綜采面鄰空煤柱漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象研究

朱帥虎，王金寶

(1.冀中能源集團(tuán) 峰峰集團(tuán)梧桐莊礦，河北 邯鄲 056500；2.冀中能源集團(tuán) 峰峰集團(tuán)通防部，河北 邯鄲 056500)

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綜采面鄰空煤柱漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象研究

朱帥虎1，王金寶2

(1.冀中能源集團(tuán) 峰峰集團(tuán)梧桐莊礦，河北 邯鄲 056500；2.冀中能源集團(tuán) 峰峰集團(tuán)通防部，河北 邯鄲 056500)

針對(duì)綜采面“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象，利用MATLAB中的PDE工具進(jìn)行二維非線性滲流的數(shù)值模擬，同時(shí)分析研究漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象形成的原因，以及漏風(fēng)微循環(huán)對(duì)煤炭自燃的影響。研究表明，“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)微循環(huán)可以導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)相對(duì)壓力和氣體成分的周期性變化，即“采空區(qū)喘息”現(xiàn)象。

鄰空煤柱；漏風(fēng)微循環(huán)；采空區(qū)喘息；防滅火

采空區(qū)是煤炭自燃的重要易發(fā)地點(diǎn)。綜采面與相鄰采空區(qū)間的煤柱受采動(dòng)應(yīng)力的作用而被壓酥破碎時(shí)，在采場(chǎng)漏風(fēng)風(fēng)壓的作用下，一部分風(fēng)流就會(huì)由綜采面后部采空區(qū)經(jīng)破碎煤柱漏入相鄰已采空區(qū)內(nèi)，這種發(fā)生在“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)現(xiàn)象通常被稱為漏風(fēng)微循環(huán)。李宗翔等[1]研究得出了煤柱內(nèi)漏風(fēng)流態(tài)和氧濃度分布的動(dòng)態(tài)變化過程。郭興明等[2]通過研究得出巷道松散煤體內(nèi)的漏風(fēng)流態(tài)為層流，其漏風(fēng)動(dòng)力主要由風(fēng)流沿巷道的壓力降、巷道煤柱兩側(cè)的壓力差、熱力風(fēng)壓、巷道起伏引起的動(dòng)壓差和巷道風(fēng)流的位壓差構(gòu)成。朱紅青等[3]分析了巷道煤柱自燃的特點(diǎn)，并采用數(shù)值模擬研究了巷道煤柱自然火災(zāi)火源點(diǎn)及區(qū)域溫度場(chǎng)分布。上述研究成果雖然得出了煤柱內(nèi)漏風(fēng)流態(tài)及其對(duì)煤體自燃的影響，但并未將采場(chǎng)、鄰空煤柱及采空區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行漏風(fēng)微循環(huán)的研究。本文結(jié)合梧桐莊礦綜采面的生產(chǎn)實(shí)際，利用MATLAB中的PDE工具對(duì)發(fā)生“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”之間的漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象進(jìn)行了二維非線性滲流的數(shù)值模擬，同時(shí)研究分析了漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象形成的原因以及漏風(fēng)微循環(huán)對(duì)煤炭自燃的影響。

1　梧桐莊礦182401綜采面概況

梧桐莊礦于2003年10月投產(chǎn)，礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2mt/a，經(jīng)過2005年擴(kuò)建后，礦井生產(chǎn)能力為2.1mt/a。其中可采煤層為2#層煤，平均厚度3.18 m。礦井在井下四采區(qū)布置有182401采面。該采面回采結(jié)束后，梧桐莊礦又在182401已采空區(qū)附近布置了182403鄰空綜采面。兩區(qū)域以6.2m寬的順槽煤柱相間隔。

182403工作面回采期間，一部分漏風(fēng)風(fēng)流會(huì)由綜采面運(yùn)輸順槽、綜采面后部采空區(qū)，經(jīng)壓酥的鄰空煤柱進(jìn)入182401已采空區(qū)，形成“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)微循環(huán)，如圖1所示。

