切頂留巷側幫孔隙率對工作面采空區(qū)漏風規(guī)律研究

趙 亮，王 飛，劉紅威，焦治平，王俊虎

(1.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024；3.山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

利用切頂留巷無煤柱開采技術進行回采，面臨的主要問題就是采空區(qū)管理[1]。由于留巷側幫段是采空區(qū)冒落帶，采空區(qū)全部暴露在巷道內(nèi)，形成一種完全開放狀態(tài)[2]，采空區(qū)未能完全封閉，漏風相對嚴重，采空區(qū)內(nèi)有害氣體在負壓作用下很容易泄漏到巷道內(nèi)，增加了對有害氣體的管理難度[3]。同時，切頂留巷無煤柱開采技術條件下[4]，工作面通風方式由U型通風變?yōu)閅型通風[5]，采空區(qū)漏風相對較大，采空區(qū)內(nèi)遺煤在高氧條件下很容易氧化[6]。

近年來，學者們運用CFD軟件對采空區(qū)漏風規(guī)律進行數(shù)值模擬研究。裴桂紅等[7]通過模擬分析得出采空區(qū)漏風及遺煤瓦斯涌出對采場氣體流動的影響規(guī)律；楊勝強等[8]通過模擬劃分出不同漏風量條件下采空區(qū)的煤自燃三帶區(qū)域；劉偉等[9]結合綜采工作面U型通風與Y型通風特性，模擬對比分析得出Y型通風方式下采空區(qū)漏風特點；高建良等[10]通過模擬得出J型通風工作面不同供風量條件下采空區(qū)漏風情況；劉雷政[11]模擬分析得出漏風對近距離上覆采空區(qū)煤自燃的影響規(guī)律，并對上覆采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)進行劃分；張立國[12]以淺埋深近距離煤層采空區(qū)為研究背景，模擬分析得出采空區(qū)漏風強度在距工作面水平長度及采空區(qū)垂直方向上的變化關系；馬礪等[13]以某礦103綜采區(qū)為研究背景，模擬分析了其采空區(qū)漏風規(guī)律，并確定了該工作面的合理供風量；梁運濤等[14]通過采空區(qū)孔隙率非介質(zhì)模型模擬得出采空區(qū)的流場分布。

本文以杜兒坪煤礦切頂留巷62711工作面為研究背景，運用Fluent軟件模擬分析了留巷側幫堵漏風材料不同孔隙率對該采空區(qū)漏風的影響，推導出留巷向采空區(qū)漏風量公式同時對切頂留巷采空區(qū)漏風氧濃度場進行分析從而降低采空區(qū)遺煤自燃的危險性。

1 切頂留巷無煤柱開采技術現(xiàn)場應用

1.1 工作面情況

該工作面設計采高1.9 m，煤巖層傾角為1°～7°，平均2°，可采走向長度1 564 m，切眼長216 m，可采儲量83.8萬t，采用Y型通風方法。

1.2 切頂留巷無煤柱開采情況

通過在采空區(qū)側定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力，進而利用頂板巖層壓力和頂板部分巖體，實現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采，消除或減弱了頂板的周期性壓力，實現(xiàn)切頂成巷無煤柱開采。留巷位置為62711工作面軌道巷，留巷長度1 564 m，設計切縫深度6 m。工作面布置及留巷位置如圖1所示。

2 切頂留巷工作面采空區(qū)漏風流場數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)設置

1) 物理模型。杜兒坪煤礦的兩條進風巷機巷、風巷寬為4.2 m，高2.8 m；沿空留巷與總回風巷夾角為95°，巷寬5.5 m，三維采場物理模型及平面示意圖如圖2所示。

圖1 62711工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采施工位置示意圖

圖2 網(wǎng)格及物理模型圖

2) 數(shù)學模型。質(zhì)量守恒方程見式(1)，動量守恒方程見式(2)，能量守恒方程見式(3)和式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u、v為速度矢量在x、y方向上的分量；μ為動力黏度；p為流體微元上的壓力；K為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的傳熱系數(shù)；T為理想氣體的熱力學溫度，K。

2.2 邊界假設條件

①假設瓦斯和氧氣、氮氣構成采空區(qū)流體，流體為理想氣體且不可壓縮，理想狀態(tài)下各氣體組分之間不發(fā)生化學反應；②不考慮溫度、濕度、井下設備等其他環(huán)境因素對流場的影響；③假設采空區(qū)孔隙率、碎脹系數(shù)是均勻連續(xù)分布。

