沿空留巷采空區(qū)煤自燃堵漏控風機制數(shù)值模擬研究

司俊鴻，王乙橋，程根銀，李 林，高世杰

(1.華北科技學院 應急技術(shù)與管理學院，北京 101601；2.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司宏景塔一礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

沿空留巷是2個相鄰工作面共享1條回采巷道、采空區(qū)不留設保護煤柱的煤炭地下無煤柱開采技術(shù)之一。受采煤工藝、機械化程度、支護材料的限制，初期的沿空留巷技術(shù)僅適用于薄煤層。沿空留巷的巷旁支護方式有木垛、矸石袋、單體支架、鋼筋混凝土墻等，切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)基于“長壁開采切頂短臂梁”理論形成，通過在采空區(qū)側(cè)定向切頂卸壓，可消除煤體上方集中應力[1-2]，具有合理開發(fā)煤炭資源、提高煤炭回采率、降低巷道掘進率、改善礦井采掘接替緊張的特點，能夠提高煤礦的經(jīng)濟效益[3]。

沿空留巷工作面通常采用“兩進風、尾巷回風”的Y型通風方式，該方式下采空區(qū)密封性較差、漏風情況嚴重[4-6]，尾巷側(cè)采空區(qū)的開放程度會影響采空區(qū)的風流運移規(guī)律[7-8]。由于采空區(qū)位置特殊、人員無法進入、監(jiān)測設備布置困難，故對采空區(qū)風流場的研究主要采用現(xiàn)場實測、實驗室相似模擬與數(shù)值模擬有限元分析相結(jié)合的方法[9-12]，分析不同工作面通風參數(shù)、不同采空區(qū)漏風強度條件下采空區(qū)內(nèi)的氣體運移規(guī)律[13-14]。

根據(jù)煤自燃氧化理論，可知漏風向采空區(qū)供氧是遺煤自燃的主要原因之一。研究采空區(qū)漏風場、氧氣濃度場、溫度場等多場耦合作用下的采空區(qū)氣體流動及傳熱傳質(zhì)規(guī)律[15-16]，探究工作面回采速度、漏風速率、遺煤放熱量與溫度場、氧氣濃度場、速度場等參數(shù)之間的關(guān)系[17-18]，是研究采空區(qū)煤自燃問題的關(guān)鍵。沿空留巷Y型通風改變了采區(qū)開拓布置，解決了上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}[19]、縮短了通風路線、降低了礦井通風阻力，且由于材料巷和運輸巷均在進風流中，改善了煤礦井下作業(yè)環(huán)境。

隨著煤炭開采工藝的革新，準確掌握沿空留巷采空區(qū)風流運移規(guī)律、確定合理的尾巷側(cè)采空區(qū)開放程度、分析采空區(qū)的風流控制機制，是研究開放式采空區(qū)煤自燃氧化生熱、聚熱及風流散熱的平衡關(guān)系中亟待解決的主要問題，對預防和治理采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃具有重要意義。

1 礦井概況

圖1 316綜采工作面通風系統(tǒng)示意圖

2 沿空留巷采空區(qū)控風機制

2.1 風流運移影響因素

沿空留巷采空區(qū)風流運移，屬于多孔介質(zhì)固—氣耦合問題，其影響因素主要包括采空區(qū)結(jié)構(gòu)因素、流體因素、物理化學因素，以及采礦方法和支護方式等[20]。開放式沿空留巷采空區(qū)風流運移的主要影響因素指標如圖2所示。

圖2 風流運移影響因素指標框圖

在開采工藝、支護手段及通風方式確定的情況下，主要分析多孔介質(zhì)特征(滲透率)、氣體成分、壓力損失對采空區(qū)風流運移的影響規(guī)律。

2.2 采空區(qū)控風機制

根據(jù)多孔介質(zhì)固—氣耦合氣體流動理論，沿空留巷采空區(qū)漏風源為工作面進風和相鄰采空區(qū)漏風，漏風匯合為尾巷側(cè)回風，采空區(qū)的漏風風量與漏風風阻、漏風源匯間的阻力損失滿足阻力定律，漏風源匯間的阻力損失越大，采空區(qū)的漏風風量越大；采空區(qū)漏風風阻與多孔介質(zhì)漏風通道的導通孔隙尺寸大小呈負相關(guān)關(guān)系，導通孔隙越大，漏風風阻越小，漏風風量越大。因此，增大漏風風阻，或降低漏風源匯間的阻力損失，可降低采空區(qū)的漏風風量。

3 沿空留巷采空區(qū)滲透率分布

滲透率分布是影響采空區(qū)風流場模擬結(jié)果的重要指標。由于沿空留巷采空區(qū)滲透率分布具有不對稱的特點，以下隅角(主要進風巷和316綜采工作面交匯處)作為物理模型的坐標原點，定義x軸方向為采空區(qū)深度方向，y軸方向為工作面傾斜方向，z軸方向為高度方向(見圖1)。

根據(jù)Ergun方程，采空區(qū)滲透率與孔隙率滿足：

(1)