2　漏風(fēng)微循環(huán)數(shù)值模型的建立

漏風(fēng)流在破碎煤柱內(nèi)的流動(dòng)可以視為氣體在多空隙介質(zhì)中的穩(wěn)定滲流流動(dòng)，可以用多空隙介質(zhì)流體力學(xué)的理論來進(jìn)行鄰空煤柱漏風(fēng)微循環(huán)風(fēng)流結(jié)構(gòu)的研究。對(duì)于流速較低的漏風(fēng)流來說，“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間砕煤多空介質(zhì)的漏風(fēng)風(fēng)流可認(rèn)為服從達(dá)西定律；而綜采面順槽內(nèi)部風(fēng)流速度較大，應(yīng)為紊流流動(dòng)，考慮到漏風(fēng)壓力與遺煤氧化升溫引起的熱風(fēng)壓作用，“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)流場(chǎng)可以用Bachmat[1]提出的非線性滲流方程來描述：

(1)

(2)

式中，p為風(fēng)流壓力；E為多孔介質(zhì)滲透率張量，m2；n為方向向量；g為重力加速度，9.81m/s2；V為風(fēng)流滲流速度，m/s；n為孔隙率；d為平均調(diào)和粒徑；v為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，對(duì)采空區(qū)風(fēng)流，取14.6×10-6m2/s；β為介質(zhì)顆粒形狀系數(shù)；e為多孔介質(zhì)標(biāo)量滲透率，m2。

當(dāng)水平方向的風(fēng)速與層面漏風(fēng)相對(duì)很小，把層面漏風(fēng)簡(jiǎn)化為有限個(gè)源(或匯)后，將“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”風(fēng)流運(yùn)動(dòng)視為二維平面滲流[2-4]。則公式(2)可改寫為：

(3)

或者：

(4)

公式(4)中，第一個(gè)方程兩邊對(duì)y求偏導(dǎo)數(shù)，第二個(gè)方程兩邊對(duì)x求偏導(dǎo)數(shù)后再相減，得：

(5)

對(duì)于二維平面不可壓縮滲流，其流量應(yīng)該守恒，因此滿足方程：

(6)

引入流函數(shù)ψ，有：

(7)

將公式(7)代入公式(5)，得：

(8)

(9)

公式(9)即為二維平面非線性滲流流函數(shù)微分方程。

采用有限元解法求解上述方程即可得到各點(diǎn)處的流函數(shù)ψ值，把ψ值相同的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，就得到漏風(fēng)風(fēng)流的流線。

3　漏風(fēng)微循環(huán)數(shù)值模擬分析

MATLAB中的偏微分方程工具箱(PDEToolbox)為研究和求解空間二維偏微分方程問題提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的環(huán)境[5]。此處即采用PDE求解該二維平面非線性滲流問題。

分析可知，公式(9)為非線性橢圓型方程：

(10)

其中，a(ψ)、f(ψ)=0。求解時(shí)選擇非線性求解器求解。

兩類邊界條件設(shè)置：Dirichlet條件，hψ=r；Neumann條件，n·(c(ψ)ψ)+9ψ=g。

3.1計(jì)算區(qū)域創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際漏風(fēng)情況，將計(jì)算區(qū)域劃分為182403綜采面后部采空區(qū)，煤柱和已采空區(qū)三部分。在PDE中以角點(diǎn)方式或中心方式繪制三個(gè)矩形區(qū)域，如圖2所示。

其中，R1為182403綜采面后部采空區(qū)，R2為間隔煤柱，R3為182401已采空區(qū)。

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行三角形剖分，如圖3所示。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果

選擇非線性求解器求解，繪制流函數(shù)等值線。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖中黑色曲線即為流函數(shù)等值線，也就是流線。流線清晰得顯示了漏風(fēng)微循環(huán)的漏風(fēng)流場(chǎng)中風(fēng)流的分布情況。

