安 鑫

(西山煤電集團(tuán) 官地礦，山西 太原 030022)

煤礦安全生產(chǎn)受采空區(qū)浮煤自燃災(zāi)害的威脅越來(lái)越大[1]. 隨著切頂成巷無(wú)煤柱開采技術(shù)的應(yīng)用，工作面通風(fēng)系統(tǒng)由“U”型變?yōu)椤癥”型，雖有效解決了工作面上隅角瓦斯問(wèn)題，但采空區(qū)漏風(fēng)量增大，漏風(fēng)范圍變廣，增加了采空區(qū)浮煤自燃的危險(xiǎn)性[2].

隨著技術(shù)的發(fā)展，采空區(qū)流-固-熱耦合研究大多采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)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(duì)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(nèi)氧化帶范圍的關(guān)鍵參數(shù)。何磊等[6]采用數(shù)值模擬方法模擬研究了“Y”型通風(fēng)采空區(qū)流場(chǎng)和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并對(duì)比分析了“U”型和“Y”型通風(fēng)條件下采空區(qū)流場(chǎng)和瓦斯運(yùn)移特征。劉偉等[7]建立了多場(chǎng)耦合的采空區(qū)自然發(fā)火模型，對(duì)比研究了“U”型與“Y”型通風(fēng)對(duì)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(shù)值模擬相結(jié)合的手段，與“U”型通風(fēng)工作面進(jìn)行對(duì)比，分析切頂成巷“Y”型通風(fēng)工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律、氣體運(yùn)移和浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，給出采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布特征，對(duì)此類工作面采空區(qū)浮煤自燃防治具有實(shí)際指導(dǎo)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(zhǎng)1 652 m，傾向長(zhǎng)216 m，主采2#煤層，煤層平均厚度1.90 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角平緩。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，并在采空區(qū)側(cè)定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成巷和無(wú)煤柱開采，實(shí)現(xiàn)110工法的切頂成巷無(wú)煤柱開采技術(shù)。工作面采用兩進(jìn)一回的“Y”型通風(fēng)方式，其中皮帶巷和軌道巷進(jìn)風(fēng)，沿空留巷回風(fēng)。工作面實(shí)際配風(fēng)量1 237.80 m3/min，其中皮帶巷進(jìn)風(fēng)797.39 m3/min，軌道巷進(jìn)風(fēng)431.89 m3/min. 巷道布置示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 62711工作面巷道布置示意圖

2 采空區(qū)多孔介質(zhì)模型

將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)流體區(qū)域，同時(shí)使用C語(yǔ)言編寫UDF外部程序，分別定義采空區(qū)多孔介質(zhì)的黏性阻力損失系數(shù)、慣性阻力損失系數(shù)、孔隙率、瓦斯質(zhì)量源相和氧氣消耗源相等，數(shù)值運(yùn)算時(shí)將其加載到主程序中，以增強(qiáng)Fluent軟件對(duì)該數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)性和契合度。

2.1 孔隙率

由于工作面推進(jìn)速度不同、冒落巖石的巖性以及大小、原始應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)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(shí)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(zhì)。采空區(qū)多孔介質(zhì)內(nèi)煤巖的冒落壓實(shí)大致按照“O”型圈分布[9]，在x和y兩個(gè)方向的碎脹系數(shù)分布函數(shù)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(shù)分布函數(shù)，跟采空區(qū)內(nèi)的位置有關(guān)，無(wú)因次；

ξ—控制模型分布形態(tài)的調(diào)整數(shù)，取0.233；

Kp,max—初始冒落碎脹系數(shù)，取1.5；

Kp,min—冒落巖石壓實(shí)時(shí)的碎脹系數(shù)，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(diǎn)(x,y)與固壁和工作面l邊界的距離，m.

采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率近似為n.

2.2 黏性和慣性阻力系數(shù)

多孔介質(zhì)模型是通過(guò)在動(dòng)量方程中添加一個(gè)動(dòng)量損失源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的，該源項(xiàng)由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)組成，采空區(qū)多孔介質(zhì)第i個(gè)動(dòng)量方程損失源項(xiàng)[10]為：

(3)

采空區(qū)視為各向同性多孔介質(zhì)，因此Si可以簡(jiǎn)寫為：

(4)

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

(5)

(6)

式中：

Dij、Cij—黏性和慣性阻力損失系數(shù)矩陣；

α—滲透率，m2；

C2—慣性阻力損失系數(shù)，m-2；

1/α—黏性阻力損失系數(shù)，m-2；

DP—采空區(qū)平均調(diào)和粒徑，m，取0.07.