式中：k為滲透率，m2；Dm為采空區(qū)破碎煤巖平均粒徑，m；ε(x,y,z)為采空區(qū)(x,y,z)坐標點的孔隙率。

根據(jù)砌體梁及關(guān)鍵層理論，建立工作面采空區(qū)三維孔隙率分布數(shù)學模型[21]：

(2)

式中：m為煤層厚度，m；W為上覆巖層下沉量，m；H為采空區(qū)巖塊垮落后的高度，m；a、b、c和d為待定系數(shù)。

經(jīng)測定，工作面巖塊碎脹系數(shù)Kp=1.29，關(guān)鍵層的厚度∑h=6.28 m，關(guān)鍵層的拉伸強度αT=1.3 MPa，巖塊自身質(zhì)量及其上部巖層質(zhì)量q=2.36×109kg，沿空留巷側(cè)頂板垮落后尾巷附近煤巖體孔隙率小于留煤柱采空區(qū)。

計算得到關(guān)鍵層最大下沉量Wmax=0.97 m，Dm=0.4 m，H=10.59 m，y方向上與坐標原點的距離Ly=246 m。根據(jù)沿空留巷采空區(qū)的邊界條件：

(3)

由式(3)求解得a=ln[m/(m-W(x))]/Ly，b=0，c=[1-ε(x,y)]/[Hε(x,y)]，d=ε(x,y)。

推導得到316綜采工作面底板處(z=0 m)的采空區(qū)滲透率分布函數(shù)公式：

(4)

采空區(qū)滲透率分布云圖如圖3所示。

圖3 采空區(qū)滲透率分布云圖(z=0 m)

4 沿空留巷采空區(qū)物理模型的建立

4.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

采空區(qū)物理模型可分為綜采工作面、主要進風巷、輔助進風巷、尾巷和采空區(qū)，沿空留巷采空區(qū)物理模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 沿空留巷采空區(qū)物理模型網(wǎng)格劃分

采用Tet/Hybrid網(wǎng)格劃分方法，在綜采工作面、采空區(qū)靠近進風巷、尾巷區(qū)域采用了網(wǎng)格局部加密方法，具體尺寸及網(wǎng)格劃分情況如表1所示。

表1 沿空留巷采空區(qū)物理模型參數(shù)

4.2 邊界條件設置

各區(qū)域均為流體類型(Fluid Type)，將采空區(qū)設置為多孔介質(zhì)，滲透率表達式見式(4)。采用自定義函數(shù)(UDF)編寫代碼，加載到采空區(qū)多孔介質(zhì)特征中。模型邊界設置如表2所示。

表2 模型邊界條件

5 沿空留巷采空區(qū)風流運移規(guī)律

5.1 采空區(qū)風流場分布

采用Fluent數(shù)值模擬軟件，計算宏景塔一礦316綜采工作面的風流分布，繪制出距底板1 m水平位置(z=1 m)采空區(qū)風速及O2體積分數(shù)云圖，如圖5 所示。

(a)風速

由圖5(a)可以看出，沿空留巷側(cè)的采空區(qū)漏風風速大于非留巷側(cè)。受風流的慣性影響，在下隅角處向采空區(qū)深部方向的漏風風速較大，形成了風流沖擊區(qū)；從工作面中部111 m開始，風速等值線間距變寬，此區(qū)域的風速逐漸增大，大于3.57×10-5m/s。

開放式沿空留巷尾巷毗鄰采空區(qū)，屬于采場低壓能區(qū)，根據(jù)采空區(qū)“O”形圈理論，采空區(qū)漏風由工作面進入采空區(qū)后，受中間壓實區(qū)的影響，氣體向尾巷側(cè)運移，氧化帶呈現(xiàn)L型分布，如圖5(b)所示。

5.2 沿空留巷采空區(qū)“三帶”劃分

為了清楚劃分Y型通風方式下采空區(qū)“三帶”分布，將沿空留巷采空區(qū)的氧化帶按工作面傾斜方向和尾巷平行方向分為橫向氧化帶和豎向氧化帶。橫向氧化帶位于采空區(qū)高壓能區(qū)域，漏風強度較大，氧化帶較寬；豎向氧化帶位于采空區(qū)低壓能區(qū)域，氧化帶寬度較小。

現(xiàn)實中，判定采空區(qū)O2體積分數(shù)分布比較困難?；跀?shù)值模擬結(jié)果，提出采空區(qū)橫向氧化帶平行四邊形面積判定法，采用橫向氧化帶與工作面傾斜方向的夾角α和非沿空留巷側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度Hp構(gòu)成的平行四邊形面積作為橫向氧化帶范圍劃分依據(jù)，為現(xiàn)場采空區(qū)“三帶”劃分提供參考。采空區(qū)氧化帶定位如圖6 所示。