4　漏風(fēng)微循環(huán)產(chǎn)生的原因及其對(duì)煤炭自燃的影響

4.1漏風(fēng)微循環(huán)形成的原因

鄰空綜采面與已采空區(qū)間的煤柱在鄰空面回采過程中，受采動(dòng)應(yīng)力影響遭到破壞，部分地段已被壓酥，在綜采面運(yùn)輸順槽與已采空區(qū)之間形成了漏風(fēng)通道，通過該通道產(chǎn)生持續(xù)的漏風(fēng)作用，形成了漏風(fēng)微循環(huán)現(xiàn)象。

生產(chǎn)綜采面通風(fēng)系統(tǒng)壓力分布的波動(dòng)作用：礦井提升設(shè)備占據(jù)部分井筒空間，由于粘性以及氣流對(duì)井巷壁面和提升設(shè)備表面的摩擦作用，使得被排開的空氣不能像在空曠的地方那樣及時(shí)順暢地沿提升設(shè)備周圍流動(dòng)，礦井提升設(shè)備的頻繁升降運(yùn)動(dòng)使井筒內(nèi)產(chǎn)生較大的活塞風(fēng)流和瞬態(tài)變化的井巷壓力，引發(fā)相應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，從而導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓和風(fēng)流的頻繁變化，造成風(fēng)流的脈動(dòng)。

季節(jié)性大氣壓力波動(dòng)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)絕對(duì)靜壓的影響：冬季氣壓要比夏季氣壓高，大氣壓力降低時(shí)，采空區(qū)內(nèi)氣體壓力相對(duì)增高，體積膨脹，采空區(qū)內(nèi)氣體就會(huì)通過鄰空煤柱裂隙漏入綜采面;反之，風(fēng)流則通過漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)。

4.2漏風(fēng)微循環(huán)對(duì)煤炭自燃的影響

(1)采空區(qū)漏風(fēng)

鄰空煤柱遭到破壞后，生產(chǎn)面后部采空區(qū)、鄰空順槽煤柱及鄰近已采空區(qū)三者之間形成了連通漏風(fēng)通路，呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的漏風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。綜采面運(yùn)輸順槽內(nèi)的新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)為遺煤氧化供氧，促進(jìn)氧化過程的發(fā)展，當(dāng)漏風(fēng)條件適宜、蓄熱達(dá)到自燃的程度時(shí)就可能引發(fā)遺煤自燃發(fā)火。在綜采面的生產(chǎn)過程中，采場(chǎng)風(fēng)流經(jīng)過后部采空區(qū)、鄰空壓酥煤柱向鄰近已采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)相當(dāng)嚴(yán)重，當(dāng)該區(qū)域與綜采面后部采空區(qū)“三帶”連通時(shí)，會(huì)給采空區(qū)漏風(fēng)管理和控制造成很大困難。

(2)采空區(qū)喘息現(xiàn)象

“采場(chǎng)后部采空區(qū)-鄰空煤柱-已采空區(qū)”內(nèi)部受地表大氣壓、主扇不穩(wěn)定運(yùn)行、遺煤氧化熱壓及漏風(fēng)微循環(huán)的影響，內(nèi)部漏風(fēng)總量、相對(duì)壓力和氣體成分則會(huì)出現(xiàn)一種近似于周期性變化的喘息現(xiàn)象，稱為“采空區(qū)喘息現(xiàn)象”。

梧桐莊礦在生產(chǎn)過程中通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了182401工作面采空區(qū)發(fā)生“采空區(qū)喘息現(xiàn)象”時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1和圖5所示。

