參量，待到整個(gè)系統(tǒng)完全穩(wěn)定后將彩色煙霧彈放置風(fēng)流進(jìn)風(fēng)口處，將示蹤氣體釋放，等到示蹤氣體隨風(fēng)流進(jìn)入到采空區(qū)后，用照相機(jī)將示蹤氣體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程及狀態(tài)拍攝下來(lái)。其運(yùn)動(dòng)過(guò)程及狀態(tài)特征照片如圖4所示。

圖4 兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)方式漏風(fēng)示蹤氣體流動(dòng)趨勢(shì)圖

在圖4（a）中，靠右邊為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)一端，靠左邊為回風(fēng)側(cè)，該時(shí)刻所示風(fēng)流有沿工作面傾向流動(dòng)的趨勢(shì)，即向回風(fēng)側(cè)一端流動(dòng)，這是由于下隅角進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)壓較大，上隅角附近風(fēng)壓較小，兩端存在壓差。在圖4（b）中，上端所示為采空區(qū)深部，下端為工作面，從圖中可看出風(fēng)流從主進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)口經(jīng)采空區(qū)有沿工作面走向（采空區(qū)深部）流動(dòng)的趨勢(shì)。因?yàn)榭拷ぷ髅嫣帲òㄉ舷掠缃牵╋L(fēng)壓比沿空巷出口處風(fēng)壓大，再加上副進(jìn)風(fēng)巷向上隅角漏風(fēng)，所以風(fēng)流仍然向采空區(qū)深部流動(dòng)，上隅角瓦斯?jié)舛纫惨虼硕档?。由圖4（c）、4（d）中可明顯看出，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，示蹤氣體所示風(fēng)流沿工作面走向（采空區(qū)深部）流動(dòng)，沿工作面傾向（回風(fēng)側(cè)一端）流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)條件下，由于工作面進(jìn)風(fēng)口處附近和沿空巷出口處附近風(fēng)壓梯度最大，中間壓差梯度小、漏風(fēng)量小，從而形成了兩個(gè)進(jìn)風(fēng)巷向沿空巷的漏風(fēng)通道。

4.3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/h3>

經(jīng)反復(fù)測(cè)定，相似模擬采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊戎祱D見(jiàn)圖5。

從圖5中可以看出：沿工作面走向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛容^大，靠近工作面瓦斯?jié)舛群妥兓容^小，并隨采空區(qū)深度的增加而增加，在162c m處濃度急劇變大，最終到252c m處趨于穩(wěn)定；沿工作面傾向靠近沿空巷瓦斯?jié)舛容^大，并有從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)逐漸增大趨勢(shì)，即漏風(fēng)流線方向與瓦斯?jié)舛忍荻确较蚧疽恢?，因此在壓差和濃度梯度的共同作用下，采空區(qū)瓦斯較均勻地直接流向沿空巷。沿煤層底板豎直向上方向，測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍谀M采空區(qū)的頂端達(dá)到最高值。表1為最頂端測(cè)點(diǎn)組所得瓦斯?jié)舛冉Y(jié)果。

圖5 相似模擬采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊戎祱D

表1 相似模擬采空區(qū)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）通過(guò)采用能位測(cè)定、示蹤實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，分析了采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植甲兓闆r。在兩源一匯的Y型通風(fēng)方式下，風(fēng)流從主進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)口經(jīng)采空區(qū)向沿工作面走向（采空區(qū)深部）流動(dòng)。由于下隅角進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)壓較大，上隅角附近風(fēng)壓較小，兩端存在壓差，風(fēng)流有向沿工作面傾向流動(dòng)的趨勢(shì)，但上隅角風(fēng)壓又比沿空巷出口處風(fēng)壓大，再加上副進(jìn)風(fēng)巷向上隅角漏風(fēng)，所以風(fēng)流總體向采空區(qū)深部流動(dòng)，由于工作面進(jìn)風(fēng)口處附近和沿空巷出口處附近風(fēng)壓梯度最大，中間壓差梯度小，漏風(fēng)量小，從而形成了兩個(gè)進(jìn)風(fēng)巷向沿空巷的漏風(fēng)通道。

（2）如前所述，在兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)方式下，采空區(qū)漏風(fēng)流線指向采空區(qū)內(nèi)部，上隅角瓦斯通過(guò)漏風(fēng)通道流向沿空巷，副進(jìn)風(fēng)巷向采空區(qū)漏風(fēng)又稀釋了上隅角瓦斯?jié)舛?，從而有效地解決了上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。

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