大傾角采煤工作面熱害機理分析

辛 嵩，孟祥喜，屈永良，陳興波,2

(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590;2.中國石化河北唐山石油分公司,河北 唐山 063000)

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大傾角采煤工作面熱害機理分析

辛 嵩1，孟祥喜1，屈永良1，陳興波1,2

(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590;2.中國石化河北唐山石油分公司,河北 唐山 063000)

基于理想化的大傾角工作面及采空區(qū)建立二維直角坐標系，結合采煤工作面的溫度分布模型，以微積分的形式，建立大傾角工作面熱風壓模型。在大傾角工作面熱風壓模型的基礎上，結合采空區(qū)熱風壓作用規(guī)律的四個不同階段，以采空區(qū)臨界點、臨界溫度為基礎，推導出采空區(qū)漏風風路風流方向的判定條件。通過對山東某礦3206工作面分析得出：3206工作面處于熱風壓作用的第四個階段，即采空區(qū)內部高溫有害氣體沿漏風風路從工作面上隅角涌入工作面。

大傾角；漏風通道；高溫熱害；熱風壓；采空區(qū)

近年來，隨著煤炭開采深度的增加，大傾角、高地溫等復雜地質條件的采煤工作面越來越多，而且呈現(xiàn)出與普通高溫采煤工作面不同的熱害特點。何滿潮等[1-2]提出我國深部礦井地溫場的三種模式，即線性模式、非線性模式和異常模式，通過室內試驗研究了溫度對深部巖石強度和吸附氣體逸出的影響；并提出了HEMS系統(tǒng)在礦井現(xiàn)場降溫方面的應用對策；楊德源[3]從理論上對礦山熱環(huán)境以及控制措施進行了闡述；衛(wèi)修君[4]對礦山降溫系統(tǒng)設計進行了分析；亓玉棟等[5]對當今煤礦熱害防治現(xiàn)狀做了詳細地闡述。經(jīng)過我國煤炭科技工作者的不懈努力，礦井熱害防治理論取得了長足的進步，并逐漸應用到采煤工作面。從采煤工作面的熱源分析、冷負荷的計算、空冷器的選型及布置方面對采煤工作面的高溫熱害分別進行了研究，這些成果奠定了我國礦井熱害防治理論，尤其是采煤工作面熱害防治的基礎。本課題通過對大傾角采煤工作面熱害問題形成原因的探究，找出大傾角、采煤工作面高溫高濕問題以及采空區(qū)高溫有害氣體涌出問題之間的相互關系及作用規(guī)律，確保大傾角采煤工作面熱害治理方案的應用效果。

1 大傾角高溫采煤工作面熱害特點分析

為運輸方便，節(jié)約電能，采煤工作面運輸平巷水平一般低于軌道平巷，機電設備也多集中在運輸平巷。因此，為最大限度地利用通風對高溫采煤工作面進行高溫治理，降低運輸中煤炭對風流的加熱作用，高溫采煤工作面一般采用下行通風。大傾角采煤工作面由于受煤層賦存條件、采煤工藝等因素的制約，往往具有推進速度慢、采空區(qū)遺煤多、局部自然風壓較大等特點。大傾角高溫采煤工作面熱害特點及形成主要由于煤層傾角大，造成工作面進、回風隅角較大，引起熱風壓大，同時由于采空區(qū)遺煤過多、工作面推進速度較慢、原巖溫度較高，造成采空區(qū)高溫氣體涌出，從而引起礦井熱害。

圖1 下行通風采煤工作面漏風示意圖

Fig.1 Schematic diagram of working downward ventilation air leakage in coal face

當大傾角采煤工作面采用下行通風時，其漏風通路如圖1所示。由于大傾角采煤工作面采空區(qū)遺煤較多，遺煤在漏風風流的氧化作用下，緩慢氧化，放出熱量。采空區(qū)圍巖散熱及遺煤氧化的共同作用，致使采空區(qū)的氣體溫度比采煤工作面內的空氣高。大傾角采煤工作面的突出特點是煤層傾角大，其工作面上、下隅角的垂直距離較大。在密度差與高程差的綜合作用下，便會在工作面風路與采空區(qū)漏風通路之間形成局部的自然風壓。此自然風壓是由于采空區(qū)與工作面之間空氣溫度不同引起的，因此，定義此局部自然風壓為熱風壓。

