U+L 通風(fēng)下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及氣體體積分?jǐn)?shù)分布研究

賈 男

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

采空區(qū)漏風(fēng)導(dǎo)致的遺煤自燃給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的隱患[1-3]，對(duì)不同煤層賦存以及礦井通風(fēng)情況下的漏風(fēng)規(guī)律以及煤自燃等問題的研究一直被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，尤其在非U 型通風(fēng)等復(fù)雜條件下，采空區(qū)漏風(fēng)通道變得更加多源化，采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)、氣體種類及分布情況變得更加復(fù)雜，加大了采空區(qū)自燃及有害氣體涌出的危險(xiǎn)[4-10]。近年來學(xué)者們通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬開展了大量關(guān)于采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及煤自燃等問題研究，黎經(jīng)雷等[11]研究了風(fēng)速對(duì)近距離煤層采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃的影響，結(jié)果表明風(fēng)速一定情況下，采空區(qū)氧化帶范圍與采空區(qū)發(fā)育高度成正比；汪東[12]研究了配風(fēng)量與采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃的關(guān)系，得到了采空區(qū)自燃帶面積及寬度與風(fēng)速的朗格繆爾函數(shù)關(guān)系，并確定了工作面最小推進(jìn)速度；賀飛等[13]研究了表土層厚度對(duì)鄂爾多斯地區(qū)淺埋工作面采空區(qū)自燃影響，得出采空區(qū)自燃區(qū)域范圍與地表漏風(fēng)量呈近對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系；李玉福[14]對(duì)近距離煤層群防滅火技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，制定了從設(shè)計(jì)到回采階段的整套防滅火預(yù)案。學(xué)者們對(duì)各種條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律已做了大量的研究[15-16]，但對(duì)復(fù)雜漏風(fēng)條件下采空區(qū)有害氣體分布及涌出規(guī)律的研究較少，為此對(duì)酸刺溝煤礦U+L 復(fù)雜通風(fēng)條件下上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)較低、CO2及N2體積分?jǐn)?shù)較高問題進(jìn)行研究。

1 采空區(qū)束管布置

試驗(yàn)選在酸刺溝礦6 上109 工作面，工作面傾向長度為230 m，煤層平距厚度為11.09 m，采用綜采放頂煤開采工藝，工作面回采率為85%，煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，自燃發(fā)火期為40～60 d，工作面最大原煤瓦斯含量為4.94 m3/t，回采工作面采用U+L 型通風(fēng)方式，其中6上109 運(yùn)輸巷和6上111 輔運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)，6上109 輔運(yùn)巷回風(fēng)，相鄰工作面兩巷道留設(shè)30 m 保護(hù)煤柱，為方便井下作業(yè)，兩巷道每隔200 m 開1 條聯(lián)絡(luò)巷道，當(dāng)聯(lián)絡(luò)巷道即將進(jìn)入采空區(qū)前將其進(jìn)行密封。6上109 工作面由于開采強(qiáng)度大，采空區(qū)遺煤多、豎向“三帶”發(fā)育好，且U+L 型特殊通風(fēng)方式造成工作面及采空區(qū)風(fēng)流復(fù)雜，漏風(fēng)量大，易造成采空區(qū)遺煤自燃。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)采用沿采空區(qū)傾向+走向鋪設(shè)束管方式監(jiān)測(cè)采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)，研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律、氣體體積分?jǐn)?shù)及“三帶”分布情況。

當(dāng)工作面回采至22#聯(lián)絡(luò)巷道時(shí)，在工作面后部運(yùn)輸機(jī)后方向采空區(qū)鋪設(shè)1 趟束管系統(tǒng)，束管采用φ50 mm 鋼管包裹，設(shè)置8 個(gè)氣體采樣頭，1#～4#和5#～8#采樣頭之間間距均為30 m，4#和5#采樣頭之間間距為50 m，采樣頭安裝在鋼管外接三通的在花管中，同時(shí)在6上109 輔運(yùn)巷再設(shè)置9#～11#3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距均為30 m，并每天采集上隅角氣進(jìn)行分析。工作面束管布置如圖1。

