切頂成巷“Y”型通風工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域研究

安 鑫

(西山煤電集團 官地礦，山西 太原 030022)

煤礦安全生產受采空區(qū)浮煤自燃災害的威脅越來越大[1]. 隨著切頂成巷無煤柱開采技術的應用，工作面通風系統由“U”型變?yōu)椤癥”型，雖有效解決了工作面上隅角瓦斯問題，但采空區(qū)漏風量增大，漏風范圍變廣，增加了采空區(qū)浮煤自燃的危險性[2].

隨著技術的發(fā)展，采空區(qū)流-固-熱耦合研究大多采用數值模擬技術進行研究[3]. 基于采空區(qū)“O”型圈理論，李宗翔等[4]開發(fā)了基于有限元方法求解的G3程序，并對采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律、遺煤自燃分布特征、注氮防滅火等做了分析。文虎等[5]求解了各條件下采空區(qū)自燃帶的分布特征，定量分析了影響沿空留巷采空區(qū)內氧化帶范圍的關鍵參數。何磊等[6]采用數值模擬方法模擬研究了“Y”型通風采空區(qū)流場和瓦斯運移規(guī)律，并對比分析了“U”型和“Y”型通風條件下采空區(qū)流場和瓦斯運移特征。劉偉等[7]建立了多場耦合的采空區(qū)自然發(fā)火模型，對比研究了“U”型與“Y”型通風對采空區(qū)自然發(fā)火的影響。

以某礦62711切頂成巷工作面為例，采用理論分析和Fluent數值模擬相結合的手段，與“U”型通風工作面進行對比，分析切頂成巷“Y”型通風工作面采空區(qū)漏風規(guī)律、氣體運移和浮煤自燃危險區(qū)域，給出采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布特征，對此類工作面采空區(qū)浮煤自燃防治具有實際指導意義。

1 工作面概況

某礦62711工作面位于北七盤區(qū)，工作面走向長1 652 m，傾向長216 m，主采2#煤層，煤層平均厚度1.90 m，結構簡單，傾角平緩。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，并在采空區(qū)側定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力，實現自動成巷和無煤柱開采，實現110工法的切頂成巷無煤柱開采技術。工作面采用兩進一回的“Y”型通風方式，其中皮帶巷和軌道巷進風，沿空留巷回風。工作面實際配風量1 237.80 m3/min，其中皮帶巷進風797.39 m3/min，軌道巷進風431.89 m3/min. 巷道布置示意圖見圖1.

圖1 62711工作面巷道布置示意圖

2 采空區(qū)多孔介質模型

將采空區(qū)設置為多孔介質流體區(qū)域，同時使用C語言編寫UDF外部程序，分別定義采空區(qū)多孔介質的黏性阻力損失系數、慣性阻力損失系數、孔隙率、瓦斯質量源相和氧氣消耗源相等，數值運算時將其加載到主程序中，以增強Fluent軟件對該數學模型的適應性和契合度。

2.1 孔隙率

由于工作面推進速度不同、冒落巖石的巖性以及大小、原始應力、采動應力的不同，采煤高度的變化造成采空區(qū)遺煤和巖石的壓實程度差異很大，孔隙分布不均勻[8]，因此，采空區(qū)冒落煤巖為非均勻多孔介質。采空區(qū)多孔介質內煤巖的冒落壓實大致按照“O”型圈分布[9]，在x和y兩個方向的碎脹系數分布函數為：

Kp(x,y)=Kp,min+(Kp,max-Kp,min)e-a1d1(1-e-ξa0d0)ξ<1

(1)

采空區(qū)空隙度n為：

(2)

式中：

Kp—采空區(qū)冒落煤巖碎脹系數分布函數，跟采空區(qū)內的位置有關，無因次；

ξ—控制模型分布形態(tài)的調整數，取0.233；

Kp,max—初始冒落碎脹系數，取1.5；

Kp,min—冒落巖石壓實時的碎脹系數，取1.2；

a0、a1—距離固壁和工作面的衰減率，m-1，分別取0.27、0.037；

d0、d1—點(x,y)與固壁和工作面l邊界的距離，m.

采空區(qū)多孔介質孔隙率近似為n.

2.2 黏性和慣性阻力系數

多孔介質模型是通過在動量方程中添加一個動量損失源項實現的，該源項由黏性損失項和慣性損失項組成，采空區(qū)多孔介質第i個動量方程損失源項[10]為：

(3)

采空區(qū)視為各向同性多孔介質，因此Si可以簡寫為：

(4)

采空區(qū)氣體服從線性滲透定律，根據Blake-Kozeny公式[11]可知：

(5)

(6)

式中：

Dij、Cij—黏性和慣性阻力損失系數矩陣；

α—滲透率，m2；

C2—慣性阻力損失系數，m-2；

1/α—黏性阻力損失系數，m-2；

DP—采空區(qū)平均調和粒徑，m，取0.07.

