劉佳佳，　王　丹,　高建良

(1.黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022； 2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201； 3.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院， 北京 100083；4.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

?

高抽巷抽采負壓對采空區(qū)漏風及自燃帶的影響

劉佳佳1,2,3，王丹1,高建良4

(1.黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022； 2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201； 3.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院， 北京 100083；4.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

為防止遺煤自燃，結合山西某礦9101工作面實際，在抽采負壓分別為0、8、12、160、20、24 kPa時，利用計算流體力學軟件Fluent，進行數(shù)值模擬。結果表明：不同抽采負壓對采空區(qū)的漏風流場分布及采空區(qū)的漏風量均有顯著影響。在回風側采空區(qū)其受到高抽巷的影響比進風側采空區(qū)大，導致工作面漏風風速在回風側差別較大；不同抽采負壓條件下采空區(qū)自燃帶寬度均為中部>進風巷側>回風巷側。抽采負壓為12 kPa時，采空區(qū)自燃帶寬度平均值為87 m，為自燃帶寬度曲線的“凹點”。12 kPa為臨界點，臨界點之前抽采瓦斯純量增速較快，臨界點之后抽采瓦斯純量增速緩慢。綜合考慮高抽巷抽采瓦斯純量和采空區(qū)自燃帶寬度，9101工作面高抽巷抽采負壓確定為12 kPa左右。

采空區(qū)； 高抽巷； 自燃帶； 數(shù)值模擬

0　引　言

瓦斯災害是煤礦的主要災害之一。煤層瓦斯抽采是世界主要產(chǎn)煤國家進行瓦斯治理的重要技術手段。眾多瓦斯抽采方法中，高抽巷具有抽采效果好、抽采時間長和抽采半徑大等顯著優(yōu)點，在煤礦現(xiàn)場越來越普及。高抽巷可分為走向高抽巷和傾向高抽巷，大多數(shù)煤礦采用走向高抽巷。目前，國內(nèi)外學者在高抽巷方面的研究做了許多工作。林海飛等[1-4]針對走向高抽巷的布置最優(yōu)位置(平距、垂距)進行了研究;高林等[5-6]研究了內(nèi)錯型高抽巷的抽采效果，得到上隅角瓦斯?jié)舛扰c內(nèi)錯距離呈“V”形關系，內(nèi)錯距離為30 m時效果最優(yōu)；高保彬等[7]研究了外錯型高抽巷的可行性，得到外錯型高抽巷可以起到一巷多用的特點；高建良等[8]對有、無高抽巷兩種情況下采空區(qū)漏風流場進行了研究，得到有高抽巷比沒有高抽巷采空區(qū)漏風量增加54.7%。

高抽巷一般布置在回風側采空區(qū)裂隙帶瓦斯富集區(qū)內(nèi)，從瓦斯抽采的角度來看，通過增加高抽巷抽采負壓來提高瓦斯抽采率，但高抽巷的瓦斯抽采勢必會增加采空區(qū)漏風，會加劇采空區(qū)遺煤自燃的可能性，而通過降低高抽巷抽采負壓來減小采空區(qū)漏風，就會導致工作面及采空區(qū)的瓦斯積聚，引起瓦斯事故的發(fā)生，一定程度上高抽巷的瓦斯抽采和采空區(qū)遺煤自燃是相互制約、相互影響的。在高抽巷位置對采空區(qū)遺煤自燃影響方面，肖峻峰等[9]研究了高抽巷布置位置對瓦斯抽采效果和采空區(qū)遺煤自燃的影響規(guī)律，得到高抽巷布置在頂板40 m時，可以達到抽采瓦斯和防火的要求；馮雪[10]研究了高抽巷層位對采空區(qū)自燃危險的影響，發(fā)現(xiàn)高抽巷垂距越大，氧化升溫帶越寬，采空區(qū)自燃危險性越高；尹曉雷[11]等研究了高抽巷不同層位對采空區(qū)自燃三帶范圍的影響。在高抽巷抽采負壓對采空區(qū)遺煤自燃影響方面還存在不同的觀點，張玫潤等[12]在分析高抽巷與采空區(qū)自燃耦合關系的基礎上，認為高抽巷抽采負壓變化對采空區(qū)自燃三帶影響很小可以忽略；張儉讓等[13]研究了有無高抽巷對采空區(qū)瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛鹊挠绊懀玫礁叱橄锟梢越鉀Q上隅角瓦斯積聚問題，認為高抽巷抽采負壓會增加采空區(qū)氧化升溫帶的寬度。究竟高抽巷抽采負壓對采空區(qū)漏風及遺煤自燃的影響如何，尚須進一步深入研究。