圖1 工作面束管布置Fig. 1 Layout of surface bundle pipe

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)分布

采空區(qū)氣體檢測(cè)過程中未發(fā)現(xiàn)有C2H6、C2H4、C2H2等氣體，其中檢測(cè)到的CH4和CO 體積分?jǐn)?shù)均較低，但回風(fēng)側(cè)存在較高體積分?jǐn)?shù)CO2和N2。針對(duì)O2、CO2和N2的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，各測(cè)點(diǎn)的氣體體積分?jǐn)?shù)分布如圖2～圖6。

圖2 1#～4#測(cè)點(diǎn)O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 2 Distribution of oxygen concentration at 1#-4# measuring points

由圖2～圖4 可以看出，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)隨距工作面距離呈下降趨勢(shì)，且回風(fēng)側(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)下降速度明顯大于進(jìn)風(fēng)側(cè)，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)1#測(cè)點(diǎn)距工作面27 m 時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)下降到18%，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入氧化帶，距工作面105 m 時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)下降到8%，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入窒息帶；8#測(cè)點(diǎn)距工作面9 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入氧化帶，距工作37 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入窒息帶，而靠近工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)煤壁的9#～11#測(cè)點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)下降速度較其它測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)下降較慢，這是由于采空區(qū)頂板垮落造成22#聯(lián)絡(luò)巷密閉產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致相鄰6上111 運(yùn)輸巷中新鮮風(fēng)流漏入采空區(qū)，且由于保留煤柱的支撐作用形成較好的漏風(fēng)通道，因此O2體積分?jǐn)?shù)下降較慢。

圖3 5#～8#測(cè)點(diǎn)O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 3 Distribution of oxygen concentration at 5#-8# measuring points

圖4 9#～11#測(cè)點(diǎn)及上隅角O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 4 Distribution of oxygen concentration at 9#-11# measuring points and upper corner

圖5 采空區(qū)8#測(cè)點(diǎn)CO2 及N2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 5 Concentration distribution of carbon dioxide and nitrogen at 8# measuring points in goaf

圖6 回風(fēng)隅角CO2 及N2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 6 Concentration distribution of carbon dioxide and nitrogen in the corner of return air

由圖4 和圖6 可以看出，回風(fēng)隅角處O2體積分?jǐn)?shù)偏低，最低達(dá)到12%，隨著工作面推進(jìn)，回風(fēng)隅角O2體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)，CO2和N2體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，其中CO2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到1.5%，N2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到86%，分析原因?yàn)?上107 工作面采空區(qū)遺煤由于長期緩慢氧化消耗了O2并生成了大量CO2，造成采空區(qū)中存在高體積分?jǐn)?shù)的CO2和N2，在通風(fēng)負(fù)壓的作用下，相鄰采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)CO2和N2通過20#聯(lián)絡(luò)巷密閉的裂縫進(jìn)入回采工作面采空區(qū)并由回風(fēng)側(cè)及上隅角涌出，但隨著工作面回采，20#聯(lián)絡(luò)巷密閉逐漸深入采空區(qū)，密閉處通風(fēng)負(fù)壓降低，相鄰采空區(qū)漏入回采工作面的高體積分?jǐn)?shù)CO2和N2量不斷減小，回風(fēng)隅角O2體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，CO2和N2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

由圖5 可以看出，8#測(cè)點(diǎn)CO2和N2體積分?jǐn)?shù)整體呈上升趨勢(shì)，其中CO2體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)11%，這是由于采空區(qū)遺煤不斷氧化消耗O2并產(chǎn)生CO2，使CO2和N2比例提高，且原煤中含有的CO2隨著開采及采空區(qū)頂板垮落等應(yīng)力作用發(fā)生解吸，使采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)升高。

2.2 采空區(qū)“三帶”劃分

根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的采空區(qū)“三帶”分布如圖7。

圖7 采空區(qū)“三帶”分布Fig. 7 Distribution of three zones in goaf

整個(gè)工作面采空區(qū)“三帶”范圍：靠入風(fēng)側(cè)散熱帶最長，范圍為0～25 m，氧化帶也最長，范圍為25～110 m，窒息帶為距工作面110 m 以外；靠回風(fēng)側(cè)散熱帶最短，范圍為0～7 m，氧化帶也最短，范圍為7～35 m，窒息帶為距工作面35 m 以外；其余各地點(diǎn)散熱帶在0～25 m 范圍變化，氧化帶在7～110 m 范圍變化，窒息帶在大于35 m 和110 m 范圍，由于最短發(fā)火期為40 d，因此生產(chǎn)過程中采煤機(jī)割煤速度不得小于2.13 m/d。

