尾巷負壓對采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火影響的模擬研究

程 濤

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團公司 高陽煤礦， 山西 孝義 032306)

在U型通風的基礎上，增加尾巷排放瓦斯，是眾多高瓦斯礦井治理瓦斯超限的重要手段[1-2]. 增加尾巷負壓，經(jīng)尾巷截流的漏風流也會增加，從回風上隅角漏出的高濃度瓦斯的漏風流將會減少，回風巷風排瓦斯的壓力明顯降低，同時尾巷的瓦斯?jié)舛葧@著增高。回風巷有較多的人員、機電設備，而尾巷是專用排瓦斯巷，因此尾巷負壓適當增高是可行的。但隨著尾巷負壓的增高，進風測的漏風強度會增加，對自然發(fā)火防治形成不利影響[3-4]. 如何消弱甚至消除尾巷負壓調(diào)整對自然發(fā)火防治和瓦斯治理的影響，是值得研究并解決的問題。

1 模型的建立

1.1 采空區(qū)空隙率及滲透率

隨著工作面向前推進和時間的推移，采空區(qū)的空隙率隨時發(fā)生變化。一般情況下，頂板巖層越堅硬，空隙率越大；礦壓越大空隙率越?。蛔饔脮r間越長，空隙率就越小，反之就越大[5]. 空隙率為：

n=1-1/Kp

式中：

Kp—巖石及煤的碎脹系數(shù)。

由Blake-Kozeny公式，多孔介質(zhì)的滲透率e為：

式中：

Dm—平均調(diào)和粒徑。

上述公式為FLUENT模擬中內(nèi)部采用。

1.2 采空區(qū)模型的建立和邊界條件分析

在石港煤礦11114工作面實際測得的數(shù)據(jù)的基礎上參考文獻[6]建立幾何模型，數(shù)值模擬分析模型的具體參數(shù)：計算區(qū)域為走向長200 m，傾斜寬為152 m，高為70 m的六面體。采煤工作面的體積為3 m×152 m×2 m，進、回風順槽的體積為20 m×4 m×2 m，內(nèi)錯尾巷的體積為20 m×2 m×2 m，內(nèi)錯尾巷相對工作面回風順槽的水平距離、垂直距離分別為30 m、9 m，深入采空區(qū)2 m，后高抽巷的體積為70 m×2 m×2 m，高抽巷相對與工作面回風順槽的水平距離、垂距為60 m. 其中采空區(qū)走向取200 m是因為工作面回采到此階段后，工作面早已順利度過初采期，各項瓦斯治理、防滅火措施的應用均已常態(tài)，本算例研究正?；夭善陂g的火和瓦斯的耦合關系。利用GAMBIT建立工作面三維模型，將坐標原點定在模型底面左后側的頂點。采場模型見圖1，通風參數(shù)設置見表1.

圖1 采場模型圖

表1 11114綜放面通風參數(shù)設置表

2 尾巷負壓對采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火的影響

為了研究尾巷負壓對采空區(qū)瓦斯涌出和自然發(fā)火的影響，采用保持進風量不變，對尾巷負壓進行調(diào)節(jié)的方法，研究回風巷、尾巷瓦斯?jié)舛群筒煽諈^(qū) “三帶”的變化規(guī)律。為了更直觀體現(xiàn)尾巷負壓的調(diào)節(jié)幅度，將其轉(zhuǎn)換為對尾巷風量的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)回風巷和尾巷的配風比。進風巷的風量取值，參考礦井實際供風量，取1 800 m3/min.

2.1 尾巷負壓對采空區(qū)瓦斯涌出的影響

對尾巷配風量為600 m3/min、700 m3/min、800 m3/min、900 m3/min、1 000 m3/min的5組數(shù)據(jù)進行模擬，發(fā)現(xiàn)尾巷配風在600～800 m3/min時回風巷和尾巷瓦斯?jié)舛戎底兓^大，又對650 m3/min、750 m3/min兩組尾巷配風量下的風排瓦斯?jié)舛冗M行了模擬。部分模擬采場瓦斯?jié)舛饶栐茍D見圖2，風排瓦斯?jié)舛入S尾巷負壓的變化數(shù)據(jù)見表2.

