基于示蹤檢測法與數(shù)值模擬的Y型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究

田 垚，湯思敏，王佳俐，?？煽?，郭增樂

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

采空區(qū)漏風(fēng)是指在煤礦開采過程中流入采空區(qū)的風(fēng)流。造成采空區(qū)漏風(fēng)的原因多種多樣，其中主要有工作面與巷道裂隙漏風(fēng)。采空區(qū)漏風(fēng)是導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的主要原因之一，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)漏風(fēng)通道分布、漏風(fēng)速度及漏風(fēng)量,有效提高礦井有效風(fēng)量，對預(yù)防和治理采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃具有重要意義[1-4]。

SF6示蹤氣體測定法是一種可靠的礦井測漏風(fēng)技術(shù)方法，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。利用瞬時釋放法在風(fēng)源位置持續(xù)釋放SF6氣體，在沿空留巷位置進(jìn)行取樣，通過檢測風(fēng)流中SF6含量，分析漏風(fēng)通道，可估算采空區(qū)最小漏風(fēng)速度與漏風(fēng)量[5-9]。

采用示蹤氣體測定與計算流體力學(xué)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對高河煤礦采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)的E2307工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行研究，旨在為采空區(qū)漏風(fēng)及“三帶”劃分與漏風(fēng)量確定提供一種更加準(zhǔn)確有效的方法。

1 工作面概況

高河煤礦E2307工作面煤厚5.60～7.15 m，平均煤厚6.56 m，采用長壁后退式綜采放頂煤采煤法進(jìn)行回采，采高(3.5±0.1) m，采放比1∶0.87，采用全部垮落法控制頂板。E2307工作面采用“兩進(jìn)一回”的Y型通風(fēng)方式通風(fēng)，配風(fēng)量3 000 m3/min。進(jìn)風(fēng)巷長2 239 m，斷面積22.1 m2；膠帶巷長 2 204 m，斷面積18.6 m2；工作面開切眼長320 m；沿空留巷寬4.0 m、高3.7 m。

2 測定原理與方案

2.1 測定原理

依據(jù)工作面布置情況設(shè)置SF6釋放點與采樣點，在進(jìn)風(fēng)處釋放一定量SF6氣體，同時進(jìn)行氣體采樣。根據(jù)氣樣中SF6出現(xiàn)的時間及其體積分?jǐn)?shù)，對采空區(qū)漏風(fēng)率與最小漏風(fēng)速度進(jìn)行估算[10]。最小漏風(fēng)速度計算公式如下：

(1)

式中：vmin為最小漏風(fēng)速度，m/s；L為漏風(fēng)源與漏風(fēng)匯的直線距離，m；t為從釋放SF6氣體至檢測到SF6氣體的時間間隔，s。

采空區(qū)漏風(fēng)率計算公式如下：

(2)

mSF6=VSF6ρSF6

(3)

(4)

Q=vA

(5)

式中：k為漏風(fēng)率;mSF6為SF6質(zhì)量，kg；VSF6為SF6體積，m3；ρSF6為SF6密度，kg/m3；φ為SF6體積分?jǐn)?shù),10-6；Q為風(fēng)量，m3/s；v為風(fēng)速，m/s；A為巷道斷面面積，m2。

2.2 測定方案

結(jié)合礦井實際情況，SF6示蹤氣體釋放點與采樣點布置情況如圖1所示。SF6釋放點位于膠帶巷距支架與采空區(qū)交界30 m處。1#采樣點位于膠帶巷支架與采空區(qū)交界處，2#采樣點位于進(jìn)風(fēng)巷與沿空留巷交界處，3#、4#和5#采樣點位于沿空留巷，利用在采空區(qū)預(yù)埋的束管進(jìn)行氣體采樣。

圖1 E2307工作面SF6釋放點與采樣點布置圖

將純度為99.99%的SF6氣體(20 kg)一次性釋放，釋放速度為109.50 L/min，持續(xù)釋放30 min。將SF6氣體開始釋放時記為0時刻，自該時刻起，在各采樣點進(jìn)行氣體采樣。0～5 min內(nèi)，每隔1 min采樣一次；5～30 min內(nèi)，每隔5 min采樣一次；30 min后，每隔10 min采樣一次。整個采樣時間共持續(xù)180 min。

3 測定結(jié)果與分析

3.1 測定結(jié)果

E2307工作面SF6示蹤氣體采樣分析結(jié)果見圖2。

(a)1#采樣點

(b)2#采樣點

(c)3#采樣點

(d)4#采樣點

(e)5#采樣點圖2 各采樣點SF6體積分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

1#采樣點檢測結(jié)果反映了流入工作面SF6體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。0～5 min內(nèi)，SF6體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升；5～30 min內(nèi)，SF6體積分?jǐn)?shù)保持在30×10-6以上，其中在15 min時因更換氣瓶SF6體積分?jǐn)?shù)短暫下降；30 min后，風(fēng)流中SF6體積分?jǐn)?shù)下降，40 min時降為0。流經(jīng)1#采樣點的SF6質(zhì)量計算公式如下：

mSF6-1=VSF6-1ρSF6

(6)