2.3 邊界條件的設置

①速度入口邊界：模型的機巷、風巷設為Velocity-inlet，初始進風風量分別為970 m3/s、1 106 m3/s；②出口邊界：把回風巷出口設置為out-flow；③壁面邊界：把采空區(qū)深部、模型上部、底部設置為Wall固壁邊界；④交界面邊界：把進風巷與工作面的交界面設置為interior邊界；⑤堵漏風材料面邊界：堵漏風材料面的邊界采用多孔跳躍介質(zhì)邊界；⑥源項邊界：冒落帶三區(qū)瓦斯源項、裂隙帶瓦斯源項設置見表1。

表1 模型各區(qū)域的瓦斯源項表

3 切頂留巷工作面采空區(qū)流場模擬結果分析

兩進一回Y型通風方式是在原U型通風系統(tǒng)的機巷附加風巷進風，機巷進風的作用是稀釋工作面煤壁涌出的瓦斯，風巷進風的作用是稀釋工作面上隅角瓦斯積聚，稀釋沿空留巷瓦斯?jié)舛?。但是機巷和風巷雙巷同時進風的Y型通風系統(tǒng)，使沿空留巷回風風量加大的同時，也由于負壓作用增大了采空區(qū)的漏風量。

3.1 切頂留巷采空區(qū)漏風流場模擬結果

為控制切頂留巷無煤柱開采下沿空留巷側的采空區(qū)漏風，工作面推進時自切眼處對采空區(qū)進行階段性封堵，封堵方式為向切頂留巷側噴涂堵漏風材料。封堵漏風材料能夠有效封堵切頂留巷側裸露的煤巖體，抑制采空區(qū)與沿空留巷之間的氣體流動。

同時為了明確切頂留巷側堵漏風材料孔隙率對采空區(qū)漏風流場的影響，選取同類型7種孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)的漏風流場情況。切頂留巷Y型通風方式工作面采空區(qū)漏風流線模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，留巷正幫段材料孔隙率為0時，風巷向工作面的風流較弱，孔隙率為1時，由于負壓較大，風巷風流向采空區(qū)的漏風量最大；在孔隙率0.1～0.5范圍內(nèi)，不同孔隙率的共同特征是：①在湍流風流由風巷進到工作面過程中，會出現(xiàn)風流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處的情形，風流支點受離心力作用，在外側形成減速增壓區(qū)，過了轉(zhuǎn)彎處，因為流速較大和轉(zhuǎn)彎處曲率半徑較小，在慣性作用下工作面內(nèi)側出現(xiàn)渦流區(qū)，這是采空區(qū)漏風的一個主要原因；②孔隙率越大留巷向采空區(qū)漏風距離越長，在靠近工作面0～100 m處向采空區(qū)漏風量較大，工作面向采空區(qū)的漏風主要集中在上隅角、下隅角附近。因此，在實際生產(chǎn)中，應加強風巷靠近工作面的堵漏措施。

圖3 不同孔隙率下工作面采空區(qū)漏風流線

3.2 切頂留巷側不同孔隙率堵漏風材料下工作面向采空區(qū)漏風量結果分析

通過對沿空留巷正幫段階段性的噴涂堵漏風材料研究得出，在不同孔隙率下堵漏風材料對采空區(qū)漏風量的差異，圖4為堵漏風材料在不同孔隙率下工作面采空區(qū)漏風量變化示意圖。由圖4可知，工作面向采空區(qū)的最大漏風量由孔隙率為1時的0.125 m3/min向孔隙率為0時的0.052 m3/min依次減少。不同孔隙率下工作面向采空區(qū)漏風量在整體上：由于機巷進風垂直射入采空區(qū)，故在0～20 m附近工作面向采空區(qū)漏風量呈急劇下降趨勢；然后又由于機巷風流在工作面拐彎處由于離心力作用呈現(xiàn)先增大一段距離，隨著機巷向風巷壓力的減小漏風量下降，故在20～55 m處漏風量呈拋物線式；最后由于風巷新鮮風在流入留巷段時有一部分風流在拐彎處由于慣性作用流入工作面故在距離風巷67 m附近工作面向采空區(qū)漏風量又急劇上升，但由于風巷風流在拐彎不是垂直射入采空區(qū)，因此漏風量沒有0～20 m處的多。

7種不同孔隙率堵漏風材料下工作面向采空區(qū)漏風量最低時距機巷長度值見表2。 由表2可知，不同孔隙率下工作面向采空區(qū)漏風量最低點隨孔隙率的變大在距機巷10～25 m以及145～180 m處呈線性變化。