2.3 浮煤自燃危險區(qū)域判別標準

采空區(qū)煤的自燃“三帶”通常有3種劃分標準，即以采空區(qū)內的漏風強度、氧氣濃度和復合判據來劃分[12]. 按復合判據劃分采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域，即漏風強度滿足Q<0.24 m/min(v<0.004 m/s)，同時氧氣濃度滿足C>7%.

3 幾何模型及參數

3.1 幾何模型及網格劃分

根據采空區(qū)基本參數，按照數值模擬要求對幾何模型作適當簡化。經計算，采空區(qū)高度為40 m，尺寸設為400 m×220.2 m×40 m. “U”型通風工作面尺寸為211.8 m×5.5 m×2.8 m，“Y”型通風工作面為216 m×5.5 m×2.8 m. 軌道巷和皮帶巷尺寸為30 m×4.2 m×2.8 m，沿空留巷為400 m×4.2 m×2.8 m. 簡化后幾何模型示意圖見圖2. 利用ANSYS ICEM軟件，采用結構網格劃分方法對模型進行網格劃分，網格步長取1.4 m，網格數量為3 182 167，質量均大于0.9.

圖2 幾何模型和網格劃分示意圖

3.2 模擬參數設置

為了對比分析“U”型和“Y”型通風方式下采空區(qū)各場的分布情況，設模兩種通風方式的工作面進風量相同。為了方便分析數據，將采空區(qū)各邊界分別命名為Γ1～Γ4，并在模型內z=0 m截面上設置若干監(jiān)測點，其中Rx1～Rx3監(jiān)測點組沿采空區(qū)走向等距排列，Ry0～Ry3監(jiān)測點組沿采空區(qū)傾向等距排列，具體布置見圖3.

圖3 采空區(qū)監(jiān)測點布置圖

4 采空區(qū)漏風分析

對比分析采空區(qū)漏風流場，見圖4. 通過分析可知，“Y”型通風方式下風壓在邊界Γ2與Γ3交匯處最大，為52 Pa，且沿解算區(qū)域的對角線方向逐漸減小。“Y”型通風方式漏風大致呈“L”型，幾乎覆蓋采空區(qū)1/4，主要集中在工作面和沿空留巷附近。皮帶巷進來的風流集中在工作面端頭幾乎垂直漏入采空區(qū)，并且漏風越靠近Γ2邊界越能進入到采空區(qū)的深部。

圖4 采空區(qū)漏風流場分布規(guī)律圖

對比分析工作面風量的變化，見圖5，其中橫坐標0 m處為回風巷，220 m為進風巷。從圖5可以看出，“Y”型通風風流沿著整個工作面向采空區(qū)漏風，由皮帶巷處的1.09 m/s降低至1.01 m/s，向采空區(qū)的漏風量為73.92 m3/min，為“U”型通風的1.33倍。

圖5 工作面風速對比曲線圖

“Y”型通風沿空留巷風速見圖6. 從圖6可以看出，在沿空留巷與工作面交匯處0～50 m漏風最強，漏風集中在該區(qū)域內漏入沿空留巷。沿空留巷風速隨距離的增加逐漸升高，但是從曲線斜率可以看出，其漏風強度在逐漸降低，采空區(qū)向沿空留巷的漏風風速按負指數關系在逐漸遞減。這是由于沿程阻力的作用，引起采空區(qū)風流彌散，風流流程越長彌散越強烈。

圖6 “Y”型通風沿空留巷風速曲線圖

為了驗證數值模擬的可靠性，在工作面8個位置處進行漏風測試。將模擬和實測的工作面風量繪制成曲線，見圖7. 從圖7可以看到，工作面向采空區(qū)模擬漏風量為109.97 m3/min，實測漏風量為112.08 m3/min. 工作面風量的模擬值與實測值基本吻合。由此可見，數值模擬可靠性較高，對實踐有較強的理論指導意義。

圖7 工作面風量變化規(guī)律曲線圖

5 采空區(qū)氣體運移特征

采空區(qū)瓦斯體積分數分布情況見圖8. “U”型通風瓦斯體積分數在Γ1邊界最寬，越靠近Γ2邊界越窄，“Y”型通風時瓦斯體積分數與之類似。整體上，“Y”型通風瓦斯體積分數比“U”型低，在上隅角處表現尤為明顯，可見“Y”型通風能有效解決工作面上隅角瓦斯超限問題。