筆者結合山西某礦9101工作面的實際情況，在前期確定該工作面高抽巷最優(yōu)位置的基礎上，即最優(yōu)位置為距離煤層底板垂高40 m，距離回風巷平距30 m，利用計算流體力學軟件Fluent針對高抽巷不同抽采負壓對采空區(qū)漏風及遺煤自燃的影響進行研究。

1　工作面概況及數(shù)值模擬

1.19101工作面概況

9101工作面為91采區(qū)的首采工作面，工作面東側為2#皮帶巷，西側為勘探斷層，南側9102工作面，北側為絳河保護煤柱，工作面標高285～525 m，工作面回風巷長度1 600 m，運輸巷長度為1 400 m，工作面傾斜長度335 m，煤層厚度5.85 m，為一次采煤層全高，工作面日產(chǎn)量15 000 t，采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)絕對瓦斯涌出量28.33 m3/min。

1.2采空區(qū)的物理模型

根據(jù)9101工作面的實際情況建立物理模型，采空區(qū)走向長度取300 m、工作面傾斜長度為335 m，進回風巷長度取30 m、寬度為5 m、高度為4 m，工作面寬度為5 m，高度為5 m，高抽巷寬度為4 m，高度為3 m。采空區(qū)冒落帶高度為23.4 m，裂隙帶高度為60 m，由于彎曲下沉帶變化很小，模型不考慮采空區(qū)彎曲下沉帶的影響，建立三維物理模型，如圖1所示。

圖1　9101工作面采空區(qū)的物理模型

Fig. 1Physical model of 9101 working face and gob

1.3采空區(qū)的數(shù)學模型

由于采空區(qū)多孔介質(zhì)非常不規(guī)則，氣體流動十分復雜，層流是采空區(qū)氣體流動的主要流態(tài)。采空區(qū)流體流動及瓦斯運移符合連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分輸運守恒方程，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和滲流定律理論，建立采空區(qū)多組分控制方程組通用形式[14]：

(1)

式中：φ——通用變量，代表u、v、w、T等求解變量；

n——多孔介質(zhì)孔隙率；

?！獜V義擴散系數(shù)；

S——廣義源項。

對于特定的控制方程φ、Γ、S具有特定的形式。

工作面內(nèi)為湍流流動區(qū)域，符合標準k-ε方程：

(2)

(3)

式中：k——湍動能，m2/s2；

ε——湍動能耗散率，m2/s3；

μ——氣體動力黏滯系數(shù)，Pa·s；

μt——湍流動力黏滯系數(shù)，Pa·s ；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項。

μt=ρCk2/ε，

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C1u=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.4邊界條件

工作面進風巷為速度入口(Velocity-inlet)，平均風速為2.6 m/s，進風氧氣體積分數(shù)為21%，瓦斯?jié)舛葹?；回風巷為自由出口(Out-flow)；高抽巷出口為壓力出口(Pressure-outlet)，高抽巷的抽采負壓分別為0、8、12、16、20、24 kPa，工作面與采空區(qū)邊界為內(nèi)部邊界(Interior)，采空區(qū)固壁為無滑移邊界條件(u=v=w=0)，采空區(qū)瓦斯涌出量為0.47 m3/s，利用C語言編寫采空區(qū)瓦斯涌出強度和采空區(qū)滲透率分布的函數(shù)關系。

