斜溝礦U型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)影響因素研究

高巖

摘 要：本文針對(duì)斜溝礦U型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象展開(kāi)研究，詳細(xì)解釋了U型通風(fēng)工作面采空區(qū)擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)域和微流動(dòng)區(qū)域的特征及影響因素，同時(shí)，借助Surfer8.0軟件中的空間插值法將大量離散型數(shù)據(jù)進(jìn)行插值法計(jì)算，使得數(shù)據(jù)在空間上具有相關(guān)性，隨后進(jìn)行建模處理，得到采空區(qū)漏風(fēng)主要分為上隅角漏風(fēng)區(qū)、下隅角漏風(fēng)區(qū)和支架后漏風(fēng)區(qū)三個(gè)區(qū)，下隅角漏風(fēng)和支架后漏風(fēng)對(duì)生產(chǎn)影響較小，上隅角漏風(fēng)造成的煤體自燃會(huì)嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：U型通風(fēng)工作面;漏風(fēng);因素研究

目前，因?yàn)閁型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)引起的煤炭自燃造成生產(chǎn)的停滯的事故屢屢發(fā)生，針對(duì)此現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已有研究，朱紅青等利用FLUENT軟件研究了漏風(fēng)引起的煤自燃耗氧及升溫規(guī)律，得到煤柱完整的情況下，因?yàn)轫斆貉鯕鉂舛瘸渥?，煤有自燃傾向，改變漏風(fēng)強(qiáng)度后，可以散熱作用下降，煤的自燃傾向也降低[1]，李宗翔等基于滲流方程和氣體擴(kuò)散方程建立了氣體移動(dòng)彌散數(shù)值模型，模擬結(jié)果顯示抽放流量后，采空區(qū)的氣體涌出量呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)趨勢(shì)，同時(shí)給出抽放流量的表達(dá)式[2]。本文結(jié)合已有學(xué)者的研究，基于Surfer8.0軟件中的算法，對(duì)斜溝礦采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行了模擬，并對(duì)漏風(fēng)區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，試驗(yàn)結(jié)果可供后續(xù)研究參考。

1 工作面采空區(qū)流動(dòng)特征及影響因素

工作面采空區(qū)漏風(fēng)是遺煤自燃以瓦斯突出的主要原因之一，針對(duì)采空區(qū)瓦斯含量高的現(xiàn)象，利用高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行高效的抽采，高壓力雖然解決了瓦斯含量高的現(xiàn)象，但是高負(fù)壓造成的巨大壓力差也致使漏風(fēng)量的增加，漏風(fēng)量的增加間接的為遺煤自燃提供了充足的氧氣環(huán)境。目前，工作面通風(fēng)U型通風(fēng)占據(jù)主流，因此，對(duì)于U型通風(fēng)方式下工作面各區(qū)域的流動(dòng)特征及影響因素的研究就顯得非常必要。

通風(fēng)工作面采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域的劃分如圖1所示，在高壓力的作用下，風(fēng)流首先經(jīng)過(guò)工作面，因?yàn)楣ぷ髅婢嚯x通風(fēng)設(shè)備近且通風(fēng)阻力小，因此工作面區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速最大，此區(qū)域稱為擴(kuò)散流動(dòng)區(qū);因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板的及時(shí)垮落，采空區(qū)通風(fēng)工作阻力大，風(fēng)量經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)，能量有所減少，因此采空區(qū)域內(nèi)的風(fēng)量能量低，此區(qū)域?yàn)槲⒘鲃?dòng)區(qū)。擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)量主要受到進(jìn)風(fēng)巷的壓力以及采空區(qū)是否壓密因素的影響，進(jìn)風(fēng)巷壓力越大，對(duì)應(yīng)工作面的風(fēng)量也會(huì)增加，如若采空區(qū)密實(shí)，風(fēng)量損失率下降，流過(guò)回風(fēng)巷道的風(fēng)量降低;微流動(dòng)區(qū)域主要受到工作面壓力差的影響，因?yàn)橥L(fēng)效果的不穩(wěn)定性，造成工作面通風(fēng)壓力的差異，因此采空區(qū)出現(xiàn)微流動(dòng)，氣體微流動(dòng)可用方程1表示：

p1、p 2為氣體在A、B兩點(diǎn)的靜壓，單位為Pa;v1、v2為氣體在A、B兩點(diǎn)的流動(dòng)速度，單位m/s;Z1、Z2為氣體在A、B兩點(diǎn)的位能，單位m;ρ為氣體的密度，單位kg/m3;h1-2為A、B兩點(diǎn)之間的壓頭損失，單位m;從式中可以看出，當(dāng)A、B兩點(diǎn)的靜壓發(fā)生變化時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生微流動(dòng)區(qū)，微流動(dòng)區(qū)的風(fēng)量部分流向采空區(qū)，部分流向工作面。

采空區(qū)氣體的微流動(dòng)受到工作面、采空區(qū)溫度差、濃度差的影響，當(dāng)頂板垮落后，采空區(qū)會(huì)有部分煤遺落在采空區(qū)，在長(zhǎng)時(shí)間的氧化作用下，煤體周圍空氣出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氣體出現(xiàn)微流動(dòng)現(xiàn)象，可用方程2表示氣體密度變化：