2.3 浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判別標(biāo)準(zhǔn)

采空區(qū)煤的自燃“三帶”通常有3種劃分標(biāo)準(zhǔn)，即以采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)強(qiáng)度、氧氣濃度和復(fù)合判據(jù)來(lái)劃分[12]. 按復(fù)合判據(jù)劃分采空區(qū)浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，即漏風(fēng)強(qiáng)度滿足Q<0.24 m/min(v<0.004 m/s)，同時(shí)氧氣濃度滿足C>7%.

3 幾何模型及參數(shù)

3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)采空區(qū)基本參數(shù)，按照數(shù)值模擬要求對(duì)幾何模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化。經(jīng)計(jì)算，采空區(qū)高度為40 m，尺寸設(shè)為400 m×220.2 m×40 m. “U”型通風(fēng)工作面尺寸為211.8 m×5.5 m×2.8 m，“Y”型通風(fēng)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(jiǎn)化后幾何模型示意圖見(jiàn)圖2. 利用ANSYS ICEM軟件，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格步長(zhǎng)取1.4 m，網(wǎng)格數(shù)量為3 182 167，質(zhì)量均大于0.9.

圖2 幾何模型和網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 模擬參數(shù)設(shè)置

為了對(duì)比分析“U”型和“Y”型通風(fēng)方式下采空區(qū)各場(chǎng)的分布情況，設(shè)模兩種通風(fēng)方式的工作面進(jìn)風(fēng)量相同。為了方便分析數(shù)據(jù)，將采空區(qū)各邊界分別命名為Γ1～Γ4，并在模型內(nèi)z=0 m截面上設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中Rx1～Rx3監(jiān)測(cè)點(diǎn)組沿采空區(qū)走向等距排列，Ry0～Ry3監(jiān)測(cè)點(diǎn)組沿采空區(qū)傾向等距排列，具體布置見(jiàn)圖3.

圖3 采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4 采空區(qū)漏風(fēng)分析

對(duì)比分析采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)，見(jiàn)圖4. 通過(guò)分析可知，“Y”型通風(fēng)方式下風(fēng)壓在邊界Γ2與Γ3交匯處最大，為52 Pa，且沿解算區(qū)域的對(duì)角線方向逐漸減小?！癥”型通風(fēng)方式漏風(fēng)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(jìn)來(lái)的風(fēng)流集中在工作面端頭幾乎垂直漏入采空區(qū)，并且漏風(fēng)越靠近Γ2邊界越能進(jìn)入到采空區(qū)的深部。

圖4 采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律圖

對(duì)比分析工作面風(fēng)量的變化，見(jiàn)圖5，其中橫坐標(biāo)0 m處為回風(fēng)巷，220 m為進(jìn)風(fēng)巷。從圖5可以看出，“Y”型通風(fēng)風(fēng)流沿著整個(gè)工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，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(fēng)量為73.92 m3/min，為“U”型通風(fēng)的1.33倍。

圖5 工作面風(fēng)速對(duì)比曲線圖

“Y”型通風(fēng)沿空留巷風(fēng)速見(jiàn)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(fēng)最強(qiáng)，漏風(fēng)集中在該區(qū)域內(nèi)漏入沿空留巷。沿空留巷風(fēng)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(fēng)強(qiáng)度在逐漸降低，采空區(qū)向沿空留巷的漏風(fēng)風(fēng)速按負(fù)指數(shù)關(guān)系在逐漸遞減。這是由于沿程阻力的作用，引起采空區(qū)風(fēng)流彌散，風(fēng)流流程越長(zhǎng)彌散越強(qiáng)烈。

圖6 “Y”型通風(fēng)沿空留巷風(fēng)速曲線圖

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，在工作面8個(gè)位置處進(jìn)行漏風(fēng)測(cè)試。將模擬和實(shí)測(cè)的工作面風(fēng)量繪制成曲線，見(jiàn)圖7. 從圖7可以看到，工作面向采空區(qū)模擬漏風(fēng)量為109.97 m3/min，實(shí)測(cè)漏風(fēng)量為112.08 m3/min. 工作面風(fēng)量的模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合。由此可見(jiàn)，數(shù)值模擬可靠性較高，對(duì)實(shí)踐有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。

