馬文斌
(西山煤電集團(tuán) 杜兒坪礦,山西 太原 030022)
采用“U”型通風(fēng)方式經(jīng)常會(huì)造成工作面或上隅角瓦斯超限,隨著切頂成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)也得到了發(fā)展。相對(duì)“U”型通風(fēng),“Y”型通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)發(fā)生變化,造成采空區(qū)流場(chǎng)改變,而且增大采空區(qū)漏風(fēng)量,使采空區(qū)內(nèi)氧濃度更高,影響范圍也更大,增加了采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。因此,對(duì)兩種通風(fēng)方式下的采空區(qū)自燃三帶的研究為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供了基礎(chǔ),也為礦井的高效生產(chǎn)提供了指導(dǎo)[1].
某礦62711工作面開(kāi)采2#煤,為不易自燃煤層。走向長(zhǎng)1 642 m,傾向長(zhǎng)210 m,平均采高1.9 m,采用無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù),通風(fēng)系統(tǒng)采用“Y”型通風(fēng)方式,即皮帶巷進(jìn)風(fēng)1 002 m3/min(1.43 m/s),軌道巷進(jìn)風(fēng)420 m3/min(0.60 m/s),沿空留巷回風(fēng),針對(duì)62711工作面的實(shí)際情況,對(duì)62711物理模型設(shè)置參數(shù),見(jiàn)表1.
采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)62711工作面采空區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬,同時(shí)假設(shè)該工作面為“U”型通風(fēng)方式(即皮帶巷進(jìn)風(fēng),軌道巷回風(fēng)),也對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。兩種通風(fēng)方式下的進(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1.
表1 工作面物理模型表
圖1 采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖
結(jié)合62711工作面實(shí)際情況以及采空區(qū)頂板冒落的特點(diǎn),構(gòu)建物理模型,見(jiàn)圖2,圖3.
圖2 “Y”型通風(fēng)物理模型圖
圖3 “U”型通風(fēng)物理模型圖
兩種通風(fēng)方式下采空區(qū)氧氣濃度分布情況對(duì)比見(jiàn)圖4,圖5. 由圖4,5可以看出,“Y”型通風(fēng)方式下采空區(qū)氧氣濃度較高,尤其在Γ3側(cè)工作面后0~50 m,且沿傾向覆蓋了整個(gè)工作面長(zhǎng)度,對(duì)比而言,“U”型通風(fēng)則只從工作面中部覆蓋到進(jìn)風(fēng)隅角(80~220 m),且在進(jìn)風(fēng)隅角附近形成氧氣濃度較高的三角區(qū)域。“Y”型通風(fēng)方式下采空區(qū)氧氣濃度分布特征為沿走向在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。漏風(fēng)主要集中在工作面后方0~50 m,漏風(fēng)沿傾向漏入沿空留巷,因此在沿空留巷側(cè)(Γ1側(cè))新風(fēng)帶入采空區(qū)的大部分氧氣集中在該范圍內(nèi)。
圖4 “U”型通風(fēng)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布圖
圖5 “Y”型通風(fēng)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布圖
兩種通風(fēng)方式按氧濃度劃分出的自燃“三帶”結(jié)果見(jiàn)圖6,圖7. 從圖6,7可以看出,“U”型通風(fēng)采空區(qū)自燃帶在Γ2側(cè)分布最廣,最大寬度為142 m,其范圍沿工作面向Γ1側(cè)逐漸縮小?!癥”型通風(fēng)采空區(qū)自燃帶范圍遠(yuǎn)大于“U”型,但離工作面較遠(yuǎn),在Γ2側(cè)最廣,從138~357 m,寬度為219 m,在Γ1側(cè)寬度最窄為70 m,范圍為30~100 m. 相比較而言,“Y”型通風(fēng)自燃帶分布廣,寬度大,最大寬度比“U”型寬77 m.
圖6 “U”型通風(fēng)下氧濃度分布圖
圖7 “Y”型通風(fēng)下氧濃度分布圖
兩種通風(fēng)方式按風(fēng)速劃分出的自燃三帶結(jié)果見(jiàn)圖8,圖9. 兩種通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃帶形狀都是兩頭寬中間窄,“Y”型通風(fēng)自燃帶寬度大于“U”型,其與工作面距離分布不均勻,在Γ1側(cè)最近?!癥”型通風(fēng)自燃帶在Γ1和Γ2兩側(cè)最寬,為202 m,比“U”型通風(fēng)自燃帶最大寬度的180 m寬22 m,在采空區(qū)中部最窄,為60 m,比“U”通風(fēng)寬25 m. 可見(jiàn),在風(fēng)速條件下劃分的自燃帶范圍差距較小。
圖8 “U”型通風(fēng)下風(fēng)速云圖
圖9 “Y”型通風(fēng)下風(fēng)速云圖
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10,圖11. 從圖10,11可以看出,按復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)劃分出的自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍比其他兩種方法都大,這是氧濃度和風(fēng)速劃分指標(biāo)取交集的結(jié)果,該劃分方法更能反映出采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性,為防火工作面提供更加有力的參考依據(jù)?!癠”型通風(fēng)方式下,采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在進(jìn)風(fēng)隅角附近的采空區(qū),而“Y”型通風(fēng)則分布較廣,自燃帶在皮帶巷側(cè)深入采空區(qū)深部。
圖10 “U”型通風(fēng)下復(fù)合判據(jù)劃分圖
圖11 “Y”型通風(fēng)下復(fù)合判據(jù)劃分圖
采空區(qū)自燃帶位置及寬度對(duì)比見(jiàn)表2. 從表2分析可知,“Y”型通風(fēng)下采空區(qū)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。對(duì)比“U”型通風(fēng),“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,因此,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)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2 采空區(qū)自燃帶位置及寬度對(duì)比表
分別對(duì)“U”型和“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)下的采空區(qū)漏風(fēng)、自燃三帶進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:在相同的進(jìn)風(fēng)情況下,Y型通風(fēng)方式比U型通風(fēng)方式下的自燃帶最大寬度增大了171 m,與工作面的距離平均增加40 m,因此必須減少“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)下的采空區(qū)漏風(fēng),降低遺煤自燃的條件,保證工作面的安全生產(chǎn)。