2 大傾角采煤工作面熱害形成規(guī)律

2.1 熱風壓作用規(guī)律的探究

2.1.1 采煤工作面漏風通道理想化模型的建立

下行通風采煤工作面漏風是連續(xù)的，越靠近采煤工作面，漏風風流風速越大、風路越短；越遠離工作面，漏風風流風速越小，風路越長。如圖2所示，為研究方便，僅列出三條漏風風路示意圖，虛線代表采空區(qū)漏風通路。具體漏風通路的確定，可以采用示蹤技術，目前比較常用的是以SF6為示蹤氣體，確定漏風通路與漏風量[6]。

圖2 漏風通路簡化圖

Fig.2 Simplified diagram leakage pathways

2.1.2 采空區(qū)熱風壓作用規(guī)律

如圖2所示，漏風通路與采煤工作面風路可以看作是并聯(lián)風網(wǎng)。因此，其在遵循風量分配基本規(guī)律(即風量平衡規(guī)律、風壓平衡規(guī)律和阻力定律)的同時，還遵循并聯(lián)風網(wǎng)的網(wǎng)絡特性[7]。以漏風通路3為例，說明采空區(qū)熱風壓的作用規(guī)律。漏風通路3與工作面風路6組成并聯(lián)風網(wǎng)，采空區(qū)漏風通路3與工作面風路6可能由于空氣溫度的不同會引起其密度的不同，進而產(chǎn)生熱風壓，可將采空區(qū)熱風壓的作用規(guī)律分為四個階段，即：熱風壓未形成階段、熱風壓阻礙漏風階段、熱風壓臨界點和漏風風流反向階段。

1) 熱風壓未形成階段

此階段采空區(qū)熱風壓尚未形成，采空區(qū)風路內的風流溫度和密度與采煤工作面一致，則由風量平衡定律、風壓平衡定律、阻力定律以及并聯(lián)風網(wǎng)的通風網(wǎng)絡特性可知：

M5=M3+M6；

(1)

h6=h3；

(2)

(3)

(4)

其中：M—風流質量；hi—i處風路的摩擦阻力(i=1、2、…、6)；R—摩擦風阻；Q—風量；n—漏風風流的流態(tài)指數(shù)，n=1～2；當漏風流態(tài)為紊流時，n=2；過渡流時，1

2) 熱風壓阻礙漏風階段

此階段由于圍巖散熱，煤炭自然氧化等因素的影響，采空區(qū)內部空氣溫度上升，造成采空區(qū)風路3與工作面風路6之間的空氣存在溫度差，進而存在密度差。因此，在漏風通路3中，熱風壓只起到部分通風阻力的作用、阻礙工作面向采空區(qū)漏風，熱風壓用ph熱表示，可知

h6=h3+ph熱。

(5)

3) 熱風壓臨界點

由于采空區(qū)圍巖及煤炭氧化對采空區(qū)空氣的持續(xù)加熱，采空區(qū)風路與工作面風路之間的熱風壓不斷增大，當熱風壓壓力值等于節(jié)點E、F間的通風壓力時，便達到一個臨界值，在此臨界條件下，采空區(qū)漏風通路風量為零，熱風壓完全充當漏風通路2的通風阻力，可知

h6=h3+ph熱=ph熱。

(6)

4) 漏風風流反向階段

當采空區(qū)漏風通路與工作面風路之間的熱風壓超過臨界值時，采空區(qū)漏風通路的風流便會發(fā)生反轉，采空區(qū)內的高溫氣體便會從節(jié)點E流出，并與新鮮風流M5混合后，進入工作面風路6。此階段，熱風壓不僅需要克服節(jié)點E、F之間的壓力差，還需要克服漏風通路2中的通風阻力，可知

ph熱=h3+h6。

(7)

2.2 采空區(qū)熱風壓模型的假設條件

為了簡化問題，便于建立數(shù)學模型，對采煤工作面及采空區(qū)作如下假設：

1) 采空區(qū)為均質各向同性的多孔介質；

2) 采空區(qū)內的熱源只考慮圍巖、煤體散熱以及遺煤自然氧化散熱；工作面內熱源主要有圍巖散熱、運輸中的煤炭散熱，其他熱源的放熱量統(tǒng)一用∑Qm表示；