式中，ρ為氣體密度，單位kg/m3;氣體壓力用p表示，單位Pa;M 為氣體分子量;R 為氣體常數(shù)，J/（kg·K）;T 為氣體熱力學(xué)溫度，K;濃度差引起的氣體微流動(dòng)主要受到采空區(qū)漏風(fēng)的影響，漏風(fēng)造成氣體形成濃度差，濃度高的氣體會(huì)自動(dòng)流向濃度低的區(qū)域，微流動(dòng)區(qū)域因此形成，當(dāng)漏風(fēng)量非常大時(shí)，微流動(dòng)區(qū)域內(nèi)氣體流速會(huì)隨之增加，流動(dòng)區(qū)域也會(huì)增大。

2 工作面采空區(qū)相似模擬分析

為了進(jìn)一步得到工作面采空區(qū)漏風(fēng)的具體分布情況，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了相似模擬，以斜溝礦U型通風(fēng)為背景，利用Surfer8.0軟件中的空間插值法將大量離散型數(shù)據(jù)進(jìn)行插值法計(jì)算，使得數(shù)據(jù)在空間上具有相關(guān)性，隨后進(jìn)行建模處理，建模過(guò)程中首先進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，得到采空區(qū)氦氣濃度變化云圖2，從圖中可以看出，三角區(qū)氦氣濃度是最高的區(qū)域，且進(jìn)風(fēng)一側(cè)處的濃度最大，進(jìn)風(fēng)側(cè)三角區(qū)因?yàn)槊簩右驗(yàn)檎w結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度下降導(dǎo)致煤層松散度的下降，當(dāng)采空區(qū)達(dá)到72m后，該區(qū)域的氦氣濃度依然可以檢測(cè)到，而回風(fēng)一側(cè)在采空區(qū)達(dá)到43m左右后，氦氣濃度基本為0，因此可以得到，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度也要高于回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度，歸結(jié)原因是上下隅角水平方向漏風(fēng)影響范圍的不同;在支架后方的區(qū)域，圖中黑色區(qū)范圍內(nèi)，氦氣最高濃度達(dá)到接近40%，主要集中于上隅角區(qū)域，在采空區(qū)為10-50m之間，上下隅角范圍內(nèi)的氦氣濃度基本相同，由此可以看出，下隅角漏風(fēng)并未流經(jīng)上隅角區(qū)域，因此，工作面附近有毒有害氣體的含量不會(huì)因此增加，可以正常安全的生產(chǎn);當(dāng)采空區(qū)深度超過(guò)36m時(shí)，氦氣濃度范圍值在18%-20%之間，采空區(qū)內(nèi)地氣體經(jīng)過(guò)上隅角隨后進(jìn)入工作面。

氣體運(yùn)用是基于三維空間實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采空區(qū)高度為9m時(shí)，垂直層面中部氦氣濃度整體高于兩側(cè)的氦氣濃度，且下隅角氦氣濃度略高于上隅角的氦氣濃度，當(dāng)垂直高度達(dá)到50m時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)依然會(huì)影響氣體濃度。

綜合上述分析，采空區(qū)漏風(fēng)主要分為上隅角漏風(fēng)區(qū)、下隅角漏風(fēng)區(qū)和支架后漏風(fēng)區(qū)，上隅角漏風(fēng)區(qū)主要受到上隅角內(nèi)壓力的影響，下隅角漏風(fēng)區(qū)主要因?yàn)槿敲狠^為松散，因此漏風(fēng)量較大，支架后漏風(fēng)區(qū)主要集中在工作面中部及靠上部位，大量的風(fēng)量經(jīng)過(guò)工作面后經(jīng)過(guò)上隅角會(huì)重新返回至工作面。三個(gè)區(qū)域內(nèi)的漏風(fēng)各有不同，其中，上隅角因?yàn)椴擅哼z留殘煤的原因，在充足氧化作用下，極易發(fā)生自燃，因此也最危險(xiǎn)，對(duì)工作面的威脅最大;下隅角漏風(fēng)也會(huì)發(fā)生煤自燃現(xiàn)象，但是因?yàn)槠渚嚯x工作面較遠(yuǎn)，且漏風(fēng)量小，因此可以認(rèn)為控制;支架后漏風(fēng)區(qū)最不易發(fā)生自燃現(xiàn)象，因?yàn)椴擅旱脑?，通風(fēng)效果較好，此區(qū)域內(nèi)的漏風(fēng)強(qiáng)度大于煤自燃極限漏風(fēng)強(qiáng)度，自燃條件達(dá)不到。

3 結(jié)論

①U型通風(fēng)工作面采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域主要分為擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)和微流動(dòng)區(qū)兩部分，擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)量主要受到進(jìn)風(fēng)巷的壓力以及采空區(qū)是否壓密因素的影響，微流動(dòng)區(qū)受工作面壓力差、采空區(qū)溫度差、濃度差等因素的影響;②相似模擬中，得到采空區(qū)漏風(fēng)主要分為上隅角漏風(fēng)區(qū)、下隅角漏風(fēng)區(qū)和支架后漏風(fēng)區(qū)三個(gè)區(qū)。上隅角漏風(fēng)區(qū)為煤自燃提供了充足的氧氣和條件，距離工作面近，對(duì)礦井生產(chǎn)威脅最大，下隅角漏風(fēng)雖然會(huì)造成煤的自燃，但是可以人為控制住，支架后漏風(fēng)不會(huì)為煤自燃提供條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱紅青，劉鵬飛.沿空巷破碎煤體自燃耗氧及升溫特征數(shù)值模擬[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，039（011）：63-66.

[2]李宗翔，孫學(xué)強(qiáng)，賈進(jìn)章.Y形通風(fēng)采空區(qū)自燃與有害氣體排放的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005（06）：110-114.