1.5數(shù)值模擬過程

在笛卡爾坐標系下，采用Gambit建模軟件建立物理模型并進行非結構化網(wǎng)格劃分，定義物理模型的邊界條件和初始條件，導入到Fluent解算軟件進行數(shù)值解算，解算時采用控制容積法對控制方程進行離散，為提高精度，對流項和擴散項采用二階迎風格式，采用三對角矩陣算法和松弛因子相結合的方法進行迭代計算，速度與壓力之間的耦合采用PISO算法[14]。

2　結果分析

2.1高抽巷不同抽采負壓對采空區(qū)漏風的影響

為了分析高抽巷抽采負壓對工作面向采空區(qū)的漏風的影響，模擬得到高抽巷不同抽采負壓(0、24 kPa，z=2 m)條件下工作面及采空區(qū)漏風流線分布，如圖2所示。

a　0 kPa

Fig. 2High suction tunnel different vacuum extraction conditions leakage air flow line of gob

由圖2可以看出，高抽巷抽采負壓對采空區(qū)的漏風有明顯的影響，高抽巷的瓦斯抽采改變了采空區(qū)漏風流線的分布規(guī)律，采空區(qū)高度z=2 m時，在進風側采空區(qū)抽采負壓為0和24 kPa時,采空區(qū)漏風流線分布規(guī)律基本一致，而在回風側采空區(qū)高抽巷的影響比較明顯，高抽巷抽采負壓為0 kPa時，工作面向采空區(qū)的漏風大部分經(jīng)過上隅角匯入回風巷中，而抽采負壓為24 kPa時，工作面向采空區(qū)的漏風大部分留在采空區(qū)內(nèi)部，這是高抽巷增加采空區(qū)漏風的直接原因。圖3是高抽巷不同抽采負壓條件下工作面沿程漏風風速分布。

圖3　不同抽采負壓下工作面沿程漏風風速分布

Fig. 3Different drainage under negative pressure working face leakage along wind speed distribution

從圖3可以看出，在高抽巷不同抽采負壓條件

下，隨著抽采負壓的增加，工作面漏風風速在進風側差別較小，這主要由于高抽巷距離進風側較遠，對進風側的影響也較小；隨著抽采負壓的增加，由于高抽巷布置在回風側，受到高抽巷的影響較大，導致工作面漏風風速在回風側差別較大。為了定量分析不同抽采負壓條件下工作面向采空區(qū)漏風量的差別，通過對工作面和采空區(qū)交界面進行積分可得，高抽巷抽采負壓分別為0、8、12、16、20、24 kPa時，工作面向采空區(qū)的漏風量為0.79、1.43、1.57、1.84、2.04、2.25 m3/s，隨著抽采負壓的增加，工作面向采空區(qū)的漏風量也逐漸增加，最終會導致采空區(qū)遺煤自燃的危險性增加。

2.2高抽巷不同抽采負壓對采空區(qū)自燃三帶的影響

高抽巷不同抽采負壓條件下采空區(qū)漏風有明顯差別，而采空區(qū)漏風對遺煤自燃有重要的影響。z=2 m時，分別模擬高抽巷不同抽采負壓條件下對采空區(qū)氧氣濃度分布的影響，如圖4所示。

a　0 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　b　8 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　c　12 kPa

d　16 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　e　20 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　f　24 kPa

從圖4可以看出，高抽巷不同抽采負壓對采空區(qū)氧氣體積分數(shù)分布規(guī)律的影響比較明顯，抽采負壓越小，采空區(qū)氧氣濃度10%和18%的等值線越靠近工作面，隨著抽采負壓的增加，這兩條氧氣體積分數(shù)等值線逐漸運移到采空區(qū)深部；隨著距離煤層底板越高，工作面向采空區(qū)的漏風也相對減少，采空區(qū)氧氣氣體積分數(shù)10%和18%等值線越靠近工作面，高濃度氧氣更接近工作面，這與現(xiàn)場的實際情況相符。

