自然風(fēng)壓作用下工作面采空區(qū)漏風(fēng)特征研究

劉昆輪， 常博， 馬祖杰， 王剛

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司， 新疆 烏魯木齊 830001；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引言

自然風(fēng)壓是影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)的重要因素[1-3]。掌握礦井自然風(fēng)壓變化規(guī)律，研究自然風(fēng)壓作用下工作面漏風(fēng)特征，減少由自然風(fēng)壓變化引起的工作面后方采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)于礦井災(zāi)害防治具有重要意義[4-6]。目前國(guó)內(nèi)煤礦根據(jù)所在區(qū)域主要分為2種情況：東部老礦區(qū)氣候波動(dòng)小、礦井阻力大，已進(jìn)入深部開采時(shí)期，這些礦井的自然風(fēng)壓數(shù)值較大；西部新建礦井產(chǎn)量大、開采深度較小、礦井風(fēng)量大，但井巷斷面大、礦井總阻力較小，礦區(qū)為大陸性氣候，空氣干燥、晝夜溫差大、四季氣溫波動(dòng)明顯。雖然西部礦井的自然風(fēng)壓值略小于東部的千米深井，但其在礦井總負(fù)壓中的占比不可忽視。西部(特別是新疆地區(qū))礦井大氣壓波動(dòng)劇烈，大氣壓變化直接改變進(jìn)風(fēng)井空氣密度，但回風(fēng)井空氣密度變化較慢，導(dǎo)致進(jìn)回風(fēng)井空氣密度差異加大，從而造成自然風(fēng)壓數(shù)值急劇變化；同時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)中各點(diǎn)空氣密度、風(fēng)量發(fā)生變化，采空區(qū)內(nèi)外壓能差加大，采空區(qū)呼吸現(xiàn)象加劇，威脅礦井安全生產(chǎn)。

目前關(guān)于礦井自然風(fēng)壓的基礎(chǔ)理論研究較多，但對(duì)礦井自然風(fēng)壓造成的不利影響及其治理的研究與實(shí)際應(yīng)用較少。趙文彬等[7]通過建立漏風(fēng)模型分析采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，金毅等[8]通過分析礦井中瓦斯?jié)舛鹊淖兓芯看髿鈮鹤兓瘜?duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，但均未就實(shí)際情況下自然風(fēng)壓直接影響的采空區(qū)漏風(fēng)情況進(jìn)行詳細(xì)闡述和定量研究。

本文以神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦為例，對(duì)自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及由于其變化導(dǎo)致的工作面進(jìn)風(fēng)量改變情況進(jìn)行了分析；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和曲線擬合方法，對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究；指出改變進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量可達(dá)到減弱采空區(qū)漏風(fēng)的目的，為烏東煤礦對(duì)自然風(fēng)壓的合理控制和利用、提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性、降低采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成的不利影響提供了參考。

1 礦井概況

烏東煤礦礦區(qū)為大陸性干旱-半干旱氣候，本區(qū)夏冬氣候特征分明，降水量少，蒸發(fā)旺盛，氣溫差日、年變化大。烏東煤礦主采煤層為急傾斜特厚煤層，集中分布在礦區(qū)南北兩端。礦井整體設(shè)計(jì)為一礦兩井結(jié)構(gòu)，其中北區(qū)由標(biāo)高為+740 m的主斜井、副斜井(北)進(jìn)風(fēng)，標(biāo)高為+763 m的回風(fēng)立井(北)回風(fēng)；南區(qū)由標(biāo)高均為+800 m的副立井、副斜井(南)進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井(南)回風(fēng)。南區(qū)及北區(qū)由+400 m水平軌道大巷和+400 m水平膠帶大巷連接，形成角聯(lián)系統(tǒng)。礦井采用機(jī)械抽出式的分區(qū)式通風(fēng)方式。南區(qū)安裝2臺(tái)風(fēng)量范圍為5 220～14 280 m3/min、風(fēng)壓范圍為2 800～4 380 Pa 的FBCDZ-No.28-2×560型對(duì)旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)(一用一備)；北區(qū)安裝2臺(tái)風(fēng)量范圍為5 200～13 200 m3/min、風(fēng)壓范圍為1 800～3 400 Pa的FBCDZ-No.28-2×400型對(duì)旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)(一用一備)。通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)采用雙電動(dòng)機(jī)變頻控制方式。