3) 采空區(qū)內部各空氣成分之間無化學反應。

2.3 大傾角采煤工作面采空區(qū)熱風壓模型的建立

大傾角工作面熱風壓形成的實質是工作面風路與采空區(qū)風路之間由于空氣溫度的不同而形成的一個較大的局部自然風壓[8-9]，即：

H熱=H自；

(8)

H自=gZ(ρ1-ρ2)。

(9)

式中：H—自然風壓；Z—工作面漏風點與匯風點的垂高，Z=Lsinθ，其中L是工作面漏風點與匯風點的直線距離，θ為煤層傾角；g—重力加速度；ρ1—存在熱風壓后，采煤工作面空氣密度;ρ2—采空區(qū)空氣密度。

圖3 工作面、采空區(qū)二維平面直角坐標系

Fig.3Two-dimensionalCartesiancoordinatesystemofworkingfaceandgoaf

2.3.1 熱風壓微分方程

以工作面下隅角為坐標原點，沿煤層走向為X軸(指向采空區(qū)深部為正)，沿煤層傾向向上為Y軸正方向，建立工作面、采空區(qū)二維平面直角坐標系，如圖3所示。

取AD段長度為dy，則對應的BC段長度也為dy，則在A-B-C-D組成的漏風循環(huán)中，熱風壓微分公式為

(10)

2.3.2 熱風壓積分方程

由漏風通道A-B-C-D內形成的熱風壓方程為

(11)

式中：l—采煤工作面AD段的直線距離，m；T1、T2—采煤工作面AD段及采空區(qū)BC段風流平均溫度，K；θ—煤層傾角。

2.3.3 工作面溫度分布模型及采空區(qū)最高溫度

1) 工作面溫度分布模型

采煤工作面的范圍為進風平巷的上隅角至回風平巷的下隅角，假設采煤工作面長度為L，則上隅角坐標為(0，L)，下隅角為(0，0)。工作面的熱源分為三大類：圍巖(煤壁及上下頂板)散熱，采落的煤體、矸石散熱以及其他熱源散熱，熱傳遞方式主要為熱傳導和熱對流。則風流通過采煤工作面時的熱平衡微分方程式為

(12)

dQk=0.002 4mcm(Tr-Twn)(dy)0.8。

(13)

式中：MB—風流的質量流量，kg/s；cp—空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；γ—汽化潛熱，J/kg；d—空氣的含濕量，g/kg；Qgu—圍巖散熱量，W；Qk—運輸中煤炭的散熱量，W；Qm—其他熱源散熱量，W；Kτ—圍巖與風流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，W/(m2·K)；U—風流與工作面接觸的周長，m；Tgu—圍巖溫度，K；m—煤炭及矸石運輸量，kg/s；cm—煤炭或矸石的比熱容，J/(kg·K)，對煤炭來說，cm≈1.25 J/(kg·K)；Tr—運輸中煤炭始點的平均溫度，K，比工作面原始巖溫低4～8℃；Twn—工作面中風流的平均濕球溫度，K。

以工作面上隅角(即x=0，y=L)為積分始點，以工作面任一位置為積分終點，對公式(12)、(13)進行積分得

(14)

式中：l—工作面中點(0，y)到工作面上隅角的直線距離，m，l=L-y；T1—工作面中點(0，y)的風流溫度，K；T0—工作面上隅角風流溫度，K；d1—工作面中點(0，y)的風流含濕量，g/kg；d0—工作面上隅角風流含濕量，g/kg。

工作面溫度T1的表達式為

(15)

2) 采空區(qū)最高溫度

采空區(qū)內部氣體的溫度T2是一個與采空區(qū)位置、時間有關的函數(shù)。經(jīng)分析并結合現(xiàn)場實際情況知：當氣體到達采空區(qū)一定深度、并經(jīng)過一段時間后，采空區(qū)氣體溫度趨于一個穩(wěn)定數(shù)值，該溫度高于采空區(qū)圍巖的原始巖溫。

T2=Tgu×K補。

(16)