3 密閉封堵及效果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，109 工作面聯(lián)絡(luò)巷密閉受采空區(qū)頂板垮落應(yīng)力影響產(chǎn)生了大量裂隙，尤其是在幫頂結(jié)合處裂隙發(fā)育較明顯，針對(duì)密閉裂隙漏風(fēng)問題，對(duì)密閉進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，密閉原設(shè)計(jì)厚度為4 m，兩側(cè)砌筑0.8 m 厚混凝土，中間采用黃土填充，現(xiàn)設(shè)計(jì)密閉墻厚度為4.8 m，兩側(cè)混凝土厚度增加到0.9 m，混凝土中間下部填充黃土，在幫頂結(jié)合處填充0.3 m 的膠凝材料，膠凝材料選用羅克休，其具有膨脹硬化快、抗壓抗沖擊性能強(qiáng)、讓壓效果好、封堵嚴(yán)密等優(yōu)點(diǎn)，在密閉墻體上預(yù)留2 個(gè)注漿管，上部注漿管用于充填幫頂結(jié)合處，靠下部的注漿管用于充填靠密閉前方采空區(qū)頂板位置處，使頂板和密閉頂板有效結(jié)合，防止裂隙生成，密閉優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖8，經(jīng)密閉封堵后的上隅角O2及CO2體積分?jǐn)?shù)分布如圖9。

圖8 密閉優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig. 8 Closed optimization design

從圖9 可以看出，經(jīng)密閉優(yōu)化封堵后，上隅角CO2體積分?jǐn)?shù)降到0.25%以下，O2體積分?jǐn)?shù)提高到16%以上，且隨著工作面距聯(lián)絡(luò)巷距離的增加，O2體積分?jǐn)?shù)呈逐漸上升趨勢(shì)，CO2體積分?jǐn)?shù)呈逐漸下降趨勢(shì)，說明采取的漏風(fēng)治理措施有效。

4 采空區(qū)數(shù)值模擬

4.1 采空區(qū)風(fēng)流流線

聯(lián)絡(luò)巷密閉封堵及密閉有漏風(fēng)裂隙2 種情況下采空區(qū)風(fēng)流分布如圖10 和圖11。

圖9 回風(fēng)隅角O2 及CO2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 9 Concentration distribution of oxygen and carbon dioxide in the corner of return air

圖10 密閉封堵采空區(qū)風(fēng)流流線Fig. 10 Air flow line of closed sealing goaf

圖11 密閉漏風(fēng)采空區(qū)風(fēng)流流線Fig. 11 Air flow streamline in closed air leakage goaf

由圖10 和圖11 可以看出，當(dāng)密閉封堵完好時(shí)，風(fēng)流主要是由進(jìn)風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)并由回風(fēng)側(cè)漏出，由于工作面后方采空區(qū)頂板垮落壓密不嚴(yán)實(shí)，因此采空區(qū)橫向和縱向存在大量縫隙空間，風(fēng)流一部分漏入采空區(qū)深部，另一部分漏入采空區(qū)上部，最后匯集到回風(fēng)側(cè)漏出，進(jìn)風(fēng)側(cè)少量風(fēng)流由于遇到阻力發(fā)生逆向偏轉(zhuǎn)，并由靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道采空區(qū)流出工作面。當(dāng)密閉存在裂隙時(shí)，除進(jìn)風(fēng)側(cè)存在向采空區(qū)漏風(fēng)之外，在通風(fēng)負(fù)壓作用下相鄰采空區(qū)通過密閉裂隙向回采工作面采空區(qū)也存在漏風(fēng)，由于在相同通風(fēng)條件下多了1 條漏風(fēng)通道，因此進(jìn)風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)的風(fēng)量和范圍均減小。

4.2 采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布

聯(lián)絡(luò)巷密閉封堵及密閉有漏風(fēng)裂隙2 種情況下采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布如圖12～圖15。