2 自然風(fēng)壓變化規(guī)律研究

烏東煤礦現(xiàn)主采+450 m水平B1+2煤層工作面，采用急傾斜特厚煤層水平分段綜采放頂煤采煤法開采；走向長(zhǎng)度為2 520 m，工作面長(zhǎng)度為35.5 m，階段高度為25 m(+450～+475 m水平)。該工作面邊界分別為采區(qū)邊界煤柱(東界)、工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱(西界)、B3+6煤層(南面距其98 m)，B2煤層頂板(北界)；上部是已回采結(jié)束的+475 m水平B1+2煤層綜采放頂煤工作面，其采空區(qū)已基本塌實(shí)并采用全部陷落法管理。

2.1 自然風(fēng)壓測(cè)定

根據(jù)以往的通風(fēng)報(bào)表和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該工作面風(fēng)量一部分來自南區(qū)，另一部分從北區(qū)進(jìn)入，其中北區(qū)提供的風(fēng)量?jī)H占進(jìn)入該工作面總風(fēng)量的13%。因此，主要測(cè)定烏東煤礦南區(qū)自然風(fēng)壓。南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)科馬洛夫經(jīng)驗(yàn)公式[9]計(jì)算自然風(fēng)壓，井深大于100 m時(shí)，礦井自然風(fēng)壓為

(1)

式中：p為大氣壓力，Pa，通過實(shí)測(cè)確定；h為礦井開采深度，m；g為重力加速度，m/s2；R為礦井空氣常數(shù)，取R=287 J/(kg·K) ；T1為進(jìn)風(fēng)側(cè)平均溫度，K；T2為回風(fēng)側(cè)平均溫度，K。

圖1 烏東煤礦南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Ventilation system in the southern area of Wudong Coal Mine

采用間接測(cè)定法對(duì)烏東煤礦南區(qū)自然風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)定。為了全面、真實(shí)反映自然風(fēng)壓的全年變化，避免由于天氣變化造成的誤差影響，根據(jù)烏東煤礦南區(qū)的實(shí)際情況，從2017年9月—2018年9月，在每季度選取9 d，于每天09:00—10:00在烏東煤礦南區(qū)主要通風(fēng)系統(tǒng)中的回風(fēng)立井口、回風(fēng)立井底、副立井口、副立井底測(cè)定自然風(fēng)壓，并對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，將具有當(dāng)季氣候代表性的數(shù)據(jù)作為主要研究對(duì)象，其他數(shù)據(jù)均作為參考。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到烏東煤礦南區(qū)全年的自然風(fēng)壓，如圖2所示。

圖2 烏東煤礦南區(qū)全年自然風(fēng)壓Fig.2 Annual natural wind pressure in the southern area of Wudong Coal Mine

從圖2可以看出，烏東煤礦南區(qū)一年中的自然風(fēng)壓不斷變化，在冬季達(dá)到最大值161.05 Pa，在夏季達(dá)到最小值15.71 Pa。全年自然風(fēng)壓值為正，根據(jù)南區(qū)礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際布置，除南區(qū)+400～+450 m水平軌道上山外，自然風(fēng)壓與機(jī)械風(fēng)壓共同作用，幫助礦井通風(fēng)。南區(qū)+400～+450 m水平軌道上山內(nèi)，自然風(fēng)壓與機(jī)械風(fēng)壓作用方向全年相反。