表1b，ε′，Pm參數(shù)取值

Tab.1 The parameters ofb，ε′，Pm

風溫/℃bε'Pm井下地面1～1061.9789.3241016.12734.1611～1750.27419.9791459.011053.0818～23144.305-3.7702108.051522.0824～29197.838-8.9883028.412187.8530～35268.328-14.2884281.273105.5536～45393.015-22.9586497.054692.24

式中：Tgu—采空區(qū)冒落巖石及圍巖的原始巖溫，K；K補—采空區(qū)風溫補償系數(shù)，與工作面推進速度、頂板管理方式、漏風風量及煤炭采出率等因素有關，一般采用經(jīng)驗數(shù)值。

2.3.4 大傾角工作面熱風壓模型

如圖3，假設采煤工作面的漏風點為A、坐標為(0，yA)，匯風點為D、坐標為(0，yD)。在A-B-C-D與A-D組成的并聯(lián)風路中的熱風壓可表示為

(17)

式中：T1—AD段風流的平均風溫，可用AD段中點的溫度代替，K。

2.4 大傾角采煤工作面熱風壓臨界條件的分析

2.4.1 采空區(qū)臨界溫度

如圖4所示，為工作面采空區(qū)并聯(lián)風路的示意圖，其中：A點為漏風點，B點為匯風點，實線A-1-B為工作面風路，虛線A-2-B為采空區(qū)風路。

圖4 簡化的并聯(lián)風路

Fig.4Simplifiedparallelairduct

正常條件下，工作面與采空區(qū)漏風通路之間形成的并聯(lián)風路的風流流向如圖4(a)所示，均為下行風；當熱風壓等于漏風節(jié)點AB點的通風壓力時，此點處于最理想狀態(tài)，工作面不向采空區(qū)漏風，采空區(qū)也無高溫有害氣體涌入工作面，如圖4(b)所示；當熱風壓超過漏風節(jié)點AB間的通風壓力時，熱風壓充當采空區(qū)漏風風路中的通風動力，在克服AB點的通風壓力后，還為采空區(qū)漏風風路中的反轉風流提供通風動力，如圖4(c)所示。分析知，當熱風壓正好等于漏風節(jié)點AB間的熱風壓時，狀態(tài)最為理想,此點為臨界點。

2.4.2 臨界溫度公式的推導

(18)

臨界溫度比

(19)

(20)

(21)

由于采煤工作面特征參數(shù)δ為定值，因此，采空區(qū)臨界溫度T臨是一個關于采煤工作面的風量Q1和風流溫度T1的函數(shù)，分別對Q1和T1求偏導數(shù)，可得出T臨與Q1和T1的關系。

1) 采空區(qū)臨界溫度T臨與工作面的風量Q1的關系

(22)

2) 采空區(qū)臨界溫度T臨與采煤工作面風流溫度T1的關系

(23)

2.4.3 不同條件下的氣體運動規(guī)律

1) 采空區(qū)氣體溫度高于工作面風流溫度但低于臨界溫度

(24)

式中ph漏為漏風風壓。

由上式分析知：當采空區(qū)內部氣體溫度低于臨界溫度時，其與工作面組成的并聯(lián)漏風通路中的熱風壓小于采空區(qū)風路風流停滯的臨界值，由于熱風壓的存在，且方向與漏風風流方向相反，熱風壓實質上起到了通風阻力的作用，即漏風風路漏風點與匯風點之間的壓能差降低。

2) 采空區(qū)氣體溫度等于臨界溫度

(25)

此時采空區(qū)內部氣體的溫度等于臨界溫度，其形成的熱風壓等于采空區(qū)風路風流停滯的漏風風壓值，采空區(qū)漏風風路的風流處于停滯狀態(tài)。

3) 采空區(qū)氣體溫度高于臨界溫度

(26)

此時，由于采空區(qū)內部形成的熱風壓大于其漏、匯風點間的壓能差，故采空區(qū)內高溫有害氣體在熱風壓的作用下，在漏風點涌出、與進入工作面的新鮮風流混合后，進入工作面風路。