圖7 工作面風(fēng)量變化規(guī)律曲線圖

5 采空區(qū)氣體運(yùn)移特征

采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況見(jiàn)圖8. “U”型通風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在Γ1邊界最寬，越靠近Γ2邊界越窄，“Y”型通風(fēng)時(shí)瓦斯體積分?jǐn)?shù)與之類似。整體上，“Y”型通風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)比“U”型低，在上隅角處表現(xiàn)尤為明顯，可見(jiàn)“Y”型通風(fēng)能有效解決工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題。

圖8 采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布圖

從定量的角度對(duì)比采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，見(jiàn)圖9. 從圖9a)可以看出，二者采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)都沿采空區(qū)深度逐漸升高，“U”型通風(fēng)最高可達(dá)80%，“Y”型通風(fēng)最高只有30%，二者差別在靠近Γ1邊界的Rx1表現(xiàn)最為明顯。從圖9b)可以看出，二者采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)分布曲線圖

對(duì)比得出采空區(qū)氧氣濃度分布情況，見(jiàn)圖10. 從圖10可以看出，“Y”型通風(fēng)采空區(qū)氧氣濃度較高，尤其在Γ3側(cè)工作面后0～50 m. “Y”型通風(fēng)方式下采空區(qū)氧氣濃度分布特征在于：沿走向在Γ1側(cè)分布窄而在Γ2側(cè)分布寬，在Γ2側(cè)最遠(yuǎn)能延伸至250 m，這是因?yàn)槠锖蛙壍老镞M(jìn)風(fēng)量的不均衡導(dǎo)致的，皮帶巷作為工作面主要進(jìn)風(fēng)巷，風(fēng)量大，向采空區(qū)的漏風(fēng)多，漏風(fēng)速率較大，氧氣分布廣。

圖10 采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布圖

從走向和傾向定量比較采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，見(jiàn)圖11. 在走向上，“Y”型通風(fēng)由于漏風(fēng)的增加使其氧氣體積分?jǐn)?shù)比“U”型通風(fēng)高，而變化規(guī)律基本相同，氧氣體積分?jǐn)?shù)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(fēng)采空區(qū)氧氣濃度在Ry0變化不大，兩種通風(fēng)方式下氧氣濃度在Ry1(距工作面100 m)上的差距表現(xiàn)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(fù)合標(biāo)準(zhǔn)劃分出的自燃危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)果見(jiàn)圖12. 從圖12可以看出，“U”型通風(fēng)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在進(jìn)風(fēng)隅角附近，而“Y”型通風(fēng)則分布較廣，自燃危險(xiǎn)區(qū)域在皮帶巷側(cè)深入采空區(qū)深部，結(jié)合采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域位置及寬度表(表1)分析可知，自燃危險(xiǎn)區(qū)域在Γ2側(cè)分布為68～320 m，而在Γ1側(cè)100 m位置處寬度降至0 m，這是由沿空留巷附近風(fēng)速較大引起的?！癥”型通風(fēng)自燃危險(xiǎn)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(shù)給采空區(qū)防滅火工作面帶了壓力，必須采取相應(yīng)的采空區(qū)防滅火措施對(duì)采空區(qū)煤自燃災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防。

表1 采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域位置及寬度表

7 結(jié) 論

1) “Y”型通風(fēng)方式下，風(fēng)流沿著整個(gè)工作面漏入采空區(qū)并沿采空區(qū)對(duì)角線流動(dòng)，大致呈“L”型，漏風(fēng)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(fēng)量為“U”型通風(fēng)的1.33倍。對(duì)沿空留巷內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行擬合，得出采空區(qū)向沿空留巷的漏風(fēng)流速與巷道深度的關(guān)系。采空區(qū)向沿空留巷的漏風(fēng)風(fēng)速按負(fù)指數(shù)關(guān)系逐漸遞減。

2) “Y”型通風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體上比“U”型低，在上隅角處表現(xiàn)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(fēng)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(nèi)的差距表現(xiàn)最為明顯，最大相差10%.

圖12 采空區(qū)浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域圖

3) “Y”型通風(fēng)浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域在皮帶巷側(cè)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(fēng)自燃危險(xiǎn)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(shù)給采空區(qū)防滅火工作面帶來(lái)了壓力，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行預(yù)防。