深井自然風(fēng)壓及采空區(qū)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律研究

高常華 孫 帥 姜明棟

（山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272400）

自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響隨開(kāi)采深度增加越發(fā)明顯，其對(duì)礦井通風(fēng)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用[1-3]。

新河煤礦屬于典型深部開(kāi)采礦井，自然風(fēng)壓的變化容易導(dǎo)致瓦斯涌出異常和漏風(fēng)自燃等問(wèn)題[4]。本文根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，提出對(duì)自然風(fēng)壓進(jìn)行利用和控制的措施，減少了自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的不利影響，一定程度上提高了礦井的生產(chǎn)安全性[5-6]。

1 礦井通風(fēng)概況

礦井目前采用中央并列抽出式通風(fēng)，礦井主要通風(fēng)機(jī)為GAF23.7-11.8-1 型軸流式風(fēng)機(jī)。掘進(jìn)工作面采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，采煤工作面采用單進(jìn)單回“U”型通風(fēng)方式。在該通風(fēng)方式下，井下采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差受自然風(fēng)壓影響較大，隨自然風(fēng)壓變化，各時(shí)間段壓差正負(fù)起伏較大，導(dǎo)致密閉漏風(fēng)嚴(yán)重，存在遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

2 深井大面積采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究

2.1 測(cè)點(diǎn)測(cè)定壓能布置

針對(duì)7312 綜放面，具體測(cè)定地點(diǎn)是采空區(qū)沿途各密閉處。根據(jù)730 采區(qū)的采空區(qū)分布狀況和井下情況，共設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1。

圖1 采空區(qū)沿途密閉內(nèi)外壓能測(cè)定點(diǎn)

2.2 各測(cè)點(diǎn)壓能測(cè)定結(jié)果與分析

為更準(zhǔn)確地反映出采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律，將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整理出代表秋冬季氣候的兩月內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓能，計(jì)算密閉內(nèi)外壓能差。9 月軌道順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（a），膠帶順槽密閉壓差如圖2（b），10 月軌道順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（c），膠帶順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（d）。

圖2 各測(cè)點(diǎn)密閉內(nèi)外壓能差

大氣壓較高（＞112.8 MPa）時(shí)，密閉內(nèi)外壓差為負(fù)數(shù)，有空氣流入采空區(qū)內(nèi)的趨勢(shì)，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度高于正常值；大氣壓較低（＜112.8 MPa）時(shí)，密閉內(nèi)外壓差為正數(shù)，有采空區(qū)內(nèi)氣體外流的趨勢(shì)，氧氣濃度低，在正常值內(nèi)。由此可知，采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差受自然風(fēng)壓變化較大。

2.3 自然風(fēng)壓的測(cè)定及變化規(guī)律

采用間接測(cè)量法對(duì)煤礦的自然風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。根據(jù)實(shí)際情況，測(cè)定時(shí)間選擇3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00，這樣可以更好地反映自然風(fēng)壓在煤礦秋冬季一天中的變化。自然風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果如圖3。

圖3 秋冬季一天中不同時(shí)段自然風(fēng)壓變化

根據(jù)圖3 曲線變化，自然風(fēng)壓在3：00～9：00這一時(shí)間段先緩慢下降，當(dāng)時(shí)間達(dá)到6：00，自然風(fēng)壓快速下降；9：00～15：00，這一時(shí)段的自然風(fēng)壓近似呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，并在15：00 達(dá)到最??；15：00～24：00，自然風(fēng)壓先快速上升，大約在19：00 之后，自然風(fēng)壓的上升速率逐漸下降，處于穩(wěn)定上升階段。從零時(shí)開(kāi)始，新河煤礦秋冬季自然風(fēng)壓總體呈現(xiàn)先下降后上升的變化規(guī)律。

2.4 深井大面積采空區(qū)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用SIMPLE 算法求解不可壓流場(chǎng)，能夠較為精確地求解動(dòng)量方程。

1）模型構(gòu)建

針對(duì)7312 工作面采空區(qū)，利用ANSYS Fluent軟件，構(gòu)建采空區(qū)三維數(shù)值模型以及分析采空區(qū)的流場(chǎng)分布。

各密閉巷道處設(shè)置為壓力出/入口，巷道區(qū)域的邊界條件為流體，自主編譯UDF 函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，空氣密度選擇Boussinesq 假設(shè)，選擇分離式求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。湍流模型為k-ζ 模型，選擇SIMPLE 算法對(duì)壓力速度耦合求解，基于模型網(wǎng)格劃分的是混合網(wǎng)格，離散化方法選擇二階格式。

2）模擬結(jié)果分析

如圖4 為采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬圖，由圖分析，風(fēng)流在密閉附近的影響強(qiáng)度較大，在采空區(qū)深部影響強(qiáng)度較小。這說(shuō)明，采空區(qū)前段風(fēng)流速度較快，深部風(fēng)流速度較小，結(jié)果表明進(jìn)風(fēng)巷道的風(fēng)流速度大于回風(fēng)側(cè)。因此，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣體交換較為明顯，由于密閉內(nèi)外壓差較小，風(fēng)流速度在采空區(qū)內(nèi)表現(xiàn)并不強(qiáng)烈。采空區(qū)后部隨著距離的加深，風(fēng)速逐漸減小直至為零。

3 深井大面積采空區(qū)漏風(fēng)防治及自然風(fēng)壓利用

針對(duì)新河煤礦深井大面積采空區(qū)，采空區(qū)自燃是煤炭開(kāi)采過(guò)程中的主要威脅，且由于自然風(fēng)壓引發(fā)的采空區(qū)呼吸現(xiàn)象，有利于遺煤與氧氣的充分接觸，因此需要對(duì)大面積采空區(qū)漏風(fēng)防治及自然風(fēng)壓利用技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 堵漏風(fēng)技術(shù)

