杜春寧 ，寧德義 ，姜文忠

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

大同礦區(qū)主采煤層為特厚煤層，資源儲(chǔ)量豐富，但其上部采空區(qū)眾多，且淺部煤層早期的開采方式多為短壁式開采或者以掘代采，采空區(qū)留有大量破碎煤體，加之通風(fēng)管理技術(shù)水平較低，漏風(fēng)嚴(yán)重，極易引發(fā)遺煤氧化，形成大范圍隱蔽性著火點(diǎn)[1]。在特厚煤層開采過(guò)程中，綜放面采空區(qū)上覆巖層受采動(dòng)影響產(chǎn)生的裂隙帶高度比綜采面要高數(shù)倍[2]。上部采空區(qū)有害氣體可以在壓差作用下通過(guò)裂隙對(duì)下部煤層回采工作面產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。

均壓通風(fēng)是解決工作面角聯(lián)漏風(fēng)最有效的辦法[4]，近年來(lái)眾多學(xué)者在利用均壓通風(fēng)技術(shù)防治工作面外部氣體入侵方面做了諸多研究。王海生[5]、呂文陵[6]認(rèn)為利用工作面均壓通風(fēng)措施提升工作面風(fēng)流壓力可以有效防治采空區(qū)有害氣體的涌出；在此基礎(chǔ)上王志峰[7]認(rèn)為設(shè)置合理的工況點(diǎn)能夠平衡工作面與采空區(qū)的壓差，避免漏風(fēng)引發(fā)的采空區(qū)遺煤自燃。陳濤[8]、張明亮等[9]認(rèn)為火區(qū)下方綜放面實(shí)施均壓通風(fēng)時(shí)，合理工況點(diǎn)的設(shè)置即可以防止上部火區(qū)下泄，又不影響依據(jù)CO涌出情況對(duì)回采工作面采空區(qū)遺煤自燃進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以上研究都利用均壓通風(fēng)技術(shù)解決了采空區(qū)有害氣體異常涌入工作面的問題。但是對(duì)位于火區(qū)下方的綜放面實(shí)施均壓通風(fēng)防止有害氣體下泄時(shí)，合理設(shè)置系統(tǒng)的安全調(diào)節(jié)區(qū)間以實(shí)現(xiàn)上下采空區(qū)間流場(chǎng)的平衡，避免工作面風(fēng)壓過(guò)大將采空區(qū)瓦斯壓入上部火區(qū)造成火災(zāi)耦合事故缺少研究。因此，對(duì)大垂距雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡控制技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

1 雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡條件

1.1 流場(chǎng)平衡原理

根據(jù)達(dá)西滲流定律可知2點(diǎn)間風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的速度與2點(diǎn)間的壓力梯度相關(guān)，假設(shè)采空區(qū)垮落巖石構(gòu)成的空隙是規(guī)則的，那么雙層采空區(qū)流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)流速度可表達(dá)為[10]：

由式（1）可知：當(dāng)雙層采空區(qū)兩端的壓力相等時(shí)，雙層采空區(qū)間流場(chǎng)內(nèi)的氣體保持靜止?fàn)顟B(tài)。

假設(shè)回采工作面的風(fēng)壓沿進(jìn)風(fēng)口到回風(fēng)口方向上線性遞減，則雙層采空區(qū)間的壓差在此方向上也大體呈線性增大趨勢(shì)，壓力平衡面線性降低。合理增大工作面的風(fēng)壓，使壓力平衡面完全處于垂距范圍內(nèi)，便可保證雙層采空區(qū)流場(chǎng)的平衡。

1.2 流場(chǎng)平衡條件分析

工作面上覆巖層周期性垮落致使雙層采空區(qū)間漏風(fēng)通道復(fù)雜多變，漏風(fēng)點(diǎn)繁多且難以精確定位[11]。因此，可以抓住漏風(fēng)匯聚點(diǎn)—回風(fēng)隅角處的流場(chǎng)壓力與上部火區(qū)壓力保持平衡，便可防治上部火區(qū)有害氣體下泄和采空區(qū)瓦斯壓入上部火區(qū)[12]。

為研究流場(chǎng)平衡的條件，在工作面回風(fēng)巷任意位置i處實(shí)施斜向上的鉆孔與上部火區(qū)連通，并連接“U”型水柱計(jì)，壓差計(jì)算圖如圖1。