(7)

Q1=v1A1

(8)

mSF6-1=v1A1u1ρSF6=20.03 kg

(9)

流過1#采樣點的SF6氣體質(zhì)量與釋放點釋放SF6質(zhì)量保持一致。

2#采樣點檢測結(jié)果反映了流出工作面SF6體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。2#采樣點距SF6釋放點350 m，膠帶巷與工作面平均風(fēng)速2.4 m/s，SF6約145.8 s到達(dá)2#采樣點。0～3 min內(nèi)，SF6體積分?jǐn)?shù)為0；3～10 min 內(nèi)，SF6體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升至30×10-6；15 min時，由于更換氣瓶SF6體積分?jǐn)?shù)短暫下降；自30 min開始，SF6體積分?jǐn)?shù)下降，50 min時降為0，并保持不變。經(jīng)過2#采樣點的SF6質(zhì)量計算公式如下：

mSF6-2=v2A2u2ρSF6=16.74 kg

(10)

因此根據(jù)工作面流入采空區(qū)SF6質(zhì)量求得工作面漏風(fēng)率k為：

mSF6-工作面=mSF6-1-mSF6-2

(11)

(12)

3#、4#和5#采樣點，在0～40 min內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)較高，且隨時間變化趨勢與1#、2#采樣點基本相同。工作面采空區(qū)與沿空留巷柔模隔墻間存在較大空隙，形成1條漏風(fēng)通道，風(fēng)流由隔墻與采空區(qū)的空隙流入采空區(qū)，因此3#、4#和5#采樣點在0～40 min出現(xiàn)與1#、2#采樣點SF6體積分?jǐn)?shù)變化趨勢相同的情況。在 4 min 時，3#采樣點檢測到SF6；在10 min時，4#采樣點和5#采樣點檢測到SF6。采空區(qū)與隔墻間空隙漏風(fēng)速度計算公式如下：

(13)

在50 min和60 min時，3#采樣點的SF6體積分?jǐn)?shù)保持較高，在40 min后有從采空區(qū)流出的SF6氣體由3#采樣點流出。因此，除采空區(qū)與隔墻間空隙外，3#采樣點附近還存在1條漏風(fēng)通道，其最小漏風(fēng)速度計算公式如下：

(14)

在90 min時，4#采樣點出現(xiàn)第2個SF6體積分?jǐn)?shù)峰值，因此，除采空區(qū)與隔墻間空隙外，4#采樣點附近還存在 1條漏風(fēng)通道，在90 min時已經(jīng)有從采空區(qū)流出的SF6由4#采樣點流出，其最小漏風(fēng)速度計算公式如下：

(15)

在60、80、130 min時存在3個SF6體積分?jǐn)?shù)峰值，因此，除了采空區(qū)與隔墻間空隙外，5#采樣點附近還存在 3條漏風(fēng)通道。5#采樣點處最小漏風(fēng)速度計算公式如下：

(16)

(17)

(18)

根據(jù)以上計算結(jié)果，對高河煤礦E2307工作面采空區(qū)漏風(fēng)通道進(jìn)行推斷[11-12]，如圖3所示。

圖3 E2307工作面采空區(qū)漏風(fēng)通道示意圖

4 數(shù)值模擬分析

示蹤氣體測漏風(fēng)僅能對采空區(qū)漏風(fēng)通道、漏風(fēng)速度和漏風(fēng)率進(jìn)行定性判斷，無法深入研究采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)規(guī)律。結(jié)合示蹤氣體測漏風(fēng)結(jié)果，采用計算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件ANSYS 15.0 FLUENT對Y型通風(fēng)系統(tǒng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬驗證[12-13]。

4.1 物理模型及邊界條件

依據(jù)高河煤礦E2307工作面實際情況進(jìn)行建模，采空區(qū)物理模型及參數(shù)如表1所示。

表1 采空區(qū)模型參數(shù)

采空區(qū)滲透率依據(jù)經(jīng)驗公式(19)進(jìn)行設(shè)定[14]，采用UDF自定義函數(shù)設(shè)置[15-16]，采空區(qū)孔隙率分布如圖4所示。

(19)

式中:n為采空區(qū)內(nèi)孔隙率；x為采空區(qū)深度方向(x軸)坐標(biāo)；y為工作面長度方向(y軸)坐標(biāo)；z為采空區(qū)某點高度方向(z軸)坐標(biāo)，當(dāng)y為負(fù)值時取正，y為正值時取負(fù)。