圖4 工作面向采空區(qū)漏風量分布

表2 不同孔隙率下漏風量最小值距機巷長度

3.3 切頂留巷側不同孔隙率堵漏風材料下留巷向采空區(qū)漏風量結果分析

7種不同孔隙率下留巷向采空區(qū)漏風量如圖5所示。由圖5可知，孔隙率為1時留巷向采空區(qū)漏風量最大，不同孔隙率下留巷向采空區(qū)漏風量的共同特征是：留巷靠近工作面走向方向，留巷向采空區(qū)漏風量都呈減小趨勢；當不噴涂堵漏風材料時，留巷向采空區(qū)漏風量最大，噴涂堵漏風材料可以有效地減小留巷向采空區(qū)漏風強度。以圖5中數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用最小二乘法擬合留巷段長度與留巷向采空區(qū)漏風量之間的關系，選用三項多項式擬合曲線方程。在距風巷30～120 m處不同孔隙率漏風曲線相交后采空區(qū)向留巷漏風量增大。留巷長度和漏風量滿足條件見表3。

圖5 留巷向采空區(qū)漏風量分布

3.4 采空區(qū)漏風氧濃度場分析

分別對留巷側幫段不同孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)條件下采空區(qū)漏風氧濃度場進行模擬計算。如圖6所示，富氧區(qū)在工作面后采空區(qū)100 m，風巷200 m區(qū)域是采空區(qū)漏風流流經(jīng)的地方，采空區(qū)孔隙率較大，采空區(qū)漏風路徑由62711工作面風巷進入采空區(qū)未充分壓實側，一部分沿采空區(qū)邊緣向采空區(qū)深處流動，大部分沿工作面后垮落區(qū)(100 m左右范圍內(nèi))向沿空留巷側移動，匯通機巷進風漏風流，沿空留巷墻內(nèi)側孔隙及采空區(qū)流動，最終沿空留巷墻裂隙流出匯集回風巷，在沿空留巷側O2濃度較大，符合Y型通風采空區(qū)漏風流動方向。當留巷側幫段堵漏風材料孔隙率為0時，風流最開始只從風巷和材料巷漏入采空區(qū)，隨著留巷側幫堵漏風材料孔隙率由0向1變化過程中，留巷向采空區(qū)漏風量增大，由文獻[15]可知，氧濃度體積分數(shù)在10%～18%之間為自燃帶，會導致采空區(qū)遺煤自燃，沿空留巷Y型通風方式下漏風整體比U型通風漏風大，留巷側幫段堵漏風材料孔隙率為1時由于留巷側幫完全裸露在采空區(qū)導致留巷、工作面的漏風流在負壓增大情況下漏向采空區(qū)風流最多，采空區(qū)自燃帶(氧濃度體積分數(shù)在10%～18%之間)面積最大。但在孔隙率為0.5～0.1時，由于留巷側幫段堵漏風材料孔隙率變小，導致留巷向采空區(qū)的漏風流強度減弱，采空區(qū)自燃三帶面積變小，留巷側幫段堵漏風材料為0時由工作面向采空區(qū)漏風強度明顯減弱，采空區(qū)自燃“三帶”的面積也變小。

圖6 不同孔隙率采空區(qū)垂直方向上氧濃度分布

4 結 論

1) 沿空留巷Y型通風與傳統(tǒng)的U型通風相比，在靠近留巷處流場由于負壓增大以及慣性作用出現(xiàn)渦流區(qū)，風巷采空區(qū)漏風量大，可能導致采空區(qū)遺煤自燃，因此需要加強對采空區(qū)此段距離的監(jiān)測。

2) 在留巷側幫段噴涂堵漏風材料的孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0情況下，一部分風流漏入采空區(qū)，且下隅角附近漏風量較大，此后隨至下隅角距離的增大，漏風量變小，在上隅角附近漏風量急劇增大。沿空留巷向采空區(qū)的漏風量隨距工作面距離的增大而逐漸減小，不同孔隙率下載靠近工作面0～100 m處漏風整體較大，應著重進行采取堵漏措施和監(jiān)控，為井下安全生產(chǎn)提供保證。

3) 在留巷側幫段噴涂堵漏風材料的孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4時明顯采空區(qū)留巷自燃帶減小，因此進行切頂留巷側幫段堵漏風可以減小自燃危險性。