圖12 密閉封堵采空區(qū)底板O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 12 Distribution of oxygen concentration in the floor of closed stope

圖13 密閉封堵采空區(qū)O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 13 Distribution of oxygen concentration in closed stope

圖14 密閉漏風(fēng)采空區(qū)底板O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 14 Distribution of oxygen concentration inthe floor of closed air leakage goaf

圖15 密閉漏風(fēng)采空區(qū)O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 15 Distribution of oxygen concentration in closed air leakage goaf

由圖12～圖15 可以看出，當(dāng)密閉封堵完好時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)明顯大于回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)隨距工作面距離增加呈逐漸降低趨勢(shì)，靠近進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)氧化帶范圍為40～132 m，靠近回風(fēng)巷道側(cè)氧化帶范圍為20～40 m，沿采空區(qū)垂直方向O2體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)椴煽諈^(qū)瓦斯上浮，使靠近頂板處瓦斯高于底板處，相應(yīng)O2體積分?jǐn)?shù)為靠近底板處偏高。當(dāng)密閉存在裂隙時(shí)，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)整體低于密閉完好時(shí)的采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)，且氧化帶范圍減小，進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)氧化帶范圍為32～120 m，回風(fēng)巷道側(cè)氧化帶范圍為12～30 m，這是由于在相同通風(fēng)負(fù)壓下增加1 條漏風(fēng)通道使工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量減小，同時(shí)鄰近采空區(qū)低氧體積分?jǐn)?shù)氣體進(jìn)入回采工作面采空區(qū)并由回風(fēng)側(cè)涌出，造成采空區(qū)氧化帶范圍減小，采空區(qū)整體O2體積分?jǐn)?shù)降低，且上隅角O2體積分?jǐn)?shù)偏低，模擬得出“三帶”范圍與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的結(jié)果基本一致。

4.3 采空區(qū)風(fēng)壓分布

聯(lián)絡(luò)巷密閉封堵及密閉有漏風(fēng)裂隙2 種情況下采空區(qū)風(fēng)壓分布如圖16 和圖17。

圖16 密閉封堵采空區(qū)底板壓力分布Fig. 16 Pressure distribution of the bottom plate in the closed stope

圖17 密閉漏風(fēng)采空區(qū)底板壓力分布Fig. 17 Pressure distribution of the floor in the closed air leakage goaf

由圖16 和圖17 可以看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)壓明顯高于回風(fēng)側(cè)，符合風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)遇到阻力后形成1 個(gè)高壓中心，一部分風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)深部，另一部分風(fēng)流發(fā)生逆向偏轉(zhuǎn)流向工作面，當(dāng)密閉存在裂隙時(shí)，在密閉處形成1 個(gè)小高壓中心，風(fēng)流由密閉流入采空區(qū)并由回風(fēng)側(cè)流出。

5 結(jié) 論

1）在通風(fēng)負(fù)壓作用下，采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷密閉存在裂隙漏風(fēng)，相鄰采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)N2和遺煤氧化產(chǎn)生的高體積分?jǐn)?shù)CO2通過密閉裂隙漏入回采工作面采空區(qū)導(dǎo)致采空區(qū)及回風(fēng)隅角整體O2體積分?jǐn)?shù)偏低，CO2及N2體積分?jǐn)?shù)偏高，O2體積分?jǐn)?shù)最低達(dá)到12%，CO2及N2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到1.5%和86%，隨著工作面回采，回風(fēng)隅角O2體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，CO2及N2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

2）受采空區(qū)遺煤氧化及原煤CO2解吸影響，采空區(qū)CO2及N2體積分?jǐn)?shù)隨距工作面距離增大而增加。

3）采取密閉封堵措施后，上隅角CO2體積分?jǐn)?shù)降到0.25%以下，O2體積分?jǐn)?shù)提高到16%以上。

4）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬方式得到的采空區(qū)“三帶”范圍基本一致，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的范圍為25～110 m，氧化帶最長，回風(fēng)側(cè)氧化帶的范圍為7～35 m，氧化帶最短，進(jìn)風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)整體高于回風(fēng)側(cè)，為防止自然發(fā)火，確定采煤機(jī)割煤速度不得小于2.13 m/d。