采空區(qū)出現(xiàn)這種“喘息現(xiàn)象”的原因主要有：采空區(qū)有自燃傾向性的遺煤與漏風(fēng)流中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)后溫度升高，致使空氣密度減小、體積膨脹，促使采空區(qū)氣壓向壓力增大的正壓方向發(fā)展[6]，當(dāng)采空區(qū)空氣壓力大于巷道內(nèi)通風(fēng)壓力時(shí)，采空區(qū)氣體便向井巷中外漏，即“呼氣”；另一方面，隨著采空區(qū)丟煤氧化過程的繼續(xù)，O2濃度迅速減少，當(dāng)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量不能滿足采空區(qū)丟煤氧化所需的O2含量時(shí)，氧化過程停止，溫度下降，壓力下降，采空區(qū)氣壓向負(fù)壓狀態(tài)變化，最終低于井巷通風(fēng)壓力，巷道內(nèi)空氣通過漏風(fēng)風(fēng)道向采空區(qū)緩慢漏入，即“吸氣”，從而使采空區(qū)O2濃度升高，丟煤又開始新的氧化過程，即出現(xiàn)新的丟煤氧化周期。如此周期性的變化，就像人在呼吸一樣，故稱為“采空區(qū)喘息現(xiàn)象”；另外，當(dāng)?shù)乇泶髿鈮毫Πl(fā)生周期性變化，以及主扇不穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，也會(huì)

表1　182401采空區(qū)2～3月份相對(duì)壓力變化情況(-表示采空區(qū)出氣，+表示進(jìn)氣)

造成“采空區(qū)喘息現(xiàn)象”的發(fā)生。

為防止發(fā)生“采空區(qū)喘息現(xiàn)象”，必須做好堵漏風(fēng)與采場(chǎng)均壓調(diào)控方面的技術(shù)工作，從根本上防止因“采空區(qū)喘息”而引發(fā)的遺煤自燃發(fā)火現(xiàn)象。

5　結(jié)論

鄰空煤柱受采動(dòng)應(yīng)力影響遭到破壞，在綜采面和采空區(qū)之間形成了漏風(fēng)通道。部分風(fēng)流由綜采面經(jīng)破碎煤柱進(jìn)入采空區(qū)，形成了“采場(chǎng)-鄰空煤柱-采空區(qū)”間的漏風(fēng)微循環(huán)。漏風(fēng)微循環(huán)會(huì)引起“采空區(qū)喘息”現(xiàn)象并加劇遺煤自燃，給采空區(qū)漏風(fēng)管理和防滅火工作帶來很大困難。

[1]JACOB BEAR.Dynamics of fluids in porous media[M].American：Elsevier Publishing Company，1972.

[2]丁廣驤，邸志乾.二維采空區(qū)非線性滲流流函數(shù)方程及有限元解法[J].煤炭學(xué)報(bào)，1993，18(2)：19-25.

[3]李宗翔.采空區(qū)遺煤自燃過程及其規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(6)：15-19.

[4]劉星魁，杜學(xué)勝，趙新濤.沿空側(cè)煤柱耗氧-升溫的三維數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(9)：1206-1211.

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(責(zé)任編輯王利君)

Research on air leakage micro-circulation in coal pillar near goaf for comprehensive mechanical mining face

ZHU Shuai-hu1,WANG Jin-bao2

(1.Wutongzhuang Coal Mine, Jizhong Energy Fengfeng Group Co.Ltd, Hebei Handan, 056500, China;2.The Department of Ventilation and Fire Prevention, Jizhong Energy Fengfeng Group Co.Ltd., Hebei Handan, 056500, China)

As a two dimensional nonlinear transfusion model, the “stope-neighboring pillars-goaf” micro-circulation phenomenon was numerically simulated with PDE tools in MATLAB. The formation of the phenomenon and its influence on coal spontaneous combustion was also studied. The results show that the “stope-neighboring pillars-goaf” micro-circulation causes the periodic variation of relative pressure and gas composition in mining face goaf, which is called “goaf gasp”. The research gives a theoretical significance for large-area fire prevention and extinguishing.

neighboring pillar, air leakage micro-circulation, goaf gasp, fire prevention and extinguishing

2016-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074168)

朱帥虎(1986-)，男，山東泰安人，博士，安全工程師，從事通風(fēng)與安全方面的研究。

1673-9469(2016)03-0085-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.018

TD713

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