3 工程應用

3.1 礦井概況

我國山東某礦3206工作面，煤層傾角32°，厚度3.5 m，布置工作面長度180 m，回采長度1 400 m。工作面軌道平巷-700 m，運輸平巷埋深-795 m，采用下行通風方式，進風量為1 852 m3/min，風速2.1 m/s。工作面原始巖溫35.7～38.2 ℃，平均36.95 ℃。經(jīng)過降溫處理后，采煤工作面溫度達到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的28 ℃，經(jīng)測定，工作面上下隅角的壓能差為27 Pa，井下大氣壓力為99 625 Pa。

3.2 3206工作面熱害形成機理及作用規(guī)律分析

1) 3206工作面熱害形成機理分析

3206工作面為大傾角采煤工作面，雖采取了機械制冷降溫措施，工作面高溫高濕問題得到改善，但依然存在采空區(qū)高溫有害氣體涌出問題。經(jīng)現(xiàn)場實際調查，采空區(qū)高溫有害氣體主要由工作面上隅角涌出，涌出風流溫度高達40 ℃。3206工作面空氣溫度在采取降溫措施后，穩(wěn)定在28 ℃左右，工作面上隅角涌出氣體溫度為40 ℃，可基本看作是采空區(qū)內部空氣溫度。因此在工作面與采空區(qū)漏風風路組成的并聯(lián)風路中，風流存在密度差。在大傾角工作面高程差的作用下，形成熱風壓，迫使采空區(qū)漏風風流反向，由工作面上隅角涌出，形成3206工作面采空區(qū)高溫有害氣體涌出的問題。

2) 3206工作面熱風壓作用規(guī)律分析

3206工作面采空區(qū)高溫有害氣體涌出的問題，是熱風壓造成的。根據(jù)現(xiàn)場實際條件可知，3206工作面空氣溫度為28 ℃，工作面上下隅角的壓能差為27 Pa，井下大氣壓力為99 625 Pa，采空區(qū)內部空氣溫度為40 ℃，帶入公式得：T臨=35.72 ℃。

經(jīng)分析可知3206工作面上、下隅角壓能差為28 Pa，故ph熱>h漏。進一步計算可知：KT臨，3206工作面處于熱風壓作用的第四個階段，即：漏風風流反向階段。因此，出現(xiàn)了采空區(qū)內部高溫有害氣體沿漏風風路從工作面上隅角涌入工作面的熱害問題。

4 結論

1) 根據(jù)熱風壓作用規(guī)律，可將采空區(qū)熱風壓的作用過程分為四個階段，即：熱風壓未形成階段、熱風壓阻礙漏風階段、熱風壓臨界點和漏風風流反向階段。

2) 運用建立的大傾角工作面熱風壓模型和采空區(qū)臨界溫度公式對山東某礦3206工作面進行分析。結果表明：3206工作面處于熱風壓作用的漏風風流反向階段，出現(xiàn)了采空區(qū)內部高溫有害氣體沿漏風風路從工作面上隅角涌入工作面的熱害問題。

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(責任編輯：呂海亮)

Mechanism Analysis of Heat Harm in Large Dip Angle Coal Mining Working Face

XIN Song1,MENG Xiangxi1,QU Yongliang1,CHEN Xingbo1，2

(1.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China；2.The Branch of Tangshan Petroleum Company,SINOPEC,Tangshan,Hebei 063000,China)

Under the two-dimensional rectangular coordinate system established in idealized large dip angle working face and goaf,and combined with the temperature distribution model of coal face,a heat wind pressure model of large dip angle working face was set up in the form of calculus.Based on this model and combined with the four different stages of heat wind pressure action law in the goaf,the wind direction judging criteria of air leakage wind path in goaf were deduced from the analysis of the critical point and critical temperature.The analysis of working surface 3206 in a mine in Shandong showed that during the fourth stage of heat wind pressure action,the high temperature and noxious gas inside the goaf went up from the upper corner onto working face 3206 along the air leakage wind path.

large dip angle;air leakage channel;high temperature and heat harm;heat wind pressure;goaf

2016-01-21

國家自然科學青年科學基金項目(51204103)

辛 嵩(1968—),男,山東萊陽人,教授,博士,主要從事礦井通風與降溫方向研究.E-mail:xinsong518@126.com 孟祥喜(1990—),男,山東鄒城人,博士研究生,主要從事礦井通風與降溫方向研究,本文通信作者. E-mail:467717846@qq.com

TD727

A

1672-3767(2016)05-0042-07