2.2 自然風(fēng)壓變化對(duì)工作面風(fēng)量的影響

在抽出式礦井中，礦井通風(fēng)阻力由通風(fēng)機(jī)靜壓與自然風(fēng)壓共同克服。對(duì)于一個(gè)特定礦井來說，在礦井正常通風(fēng)過程中，礦井通風(fēng)阻力一般為定值，礦井需風(fēng)量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)太大變化。根據(jù)烏東煤礦通風(fēng)阻力測(cè)定報(bào)告，南區(qū)總負(fù)壓為560 Pa，包含南區(qū)+450 m水平B1+2工作面通風(fēng)系統(tǒng)的主測(cè)路線解算出的礦井通風(fēng)阻力僅為270.47 Pa，自然風(fēng)壓總體值及波動(dòng)值對(duì)南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)各分支及礦井主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)產(chǎn)生明顯影響。

目前礦井主要通風(fēng)機(jī)為大風(fēng)量通風(fēng)機(jī)，富裕度較大，+450 m水平B1+2工作面所需風(fēng)量完全可由通風(fēng)機(jī)提供，而南區(qū)自然風(fēng)壓作用方向與機(jī)械風(fēng)壓作用保持一致，整體上幫助礦井供風(fēng)。因此，自然風(fēng)壓變化對(duì)+450 m水平B1+2工作面的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化上。

2018年每月5日(上旬)、15日(中旬)、25日(下旬)在相同位置對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量進(jìn)行多次測(cè)定并取均值，結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量不斷變化，且存在下降、上升等反復(fù)波動(dòng)情況。由于新疆特有的氣候特征，冬夏季時(shí)間長(zhǎng)、春秋季時(shí)間短，4月到7月進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量處于較小值，11月到第2年3月風(fēng)量處于較大值。進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大小與多種因素有關(guān)，但全年風(fēng)量總體上呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，與自然風(fēng)壓變化情況相近。自然風(fēng)壓是氣候變化對(duì)礦井通風(fēng)影響的直觀體現(xiàn)，而氣壓變化造成的壓差又導(dǎo)致風(fēng)量變化，因此，自然風(fēng)壓的變化是影響該工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化的主控因素。

圖3 +450 m水平B1+2工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化Fig.3 Air volume change of air intake roadway in +450 m horizontal B1+2 working face

3 采空區(qū)漏風(fēng)模型及特征分析

3.1 采空區(qū)漏風(fēng)模型

由于烏東煤礦急傾斜煤層賦存及開采方式的特殊性，根據(jù)+450 m水平B1+2工作面實(shí)際情況，確定其主要漏風(fēng)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婧蠓讲煽諈^(qū)。工作面配置有ZFT18000/23/38端頭支架、ZFY10000/25/42D過渡支架、ZFY10000/20/40D中間支架，提高了工作面支護(hù)安全和質(zhì)量，但液壓支架與進(jìn)回風(fēng)隅角的巷幫之間存在較大距離的空隙，為主要漏風(fēng)通道，如圖4所示。其中，Q1，Q2分別為進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷風(fēng)量，Qi為沿工作面邊界向采空區(qū)漏入的風(fēng)量，Q0為從采空區(qū)漏出的風(fēng)量，單位均為m3/s。

圖4 +450 m水平B1+2工作面采空區(qū)漏風(fēng)模型Fig.4 Air leakage model in goaf of +450 m horizontal B1+2 working face

從流場(chǎng)角度來看，風(fēng)流從工作面進(jìn)風(fēng)段流入回采段的同時(shí)，主要由進(jìn)風(fēng)隅角進(jìn)入采空區(qū)；隨著工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，工作面回采段風(fēng)量逐漸減小，當(dāng)風(fēng)流由回風(fēng)隅角逐漸向工作面回流時(shí)，越接近回風(fēng)隅角，工作面風(fēng)量越大。工作面向采空區(qū)漏風(fēng)的條件是存在壓差和漏風(fēng)通道，而壓能沿著風(fēng)流沿線減小，因此，在工作面回采漏風(fēng)段必存在一個(gè)平衡點(diǎn)使得漏風(fēng)方向反向，該點(diǎn)也是工作面風(fēng)量最小、風(fēng)速最小的區(qū)域。