圖4 采空區(qū)孔隙率變化空間分布圖

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采空區(qū)風(fēng)流流線如圖5所示。

圖5 采空區(qū)風(fēng)流流線分布圖

由圖5可見，采空區(qū)風(fēng)流流線呈扇形分布，由工作面流入采空區(qū)，一定深度后向沿空留巷方向偏轉(zhuǎn)，最后由沿空留巷流出[17-18]。主進(jìn)風(fēng)巷處風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)較深，偏轉(zhuǎn)角度接近90°。由主進(jìn)風(fēng)巷為起點沿工作面方向，風(fēng)流流入采空區(qū)深度逐漸減小，偏轉(zhuǎn)角度減小。風(fēng)流由工作面流入采空區(qū)后，向采空區(qū)上部流動，達(dá)到一定高度后，保持同一水平流動，當(dāng)接近沿空留巷時，向采空區(qū)下部流動，由沿空留巷流出。模擬結(jié)果顯示，E2307工作面總進(jìn)風(fēng)量為 3 017 m3/min，工作面漏風(fēng)量為402 m3/min，工作面漏風(fēng)率k為13.35%。模擬結(jié)果與前述現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合。

采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速度分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6 采空區(qū)漏風(fēng)速度分布云圖

由圖6可見，采空區(qū)漏風(fēng)主要集中在工作面下隅角處(-167.5～-150 m)，工作面-150 m附近存在一部分風(fēng)速較低區(qū)域，造成這一變化的原因是下隅角處風(fēng)速較大，與-150 m區(qū)域產(chǎn)生壓力差，形成一個低速區(qū)。以-120 m低速區(qū)為起點，沿著工作面由于風(fēng)流的匯合，其風(fēng)速逐漸增大。

采空區(qū)漏風(fēng)實際測定結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖7所示。實際測定結(jié)果為采空區(qū)最小漏風(fēng)速度估算值，略小于數(shù)值模擬結(jié)果，符合實際情況，因此數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確有效。

圖7 采空區(qū)漏風(fēng)速度實際測定結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖8 所示。

圖8 采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖8可見，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)與距工作面和沿空留巷距離呈正相關(guān)關(guān)系，距離工作面和沿空留巷越近，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)越高。采空區(qū)煤自燃與漏風(fēng)強度關(guān)系密切，漏風(fēng)為采空區(qū)供給氧氣，并且促進(jìn)對流換熱。將氧氣體積分?jǐn)?shù)大于18%的區(qū)域定義為采空區(qū)散熱帶，氧氣體積分?jǐn)?shù)大于8%小于18%的區(qū)域定義為采空區(qū)氧化帶，氧氣體積分?jǐn)?shù)小于8%的區(qū)域定義為采空區(qū)窒息帶。據(jù)此劃分該Y型通風(fēng)工作面“三帶”，如圖9所示(紅色部分為散熱帶，綠色部分為氧化帶，藍(lán)色部分為窒息帶，z為距底板高度)。

采空區(qū)距底板不同高度z=0.0、26.2、30.0 m時“三帶”劃分模擬結(jié)果如表2所示。

(a)z=0.0 m

(b)z=26.2 m圖9 采空區(qū)內(nèi)不同高度“三帶”分布

表2 采空區(qū)自燃“三帶”分布

由表2可見，隨采空區(qū)高度增加，采空區(qū)內(nèi)散熱帶范圍逐漸減小直至消失并轉(zhuǎn)化為氧化帶；氧化帶起始深度與終止深度隨高度增加而逐漸減小，氧化帶范圍隨高度增加而擴大；窒息帶范圍隨高度增加而擴大。當(dāng)高度大于26.2 m時，無散熱帶。

5 結(jié)論

1)采用SF6示蹤檢測技術(shù)，對高河煤礦采用 Y型通風(fēng)的E2307工作面采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行測定，其漏風(fēng)率約為16.43%。采空區(qū)存在多條漏風(fēng)通道，其中沿空留巷隔墻與采空區(qū)有較大空隙，最大漏風(fēng)速度可達(dá)1.75 m/s；其他采空區(qū)漏風(fēng)通道風(fēng)流速度相對較小，為0.05～0.14 m/s。

2)采用ANSYS FLUENT軟件對高河煤礦采用 Y型通風(fēng)的E2307工作面采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬驗證，模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。E2307工作面采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)路徑為扇形，由工作面向沿空留巷方向偏轉(zhuǎn)，風(fēng)流由工作面流入采空區(qū)后，向采空區(qū)上部流動，達(dá)到一定高度后，保持同一水平流動，當(dāng)接近沿空留巷時，向采空區(qū)下部流動，由沿空留巷流出。Y型通風(fēng)系統(tǒng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)主要為下隅角與上隅角位置，上隅角漏風(fēng)深度大于下隅角處。

3)采空區(qū)含氧量與距工作面和沿空留巷距離呈正相關(guān)關(guān)系，距離工作面和沿空留巷越近，采空區(qū)內(nèi)含氧量越高。采空區(qū)自燃“三帶”呈L型分布，“三帶”范圍隨高度增加而變化，當(dāng)高度大于26.2 m時散熱帶逐漸消失。氧化帶范圍先擴大而后再縮小，窒息帶范圍逐漸擴大。