采空區(qū)自燃三帶的劃分主要有三種指標即采空區(qū)氧氣體積分數(shù)，采空區(qū)漏風風速分布和溫升率。其中最常用的是采空區(qū)氧氣氣體積分數(shù)劃分指標，在采空區(qū)自燃三帶氧氣體積分數(shù)劃分標準中，氧氣體積分數(shù)≥18%為散熱帶，在10%≤氧氣體積分數(shù)<18%為自燃帶、氧氣體積分數(shù)<10%為窒息帶，為了進一步定量分析高抽巷抽采負壓與采空區(qū)自燃三帶之間的關系，根據(jù)上述標準可以得出不同抽采負壓下采空區(qū)自燃三帶范圍，如表1所示。

表1高抽巷不同抽采負壓采空區(qū)自燃三帶范圍

Table 1High suction tunnel different vacuum extraction conditions three-band range of gob

抽采負壓/kPa采空區(qū)寬度/m散熱帶/m自燃帶/m窒息帶/m0進風巷側0～102102～226>226回風巷側0～22～18>188進風巷側0～135135～274>274回風巷側0～8484～130>13012進風巷側0～153153～292>292回風巷側0～100100～135>13516進風巷側0～158158～310>310回風巷側0～104104～140>14020進風巷側0～161161～338>338回風巷側0～105105～142>14224進風巷側0～179179～340>340回風巷側0～106106～144>144

結合圖4和表1可以看出，高抽巷不同抽采負壓對采空區(qū)自燃帶分布有重要的影響，不同抽采負壓條件下采空區(qū)自燃帶寬度中部最大進風巷側>回風巷側，由于采空區(qū)進風巷側受新鮮風流攜帶高濃度氧氣的原因，采空區(qū)內(nèi)部進風巷側的自燃帶寬度明顯比回風巷側自燃帶寬度大。高抽巷抽采負壓分別為0、8、12、16、20、24 kPa時，采空區(qū)進風巷側自燃帶的寬度分別為124、139、139、152、157、161 m，回風巷側自燃帶的寬度分別為16、46、35、36、37、38 m，隨著抽采負壓的增加，采空區(qū)自燃帶寬度逐漸增大，當抽采負壓為12 kPa時，采空區(qū)自燃帶寬度平均值為87 m，該值為采空區(qū)自燃帶寬度曲線的“凹點”。如圖5自燃帶寬度曲線所示，比抽采負壓分別為8、16、20、24 kPa時，采空區(qū)自燃帶平均寬度92.5、94、97、99.5 m都要小，因此，從控制采空區(qū)遺煤自燃角度分析，抽采負壓為12 kPa時，采空區(qū)自燃危險性最小。

2.3抽采負壓對高抽巷瓦斯抽采與采空區(qū)自燃的對比

高抽巷瓦斯抽采與采空區(qū)遺煤自燃是相互影響的，因此,如何能夠兼顧瓦斯抽采和抑制采空區(qū)自燃，對高抽巷抽采負壓的選擇至關重要。通過對高抽巷不同抽采負壓條件下抽采鉆孔出口模擬數(shù)據(jù)的監(jiān)測，結合采空區(qū)自燃帶分布規(guī)律，得到抽采負壓對高抽巷抽采瓦斯純量Q與采空區(qū)自燃帶寬度b的影響，如圖5所示。

圖5　抽采瓦斯純量與采空區(qū)自燃帶寬度變化

Fig. 5Gas drainage scalar and gob width variation

從圖5可以看出，隨著抽采負壓的增加，高抽巷抽采瓦斯純量逐漸增加，抽采負壓小于12 kPa前，高抽巷抽采瓦斯純量增速較快，抽采負壓超過12 kPa后，高抽巷抽采瓦斯純量增速率緩慢，從瓦斯抽采的角度，高抽巷抽采負壓為12 kPa左右比較合理；綜上所述，綜合考慮高抽巷抽采瓦斯純量和采空區(qū)自燃帶寬度，確定9101工作面高抽巷最優(yōu)的抽采負壓約為12 kPa。