圖1 壓差計(jì)算圖

則“U”型水柱計(jì)顯示的壓差可表示為：

式中：△pi為 i點(diǎn)“U”型水柱計(jì)壓差，Pa；pi為回風(fēng)巷內(nèi)i點(diǎn)氣體壓力，Pa；pS為上部火區(qū)氣體壓力，Pa；ρ為井下空氣密度，kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；H為上部煤層與本煤層的間距，m。

2 雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡控制條件

2.1 回風(fēng)巷壓能損耗

在實(shí)際開采過(guò)程中，為便于監(jiān)測(cè)上部火區(qū)與本工作面之間的壓差，觀測(cè)點(diǎn)不宜變動(dòng)，一般設(shè)置在均壓風(fēng)門外側(cè)一段距離內(nèi)[14]，并通過(guò)氣線與風(fēng)門內(nèi)側(cè)連接?，F(xiàn)將回風(fēng)隅角處與回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門內(nèi)側(cè)命名為點(diǎn)A、B，在忽略回風(fēng)巷漏風(fēng)條件下，A、B斷面間的壓能損耗為：

式中：fAB為 A、B 斷面間的壓能損耗，J/kg；pA為A 斷面氣體壓力，Pa；pB為 B 斷面氣體壓力，Pa；vA為 A 斷面風(fēng)速，m/s；vB為 B 斷面風(fēng)速，m/s；zA為 A點(diǎn)巷道底板標(biāo)高，m；zB為B點(diǎn)巷道底板標(biāo)高，m；Q為回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)量，m3/s；α為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L為工作面工作面設(shè)計(jì)開采長(zhǎng)度，m；l為工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，m；U為回風(fēng)巷斷面周長(zhǎng)，m；S為回風(fēng)巷斷面積，m2。

2.2 流場(chǎng)平衡控制條件分析

由雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡條件可知，A點(diǎn)的“U”型水柱計(jì)壓差應(yīng)滿足的條件為：

連接B點(diǎn)與上部火區(qū)的“U”型水柱計(jì)壓差△pB是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)最為直接的依據(jù)，同時(shí)也是流場(chǎng)平衡控制效果的直觀顯現(xiàn)?！鱬B應(yīng)滿足的調(diào)節(jié)區(qū)間即為雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡控制條件。由式（2）、式（3）、式（4）可推導(dǎo)出△pB應(yīng)滿足調(diào)節(jié)區(qū)間為：

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

同忻煤礦西8101綜放工作面回采煤層為近水平煤層，煤厚平均為15 m，與上部14號(hào)煤層的垂高為89.6 m。工作面走向長(zhǎng)度1 757 m，傾向長(zhǎng)度200 m。絕對(duì)瓦斯涌出量為24.19 m3/min。西8101綜放工作面通風(fēng)方式為“U+I”型，工作面進(jìn)風(fēng)量為2 500 m3/min，頂板瓦斯巷抽放量為800 m3/min，回風(fēng)巷回風(fēng)量為1 700 m3/min。進(jìn)、回風(fēng)巷斷面為5.2 m×3.95 m、頂板瓦斯巷斷面為5.2 m×3.95 m，均采用錨桿錨網(wǎng)支護(hù)。工作面回采85 m后，上隅角CO體積分?jǐn)?shù)急劇增大，最高可達(dá)0.2%，導(dǎo)致工作面暫時(shí)停產(chǎn)。

經(jīng)分析，西8101綜放工作面采場(chǎng)上覆巖層垮落所形成的裂隙足以與14號(hào)煤層采空區(qū)連通。上部采空區(qū)有害氣體在本工作面通風(fēng)負(fù)壓和頂板瓦斯巷抽放負(fù)壓的共同作用下大量涌入工作面[15]。因此，判定西8101工作面CO體積分?jǐn)?shù)超限為上部老火區(qū)有害氣體下泄所致。

3.2 構(gòu)建均壓系統(tǒng)

在西8101工作面構(gòu)建均壓通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)控制雙層采空區(qū)的流場(chǎng)平衡（圖2）。具體為：進(jìn)風(fēng)巷入口處設(shè)置3道均壓風(fēng)門，回風(fēng)巷入口處設(shè)置3道調(diào)壓風(fēng)門，風(fēng)門之間的距離均為10 m。將3臺(tái)2×75 kW對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)安裝在2101斜巷巷口，并通過(guò)630 mm PE管連接至密閉墻內(nèi)側(cè)。在調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)距風(fēng)門3 m處施工連通上部采空區(qū)的鉆孔，安裝“U”型水柱計(jì)并將其與調(diào)節(jié)風(fēng)門內(nèi)側(cè)B點(diǎn)連通。