圖6 采空區(qū)氧化帶定位圖

根據(jù)圖5(b)中O2體積分數(shù)劃分采空區(qū)“三帶”，316綜采工作面的橫向散熱帶在靠近工作面 21 m 內(nèi)，縱向散熱帶在靠近尾巷8 m內(nèi)；橫向氧化帶平均寬度為100 m，縱向氧化帶平均寬度為4 m。根據(jù)平行四邊行面積判定法可知α=6°、Hp=100 m、氧化帶區(qū)域面積為2.34×104m2。

6 沿空留巷采空區(qū)堵漏控風試驗

控制漏風源是解決漏風問題的重要途徑，提出封堵下隅角(方案1)、封堵上隅角(方案2)、同時封堵上下隅角(方案3)共3種漏風源堵漏方法，每個位置封堵幕墻的長度均為10 m，采用數(shù)值模擬方法研究沿空留巷采空區(qū)的風流變化規(guī)律。

繪制出3種控風條件下z=1 m水平的O2體積分數(shù)分布云圖，如圖7所示。

(a)封堵下隅角

漏風源封堵后的橫向、縱向氧化帶分布情況如表3所示。

表3 漏風源封堵后橫向、縱向氧化帶分布情況

由表3可知，采用漏風源堵漏方法后，3種封堵方案的橫向氧化帶平均寬度分別減小了29、28、26 m，氧化帶平行四邊形夾角分別增加了9°、6°、4°，縱向氧化帶平均寬度均為4 m。因此，漏風源堵漏方法減小了橫向氧化帶的平均寬度，降低了煤氧化自燃的概率，但對縱向氧化帶的影響較小。

由圖7可以看出，采空區(qū)兩側(cè)O2體積分數(shù)的邊界，能直觀表現(xiàn)氧化帶區(qū)域變化規(guī)律，在316綜采工作面走向236、1 m處，分別沿采空區(qū)深部方向間隔10 m提取未堵漏控風(用0表示)及3種封堵方案的O2體積分數(shù)數(shù)據(jù)，繪制O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度變化曲線，如圖8所示。圖中“1-0”代表在x=1 m處未采用堵漏控風措施時的O2體積分數(shù)，“1-1”代表在x=1 m處采取堵漏控風方案1時的O2體積分數(shù)，其他以此類推。

圖8 O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度變化曲線

由圖8可知，采用漏風源堵漏控風方法后，采空區(qū)各采樣點的O2體積分數(shù)均減小，3種封堵方案在236 m處O2體積分數(shù)的最大變化量分別位于采空區(qū)105.26、126.32、105.26 m處，其值分別為-0.06、-0.04、-0.05；在1 m處O2體積分數(shù)的最大變化量分別位于采空區(qū)157.90、168.42、157.90 m處，其值分別為-0.035 9、-0.033 6、-0.047 8。

沿采空區(qū)深度方向，分別在316綜采工作面走向236、1 m處提取O2體積分數(shù)為18%和8%的點的y軸坐標，整理得到不同方案采空區(qū)“三帶”的劃分范圍，結(jié)果如表4所示。

表4 不同方案采空區(qū)“三帶”分布

由表4可以看出，位于316綜采工作面1 m處，采取封堵下隅角(方案1)時，能使1 m處O2體積分數(shù)為18%的點靠近工作面；采取封堵上隅角(方案2)時，能使1 m處O2體積分數(shù)為18%的點遠離工作面；采取3種方案封堵后O2體積分數(shù)為8%的點均靠近工作面。在工作面1 m處，方案2的橫向氧化帶寬度變化最大，減小到了60.30 m。

位于316綜采工作面236 m處，采取3種方案后O2體積分數(shù)18%的點均遠離工作面；采取3種封堵方案后O2體積分數(shù)為8%的點均靠近工作面。在工作面236 m處，方案1的橫向氧化帶平均寬度變化最大，減小到了80.40 m。

根據(jù)圖5和圖7計算氧化帶區(qū)域面積，結(jié)果見表5。

表5 不同方案氧化帶區(qū)域面積

由表5可以看出，氧化帶區(qū)域面積相對變化量最大的是封堵下隅角(方案1)，減小了13.80%，故采用方案1的采空區(qū)氧化帶區(qū)域面積變化最大。

7 結(jié)論

1)建立了開放式沿空留巷采空區(qū)風流運移影響因素指標，其影響因素主要包括采空區(qū)結(jié)構(gòu)因素、流體因素、物理化學因素，以及采礦方法和支護方式等。

2)將沿空留巷采空區(qū)的氧化帶按工作面傾斜方向和尾巷平行方向分為橫向氧化帶和豎向氧化帶。提出了采空區(qū)橫向氧化帶平行四邊形判定法，采用橫向氧化帶與工作面傾斜方向的夾角α和非沿空留巷側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度Hp構(gòu)成的平行四邊形面積作為橫向氧化帶范圍劃分依據(jù)。

3)采用堵漏控風方法研究了沿空留巷采空區(qū)風流運移規(guī)律，結(jié)果表明堵漏措施減小了橫向氧化帶的寬度、增大了橫向氧化帶與工作面的夾角，不影響縱向氧化帶的寬度。封堵下隅角時，采空區(qū)氧化帶區(qū)域面積變化最大，減小了13.80%。