圖8 采空區(qū)瓦斯體積分數分布圖

從定量的角度對比采空區(qū)瓦斯體積分數的分布規(guī)律，見圖9. 從圖9a)可以看出，二者采空區(qū)瓦斯體積分數都沿采空區(qū)深度逐漸升高，“U”型通風最高可達80%，“Y”型通風最高只有30%，二者差別在靠近Γ1邊界的Rx1表現最為明顯。從圖9b)可以看出，二者采空區(qū)瓦斯體積分數均沿Y軸逐漸降低，越靠近采空區(qū)深部差距越明顯。

圖9 采空區(qū)瓦斯體積分數分布曲線圖

對比得出采空區(qū)氧氣濃度分布情況，見圖10. 從圖10可以看出，“Y”型通風采空區(qū)氧氣濃度較高，尤其在Γ3側工作面后0～50 m. “Y”型通風方式下采空區(qū)氧氣濃度分布特征在于：沿走向在Γ1側分布窄而在Γ2側分布寬，在Γ2側最遠能延伸至250 m，這是因為皮帶巷和軌道巷進風量的不均衡導致的，皮帶巷作為工作面主要進風巷，風量大，向采空區(qū)的漏風多，漏風速率較大，氧氣分布廣。

圖10 采空區(qū)氧氣體積分數分布圖

從走向和傾向定量比較采空區(qū)氧氣體積分數變化規(guī)律，見圖11. 在走向上，“Y”型通風由于漏風的增加使其氧氣體積分數比“U”型通風高，而變化規(guī)律基本相同，氧氣體積分數沿著采空區(qū)深度逐漸降低。其次，Rx1和Rx3上二者氧濃度差距比Rx2大，最大相差15%，而Rx2最大相差不到10%. 在傾向上，“Y”型通風采空區(qū)氧氣濃度在Ry0變化不大，兩種通風方式下氧氣濃度在Ry1(距工作面100 m)上的差距表現最為明顯，最大相差10%.

6 采空區(qū)自燃區(qū)域分布特征

按復合標準劃分出的自燃危險區(qū)域結果見圖12. 從圖12可以看出，“U”型通風采空區(qū)自燃危險區(qū)域主要集中在進風隅角附近，而“Y”型通風則分布較廣，自燃危險區(qū)域在皮帶巷側深入采空區(qū)深部，結合采空區(qū)自燃危險區(qū)域位置及寬度表(表1)分析可知，自燃危險區(qū)域在Γ2側分布為68～320 m，而在Γ1側100 m位置處寬度降至0 m，這是由沿空留巷附近風速較大引起的?！癥”型通風自燃危險區(qū)域最大寬度增大171 m，與工作面距離平均增加40 m，因此，切頂留巷技術給采空區(qū)防滅火工作面帶了壓力，必須采取相應的采空區(qū)防滅火措施對采空區(qū)煤自燃災害進行預防。

表1 采空區(qū)自燃危險區(qū)域位置及寬度表

7 結 論

1) “Y”型通風方式下，風流沿著整個工作面漏入采空區(qū)并沿采空區(qū)對角線流動，大致呈“L”型，漏風范圍幾乎覆蓋采空區(qū)1/4，主要集中在工作面和沿空留巷附近，漏風量為“U”型通風的1.33倍。對沿空留巷內的風速進行擬合，得出采空區(qū)向沿空留巷的漏風流速與巷道深度的關系。采空區(qū)向沿空留巷的漏風風速按負指數關系逐漸遞減。

2) “Y”型通風瓦斯體積分數整體上比“U”型低，在上隅角處表現尤為明顯，在走向上的變化規(guī)律基本相同。在工作面0～50 m，“Y”型通風采空區(qū)氧氣濃度較高，在采空區(qū)下邊界分布最窄，在上邊界分布最寬。在靠近采空區(qū)邊界處二者差距比中部大，在傾向上，距工作面100 m內的差距表現最為明顯，最大相差10%.

圖12 采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域圖

3) “Y”型通風浮煤自燃危險區(qū)域在皮帶巷側的采空區(qū)深部分布較廣，在采空區(qū)上邊界的分布為68～320 m，而在下邊界100 m位置處寬度降至0 m.“Y”型通風自燃危險區(qū)域最大寬度增大171 m，與工作面距離平均增加40 m. 切頂留巷技術給采空區(qū)防滅火工作面帶來了壓力，必須采取相應措施進行預防。