圖2 采場瓦斯?jié)舛饶栐茍D

表2 尾巷負壓對風排瓦斯?jié)舛鹊挠绊懕?/p>

1) 從表2可以看到，隨著尾巷負壓的升高，回風巷、尾巷的配風比的降低，回風巷瓦斯?jié)舛仍谇捌谟写蠓鹊慕档?，尾巷風量從600 m3/min到700 m3/min雖然只增加了100 m3/min，但回風瓦斯?jié)舛葏s從0.88%降到了0.51%，0.88%很接近回風瓦斯超限濃度1%，而0.51%則相對安全，這100 m3/min風量的調(diào)節(jié)確保了工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶?。但隨著尾巷負壓的繼續(xù)升高，回風瓦斯?jié)舛茸兓皇呛苊黠@，只有緩慢的降低。

出現(xiàn)這種情況的原因是在尾巷風量600 m3/min時，回風對采空區(qū)漏風流的影響強度較大，此時回風的風排瓦斯中除了本工作面的瓦斯外，采空區(qū)從上隅角漏風匯流入的瓦斯也占有相當?shù)谋壤?，因此回風瓦斯?jié)舛容^高。但在尾巷風量700 m3/min時，尾巷和回風對采空區(qū)漏風流的影響強度已經(jīng)基本相當。隨著尾巷負壓的繼續(xù)提高，尾巷對漏風流的截流效果越來越強，相應的在回風流中來自于采空區(qū)的瓦斯越來越少，當工作面煤壁和落煤的瓦斯涌出強度不變的情況下，回風瓦斯?jié)舛葘⒉粫写蠓慕档汀?/p>

2) 回風上隅角和回風巷的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律和原理相同。尾巷風量600 m3/min時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.60%，嚴重超限。當提高尾巷負壓，使尾巷風量達到700 m3/min時，瓦斯?jié)舛冉档搅?.62%. 可見，提高尾巷負壓是治理上隅角瓦斯超限的有效手段。

3) 尾巷濃度隨尾巷負壓的升高出現(xiàn)先升后降的變化趨勢，并且瓦斯?jié)舛壬仙齾^(qū)段的幅度較大，而下降區(qū)段的變化幅度相對較小。在瓦斯?jié)舛壬仙齾^(qū)段，尾巷風量變化100 m3/min，尾巷濃度卻從0.98%升到了1.53%，升高了0.55%；在瓦斯?jié)舛认陆祬^(qū)段，尾巷風量變化300 m3/min，尾巷濃度卻從1.53%降升到了1.25%，平均尾巷每增加100 m3/min風量，尾巷濃度下降0.09%.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，尾巷負壓升高的不同階段，在尾巷風流中，風量和瓦斯純量的各自變化幅度不相同。該次模擬中尾巷風量有規(guī)律的漸增，但風排瓦斯量卻變化較大：在尾巷負壓增高的前期，尾巷將本應隨漏風流到達回風巷的采空區(qū)瓦斯大量截流，使風排瓦斯純量增加，此時風排瓦斯純量增加幅度大于風量增加幅度時，尾巷濃度升高；在尾巷負壓增高的后期，采空區(qū)瓦斯漏入回風流的量已經(jīng)很少，此時尾巷風量增加幅度大于風排瓦斯純量增加幅度，尾巷濃度降低。

4) 從表2可以發(fā)現(xiàn)，在尾巷負壓增加的后期，回風巷、尾巷、上隅角的瓦斯?jié)舛榷冀档停@對瓦斯治理來說，是一個相當理想的狀況。在尾巷風量750 m3/min之后，回風巷和上隅角瓦斯?jié)舛然静蛔?，尾巷濃度降低幅度變緩。因此，出于?jīng)濟考慮，無需持續(xù)增加尾巷負壓。11114工作面較合理的尾巷配風在700～800 m3/min，此時回風巷風量為1 100～1 000 m3/min.

2.2 尾巷負壓對采空區(qū)自然發(fā)火的影響

對尾巷配風量從600～1 100 m3/min，每隔100 m3/min設一個參照點，共計對6個不同尾巷風量下的采空區(qū)可能自燃帶范圍進行模擬。所得數(shù)據(jù)見表3，回風側可能自燃帶范圍散點對照圖見圖3.