設(shè)采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)點(diǎn)的總漏風(fēng)量為Qt，使用正負(fù)表示方向，規(guī)定漏出為正，漏入為負(fù)，則無論Qt為正值或負(fù)值，總滿足采空區(qū)封閉邊界理論上的風(fēng)量平衡條件[10]，即

∑Q=Qi+Q0+Qt=0

(2)

式中∑Q為通過采空區(qū)邊界的總風(fēng)量。

3.2 漏風(fēng)量計(jì)算

在不存在其他漏風(fēng)即Qt=0的條件下，沿工作面邊界漏出、漏入風(fēng)量理論上是相等的，且工作面漏風(fēng)的出、回風(fēng)量分布是對(duì)稱的[11-12]。在Qt≠0時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)點(diǎn)存在漏風(fēng)，但回采工作面與采空區(qū)之間總存在一個(gè)風(fēng)速最小的漏風(fēng)進(jìn)出平衡點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過回采工作面后方采空區(qū)的漏入、漏出段時(shí)，在巷道面積一定的前提下，風(fēng)速隨風(fēng)量變化先減小后增大。Qt=0時(shí)，平衡點(diǎn)應(yīng)在回采段中部，平衡點(diǎn)前后的風(fēng)速(v)-測(cè)點(diǎn)與進(jìn)風(fēng)口距離(x)曲線投影圖的面積(簡(jiǎn)稱風(fēng)速投射面積)[13]相等；Qt≠0時(shí)，Qt的正負(fù)影響風(fēng)速投射面積的大小，風(fēng)量大的一側(cè)風(fēng)速大，投射面積也較大。

若令風(fēng)流漏入采空區(qū)一側(cè)的風(fēng)速投射面積為S1(單位為m2/s，[m]×[m/s]=[m2/s])，風(fēng)流漏出采空區(qū)一側(cè)的風(fēng)速投射面積為S2，則S1與S2的差值(即投射面積增加量)和Q1與Q2的差值(即回采段風(fēng)量增加值)有一致性的比例關(guān)系[13]。若風(fēng)量增加值Qz和面積增加量Sz都已知，則投射面積風(fēng)量權(quán)重為

(3)

式中Δ為該工作面向采空區(qū)漏入、漏出風(fēng)量時(shí)在單位風(fēng)速投射面積上風(fēng)量所占的份額，m。

根據(jù)投射面積風(fēng)量權(quán)重Δ可估算出工作面與采空區(qū)之間的漏入、漏出風(fēng)量：

Qi=S1Δ，Q0=S2Δ

(4)

由于進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量Q1的大小受自然風(fēng)壓變化的影響，流入回采工作面的風(fēng)流風(fēng)速會(huì)隨著風(fēng)量大小改變，從而使工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況發(fā)生變化。

為定量確定自然風(fēng)壓變化對(duì)工作面漏風(fēng)量的影響，在工作面檢修時(shí)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定，此時(shí)實(shí)施觀測(cè)操作最順利，風(fēng)速表讀數(shù)最清晰準(zhǔn)確[14]。由于該工作面長(zhǎng)度較短，僅為35.5 m，為獲取較準(zhǔn)確的樣本數(shù)據(jù)，在冬至和夏至前后3 d距進(jìn)風(fēng)巷每2 m進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。在同一地點(diǎn)多次測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的斷面面積，然后取平均值。觀測(cè)時(shí)周圍避免人員走動(dòng)，測(cè)點(diǎn)樣本應(yīng)盡量多，要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)景進(jìn)行描述，記錄特殊情況說明，如根據(jù)液壓支架移架情況和采煤機(jī)位置干擾對(duì)風(fēng)速觀測(cè)值進(jìn)行修正等，以提高數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到風(fēng)速分布曲線投影，如圖6所示。

圖5 +450 m水平B1+2工作面測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of measuring points in +450 m horizontal B1+2 working face

圖6 +450 m水平B1+2工作面風(fēng)速分布曲線投影Fig.6 Wind speed distribution and curve projection in +450 m horizontal B1+2 working face