1）巷道噴涂封堵加固技術(shù)

對(duì)巷道漏風(fēng)區(qū)域，采用SPA 泡沫型快速密閉材料進(jìn)行封堵。該材料具有如下顯著特點(diǎn)：施工方便、迅速、周期短；高分子材料具有塑性，對(duì)巷道變形有一定的適應(yīng)性；隔絕了煤體和井下空氣的接觸，有效地防治了老空區(qū)和巷道的漏風(fēng)通道。

2）保護(hù)煤柱壓注高分子材料堵漏風(fēng)

根據(jù)礦井煤層注水情況，注漿終壓應(yīng)為4 MPa，擴(kuò)散半徑為1.5 m 左右。實(shí)際注漿時(shí)應(yīng)以煤壁裂隙冒漿為準(zhǔn)，且單孔一次注漿量一般不能低于1.0 m3。壓注時(shí)首先向水箱中加水，然后加入MAB防滅火劑。攪拌均勻后，開(kāi)啟注膠泵壓注MAB 溶液，正常情況下以鉆孔周圍煤體出現(xiàn)掛汗為止。壓注結(jié)束后，用清水清洗管道。

3.2 自然風(fēng)壓的控制利用

1）自然風(fēng)壓的控制及利用原則

① 盡量利用進(jìn)排井口之間的高度差，用高度較高的井筒作為排氣口；

② 降低井內(nèi)空氣阻力，改善自然通風(fēng)，采用多個(gè)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，在氣流向上的季節(jié)通過(guò)采空區(qū)通風(fēng)；

③ 進(jìn)風(fēng)井必須設(shè)置水幕或噴水，以增加進(jìn)排氣井之間的溫差。

2）基于礦井自然風(fēng)壓的風(fēng)壓—風(fēng)機(jī)匹配

機(jī)械風(fēng)壓與自然風(fēng)壓相互作用匹配示意圖如圖5。通過(guò)對(duì)新河煤礦自然風(fēng)壓規(guī)律進(jìn)行分析，此煤礦的礦井通風(fēng)動(dòng)力，主要是因?yàn)槎酒陂g的自然風(fēng)壓有效地幫助主扇工作。

圖5 自然風(fēng)壓與機(jī)械風(fēng)壓的匹配示意圖

新河煤礦屬于受自然風(fēng)壓影響較大的礦井，當(dāng)自然風(fēng)壓與主通風(fēng)機(jī)共同作用時(shí)，幫助礦井通風(fēng)。實(shí)際情況下，通過(guò)主扇的風(fēng)量已經(jīng)超過(guò)礦井要求風(fēng)量，主扇特性曲線調(diào)整為Ⅳ（或比Ⅳ稍大）可以達(dá)到省電的目的。

3）基于自然風(fēng)壓變化的相關(guān)措施制定

① 合理選擇開(kāi)采方式和通風(fēng)方式

瓦斯涌出量大以及工作面自然發(fā)火期長(zhǎng)的區(qū)域，上行通風(fēng)或俯采是最優(yōu)選擇。自然發(fā)火期短，瓦斯涌出量小的區(qū)域，采煤工作面采用仰采的方式。

② 自然風(fēng)壓反向風(fēng)流的控制

在自然風(fēng)壓重點(diǎn)影響區(qū)域井巷中安設(shè)硐室型空氣幕。當(dāng)自然風(fēng)流出現(xiàn)反向時(shí)，可在巷道內(nèi)安裝硐室型空氣幕，引射風(fēng)流，改變風(fēng)流方向。

開(kāi)采過(guò)程中，及時(shí)關(guān)閉礦井上部中段的采空區(qū)和廢棄舊巷道，避免大量自然風(fēng)流通過(guò)采空區(qū)和廢舊巷道漏入井下，影響風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果和下部污風(fēng)的排出。

③ 合理安排礦井反風(fēng)演習(xí)

此外，每年在不同季節(jié)和不同月份進(jìn)行反風(fēng)演習(xí)，并按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。這樣可以評(píng)估自然風(fēng)壓在不同季節(jié)對(duì)礦井反風(fēng)能力的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新河煤礦實(shí)測(cè)以及數(shù)值模擬，對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律和深部礦井自然風(fēng)壓的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，研究過(guò)程中得出以下結(jié)論：

1）大氣壓力較低時(shí)，密閉內(nèi)外呈負(fù)壓，大氣壓力較高時(shí)，密閉內(nèi)外呈正壓，自然風(fēng)壓的變化導(dǎo)致壓能和密閉內(nèi)外壓能差的變化，表明自然風(fēng)壓的確對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律造成影響。

2）數(shù)值模擬結(jié)果與所分析的規(guī)律接近，在進(jìn)風(fēng)巷道處風(fēng)流速度大，其所影響的采空區(qū)范圍要比回風(fēng)側(cè)所影響的采空區(qū)范圍大，采空區(qū)前端風(fēng)流運(yùn)動(dòng)較為劇烈。

3）針對(duì)煤礦實(shí)際情況，制定了選擇開(kāi)采方式和通風(fēng)方式、基于礦井自然風(fēng)壓的風(fēng)壓—風(fēng)機(jī)匹配、自然風(fēng)壓反向風(fēng)流的控制、合理安排礦井反風(fēng)演習(xí)等相關(guān)措施。