表3 不同風量條件下可能自燃帶范圍模擬數(shù)據(jù)表

圖3 不同尾巷風量下的回風側可能自燃帶散點圖

1) 從表3可以看到，尾巷風量從600 m3/min增加到800 m3/min時，整個采空區(qū)可能自燃帶范圍變化不大，其中采空區(qū)進風側和中部范圍保持不變，回風側范圍略有增加；當尾巷風量繼續(xù)增加，進風側和中部可能自燃帶范圍縮小，但回風側可能自燃帶范圍增幅稍有變大。

隨著尾巷負壓的提高，尾巷風量的增加，工作面漏入采空區(qū)的風量有所增加，采空區(qū)的可能自燃帶范圍也隨著增加，回風側的 “三帶”范圍應驗了這一規(guī)律，但在進風側，大量應隨慣性進入采空區(qū)深部的漏風流，受尾巷負壓作用，被提前拉回，所以會出現(xiàn)進風側三帶范圍不增反降的情形。但這一規(guī)律并非具有普適性，該算例中尾巷距進風側傾斜長度僅有20 m，進風側漏風流受尾巷負壓影響程度較大，對于大采長工作面，將會出現(xiàn)整個采空區(qū)三帶都隨尾巷負壓增加而增加的情況。

2) 模擬關注了兩道(指采空區(qū)內(nèi)進風側和回風側)“三帶”范圍，特別是回風側的可能自燃帶范圍。從圖3可以看到，兩道可能自燃帶范圍不小，而且隨尾巷風量增加，其傾斜方向上的寬度也在增加。可見隨著尾巷負壓的增加，應特別注意兩道的防火。

3) 隨著尾巷負壓的提高，可能自燃帶的范圍不論進風側還是回風側，都在向工作面方向靠近。這對防治自然發(fā)火是很不利的。

4) 回風側的自然發(fā)火危險性隨尾巷風量的增加而增大，應以回風側可能自燃帶范圍變化情況，來確定考慮自然發(fā)火的安全合理尾巷負壓(風量)范圍。

采空區(qū)遺煤的自然氧化通常是當開采時間超過煤的最短自然發(fā)火期時即自然發(fā)火。按照防治自然發(fā)火安全的要求，合理的自燃氧化帶寬度極限為：Lmax=v·t，其中,v為平均回采速度，m/d；t為最短自然發(fā)火期,天。11114綜放面的平均回采速度為v=3.0 m/d,最短自然發(fā)火期t=33 d,得到Lmax=99 m.

2.3 尾巷最佳配風范圍的確定

1) 從瓦斯治理的角度考慮，11114工作面較合理的尾巷配風在700～800 m3/min.

2) 從防治自然發(fā)火的角度考慮，尾巷負壓提高之后，進風側的漏風量增加，增加了采空區(qū)的自然發(fā)火危險性，但同時這部分漏風流又受到尾巷高負壓的吸引，尾巷負壓抵消了部分漏風流向采空區(qū)深部運動的慣性，因此，最終對采空區(qū)“三帶”的分布范圍變化不大。

3) 因此，11114工作面較合理的尾巷配風在700～800 m3/min，此時回風風量為1 100～1 000 m3/min.

3 結 論

對不同尾巷配風下的采空區(qū)瓦斯排放和可能自燃帶發(fā)展規(guī)律進行了模擬研究。得出如下結論：

1) 隨著尾巷配風量的增加，回風和上隅角的瓦斯?jié)舛染蠓陆?，尾巷濃度先升后降，當尾巷配風量達到一定值之后，回風和尾巷瓦斯?jié)舛韧瑫r降低。

2) 由于內(nèi)錯尾巷對采空區(qū)漏風流的拖拽作用，隨尾巷配風量增加，采空區(qū)“三帶”范圍變化不是特別明顯。但采空區(qū)回風側自然發(fā)火危險性隨尾巷負壓增加而增大，出于安全考慮，回風側可能自燃帶范圍越小越好，因此尾巷配風量越小越好。

3) 礦井在現(xiàn)場實際中，應通過實測或模擬得出最經(jīng)濟的配風方案，而非盲目的越大越好。

4) 本文研究結果對“一進兩回”(即進風順槽、回風順槽、內(nèi)錯尾巷)工作面具有一定的參考意義，但如果回采面通風方式不同(如有高抽巷、外錯尾巷)，則需要作進一步研究。