3　結　論

(1)高抽巷瓦斯抽采改變了采空區(qū)漏風流場分布和漏風匯的位置，采空區(qū)z=2 m高度上，進風側采空區(qū)不同抽采負壓條件下采空區(qū)漏風流場分布規(guī)律差別不大，而在回風側采空區(qū)高抽巷瓦斯抽采對漏風流場分布規(guī)律的影響更明顯。

(2)隨著抽采負壓的增加，工作面漏風風速在進風側差別較小，而工作面漏風風速在回風側差別較大。高抽巷抽采負壓分別為0、8、12、16、20、24 kPa時，工作面向采空區(qū)的漏風量分別為0.79、1.43、1.57、1.84、2.04、2.25 m3/s，隨著抽采負壓的增加，采空區(qū)的漏風量也逐漸增加，最終會導致采空區(qū)遺煤自燃的危險性增加。

(3)不同抽采負壓條件下采空區(qū)自燃帶寬度，中部最大,進風巷側次之，回風巷側最小,當高抽巷抽采負壓為12 kPa時，采空區(qū)自燃帶寬度平均值為87 m，比抽采負壓分別為8、16、20、24 kPa時的采空區(qū)自燃帶寬度平均值都要小。

(4)隨著抽采負壓的增加，高抽巷抽采瓦斯純量和逐漸增加，抽采負壓小于12 kPa前，高抽巷抽采瓦斯純量增速較快，抽采負壓超過12 kPa后，高抽巷抽采瓦斯純量增速緩慢。因此，綜合考慮高抽巷抽采瓦斯純量和采空區(qū)自燃帶寬度，確定9101工作面高抽巷最優(yōu)的抽采負壓在12 kPa左右。

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(編輯徐巖)

Numerical simulation of drainage negative of high alley pumping effect on the goaf air leakage and spontaneous combustion zone

LIUJiajia,WANGDan1,GAOJianliang4

(1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China；2. Hunan Key Lab of Coal Safety Mining Technology， Hunan University of Science & Technology， Xiangtan 411201, China；3. School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China；4. School of Safety Science & Engineering, Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003, China)

This paper is aimed at preventing the spontaneous combustion of residual coal by studying Face High suction tunnel drainage negative pressure on Gob Spontaneous Combustion and influence using computational fluid dynamics software Fluent, combined with No 9101 in a Shanxi mine. The results show that the negative pressure of 0, 8, 12, 16, 20, 24 kPa in the drainage is the condition favorable to using a physical model and numerical simulation; different drainage negative pressure has a significant impact on the goaf leakage air flow field distribution and the mined-out area air leakage; Gob Spontaneous Combustion widths under different drainage negative pressure are central>inlet side lane >return airway side; in the case of negative pressure drainage of 12 kPa, an average Gob width is 87 m, referred to as the “pits” of the spontaneous bandwidth curve. An increase in the suction drainage pressure is accompanied by a gradual increase in the net gas drainage scalar of the high pumping lane is, but there occurs a threshold of 12 kPa preceded by a faster growth of the net gas drainage scalar and followed by a slower faster growth of the net gas drainage scalar. The comprehensive consideration of the net gas drainage scalar of high pumping lane and the bandwidth of goaf points to the conclusion that the optimal suction drainage pressure of high pumping lane is about 12 kPa in the 9101 working face.

goaf; high alley pumping; spontaneous combustion zone; numerical simulation

2016-06-07

煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室開放基金資助項目( 201502)；國家自然科學基金項目(51474219；51174079)

劉佳佳(1985-)，男，河南省焦作人，講師，博士研究生，研究方向：礦山通風理論及技術、瓦斯災害防治，E-mail：liujiajia8803@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.003

TD712.6

2095-7262(2016)04-0362-06

A