圖2 西8101工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

3.3 工程實(shí)際中流場(chǎng)平衡控制條件

西8101工作面為近水平工作面，在忽略回風(fēng)巷底板高差和回風(fēng)巷內(nèi)各斷面的風(fēng)速變化的條件下，回風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)“U”型水柱計(jì)壓差△pB應(yīng)滿足的區(qū)間可簡(jiǎn)化為：

工作面回風(fēng)巷A、B段相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 回風(fēng)巷A、B段相關(guān)參數(shù)

將工作面相關(guān)參數(shù)代入式（7）、式（8）可計(jì)算出回風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)水柱計(jì)的壓差△pB的調(diào)節(jié)區(qū)間為：（350+0.016l，538+0.016l），l∈(85，1 600)。

即在西8101工作面運(yùn)行均壓通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本工作面采空區(qū)與上部火區(qū)流場(chǎng)平衡的期間，將回風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)“U”型水柱計(jì)壓差△pB控制在區(qū)間（350+0.016l ，538+0.016l），l∈（85，1 600）內(nèi)，便可防止上部火區(qū)下泄和工作面采空區(qū)瓦斯壓入上部火區(qū)，避免災(zāi)害的發(fā)生。

3.4 應(yīng)用效果

為考察雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡控制的效果，利用回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門內(nèi)側(cè)B點(diǎn)的“U”型水柱計(jì)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)施后的壓差；同時(shí)利用上隅角處安裝的CO傳感器對(duì)工作面風(fēng)流中CO的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：系統(tǒng)運(yùn)行之后，工作面的CO體積分?jǐn)?shù)迅速降低至安全范圍內(nèi)，并在安全范圍內(nèi)波動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行后，“U”型水柱計(jì)壓差變化情況如圖3。上隅角CO體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖4。

圖3 “U”型水柱計(jì)壓差的變化

“U”型水柱計(jì)顯示的壓差讀數(shù)可直觀反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的依據(jù)。由圖3可以看出，工作面回采過(guò)程中調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)的“U”水柱計(jì)壓差讀數(shù)始終滿足安全調(diào)節(jié)區(qū)間（350+0.016l，538+0.016l），l∈（85，1 600）。雖然在回采后期工作面風(fēng)壓有所下降，但并未低于安全調(diào)節(jié)區(qū)間的下限。在壓差最大、最小時(shí)都沒有對(duì)工作面產(chǎn)生負(fù)面影響，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性良好。

圖4 上隅角風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)的變化

圖4反映了回采工作面上隅角處風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)在控制系統(tǒng)運(yùn)行后的變化情況。系統(tǒng)啟動(dòng)后回風(fēng)隅角處CO體積分?jǐn)?shù)快速下降至安全范圍內(nèi)并在安全范圍內(nèi)波動(dòng)。在895～1 250 m階段由于回采速度較慢，采空區(qū)遺煤的自然氧化比較嚴(yán)重，造成了該階段CO體積分?jǐn)?shù)有所偏高。但總體而言，工作面的壓力范圍選取還是非常恰當(dāng)，在保證工作面CO不超限的同時(shí)又監(jiān)測(cè)了采空區(qū)遺煤的氧化情況。證明了大垂距雙層采空區(qū)流場(chǎng)控制技術(shù)能夠有效防治有害氣體的下泄和避免采空區(qū)瓦斯壓入上部火區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)理論推導(dǎo)、計(jì)算，確定大垂距雙層流場(chǎng)平衡控制系統(tǒng)運(yùn)行期間“U”水柱計(jì)的安全調(diào)節(jié)區(qū)間。

2）在同忻煤礦西8101工作面的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門外側(cè)“U”型水柱計(jì)需要滿足的關(guān)系為（350+0.016l，538+0.016l），l∈（85，1 600）。

3）通過(guò)實(shí)踐證明，大垂距雙層采空區(qū)流場(chǎng)平衡控制技術(shù)能夠有效防治有害氣體的下泄和避免風(fēng)流壓入上部火區(qū)引發(fā)次生災(zāi)害，保障了工作面的安全回采。