由圖6可知，在不同季節(jié)對(duì)工作面進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，其風(fēng)速分布均是波動(dòng)的，且變化趨勢(shì)均為先減小后增大。采用回歸分析方法進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)實(shí)測(cè)曲線變化選擇用二次函數(shù)曲線擬合風(fēng)速，經(jīng)過調(diào)試，得到不同季節(jié)工作面風(fēng)速分布的二次函數(shù)，冬季工作面風(fēng)速分布函數(shù)為v(x)=0.000 82x2-0.27x+1.31，相關(guān)系數(shù)為0.96；夏季工作面風(fēng)速分布函數(shù)為0.000 83x2-0.027x+1.06，相關(guān)系數(shù)為0.97。相關(guān)系數(shù)越大，說明2個(gè)變量的線性相關(guān)性越強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)越接近1，說明模型的擬合效果越好。但由于采樣、統(tǒng)計(jì)處理難免產(chǎn)生誤差，將多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合所得的工作面風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)，該結(jié)果與實(shí)際情況大體相符。

3.3 漏風(fēng)特征分析

漏入、漏出中間平衡點(diǎn)位置相近可能是因?yàn)楣ぷ髅骈L(zhǎng)度較短，風(fēng)量變化較快，平衡點(diǎn)位置表征不明顯?；仫L(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度高，是因?yàn)楸痉謱由喜繛樯戏謱右鸦夭刹煽諈^(qū)，在本分層工作面回采期間存在本分層及上分層雙重采空區(qū)，導(dǎo)致形成復(fù)合采空區(qū)；漏風(fēng)通道復(fù)雜，頂板存在大量的裂隙通道延伸向地表方向；受工作面負(fù)壓通風(fēng)的影響，部分風(fēng)流會(huì)向著生產(chǎn)空間運(yùn)移，并增加后部采空區(qū)漏風(fēng)量，但由于距離較遠(yuǎn)，風(fēng)量較小，漏風(fēng)情況可能不顯著。

夏季進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)，開始向采空區(qū)注氮，其實(shí)際漏出風(fēng)量應(yīng)小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；冬季由于自然風(fēng)壓大、進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大，漏入采空區(qū)風(fēng)量比夏季漏入風(fēng)量大，風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)部流速更快，采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)分布范圍更廣。因此，需要合理控制及利用自然風(fēng)壓，調(diào)整工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量，縮小采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)分布范圍，避免采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1) 烏東煤礦南區(qū)自然風(fēng)壓全年不斷變化，其變化曲線類似正弦曲線，在冬季達(dá)到最大值161.05 Pa，在夏季達(dá)到最小值15.71 Pa，自然風(fēng)壓波動(dòng)幅度為145.34 Pa。結(jié)合該區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，自然風(fēng)壓總體作用方向全年為正，有利于礦井通風(fēng)，且自然風(fēng)壓克服的礦井通風(fēng)阻力占比較大，自然風(fēng)壓的總體值及波動(dòng)可對(duì)南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)各分支及礦井主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)產(chǎn)生了明顯影響。

(2) 礦井主要通風(fēng)機(jī)富裕度較大，+450 m水平B1+2工作面所需風(fēng)量完全能由通風(fēng)機(jī)提供，自然風(fēng)壓變化對(duì)該工作面的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化上。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，全年風(fēng)量總體上呈先減少后增大的變化趨勢(shì)，符合自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，確定自然風(fēng)壓的變化是影響該工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化的主控因素。

(3) 采用求回風(fēng)側(cè)風(fēng)速投射面積間接估算漏風(fēng)量及漏風(fēng)分布的方法，確定冬季漏入采空區(qū)風(fēng)量為130.38 m3/min，漏出風(fēng)量為153.78 m3/min；夏季漏入、漏出風(fēng)量分別為116.73，140.13 m3/min。冬季由于自然風(fēng)壓較大導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變大，漏入采空區(qū)風(fēng)量比夏季漏入風(fēng)量多，風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)部流速更快，采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)分布范圍更廣。無論采空區(qū)后部是否存在漏風(fēng)通道，都要對(duì)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量進(jìn)行控制，減小采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的可能性。