盧俊華

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司河津薛虎溝煤業(yè)，山西 臨汾 041000)

0 引言

煤礦生產(chǎn)的重要前提是安全生產(chǎn)，瓦斯突出、頂板脫落、頂?shù)装逋凰兔杭胺蹓m的自燃等災(zāi)害影響了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，嚴(yán)重情況下對工作人員的生命安全構(gòu)成威脅，而采空區(qū)漏風(fēng)和遺煤自燃是煤礦井下主要的災(zāi)害之一。隨著采掘深度的不斷延伸，越來越多的礦井發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)和遺煤自燃災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)和職工的身體健康。特別是礦井采用U型通風(fēng)工作面的采空區(qū)漏風(fēng)引起的煤炭自燃造成生產(chǎn)停滯的事故屢屢發(fā)生。針對此現(xiàn)象，國內(nèi)許多學(xué)者已有研究，朱紅青[1]等利用FLUENT軟件研究了漏風(fēng)引起的煤自燃耗氧及升溫規(guī)律，得到煤柱完整的情況下，因?yàn)轫斆貉鯕鉂舛瘸渥?，煤有自燃傾向，改變漏風(fēng)強(qiáng)度后，可使散熱作用下降，煤的自燃傾向也降低；李宗翔[2]等基于滲流方程和氣體擴(kuò)散方程建立了氣體移動(dòng)彌散數(shù)值模型，模擬結(jié)果顯示抽放流量后，采空區(qū)的氣體涌出量呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)趨勢，同時(shí)給出抽放流量的表達(dá)式；何啟林[3]等建立了采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃過程數(shù)學(xué)模型，預(yù)報(bào)了煤體自燃現(xiàn)象；阮國強(qiáng)[4]等利用流場理論模擬了采空區(qū)火源點(diǎn)的分布規(guī)律。為此，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，基于Surfer 8.0軟件中的算法，對薛虎溝煤礦采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行了模擬，并且對漏風(fēng)區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)劃分，試驗(yàn)結(jié)果可供采空區(qū)漏風(fēng)和遺煤自燃治理借鑒。

1 采空區(qū)漏風(fēng)

1.1 采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域

分析影響因素的必要性：針對采空區(qū)瓦斯含量高的現(xiàn)象，利用高抽巷對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行高效的抽采，高壓力雖然解決了瓦斯含量高的現(xiàn)象，但是高負(fù)壓造成的巨大壓力差也致使漏風(fēng)量的增加，漏風(fēng)量的增加間接的為遺煤自燃提供了充足的氧氣環(huán)境[5]。目前，工作面通風(fēng)U型通風(fēng)占據(jù)主流，對于U型通風(fēng)方式下工作面各區(qū)域的流動(dòng)特征及影響因素的分析就顯得非常必要[6-7]。

流動(dòng)區(qū)域的劃分：圖1為U型通風(fēng)工作面采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域的劃分。在高壓力的作用下，風(fēng)流首先經(jīng)過工作面，因?yàn)楣ぷ髅婢嚯x通風(fēng)設(shè)備近且通風(fēng)阻力小，因此工作面區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速最大，此區(qū)域稱為擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)。由于采空區(qū)頂板的及時(shí)垮落，采空區(qū)通風(fēng)的工作阻力大，風(fēng)量經(jīng)過長距離的運(yùn)動(dòng)，能量會(huì)有所減少，因此，采空區(qū)域內(nèi)的風(fēng)量能量低，此區(qū)域?yàn)槲⒘鲃?dòng)區(qū)。

圖1 U型通風(fēng)工作面采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域劃分

1.2 影響因素分析

擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)風(fēng)量影響因素：主要受到進(jìn)風(fēng)巷的壓力以及采空區(qū)是否壓密因素的影響。進(jìn)風(fēng)巷壓力越大，對應(yīng)工作面的風(fēng)量也會(huì)增加，如采空區(qū)密實(shí)，風(fēng)量損失率下降，流過回風(fēng)巷道的風(fēng)量降低[8]。

微流動(dòng)區(qū)域影響因素：①微流動(dòng)區(qū)的產(chǎn)生。微流動(dòng)區(qū)域主要受到工作面壓力差的影響，因?yàn)橥L(fēng)效果的不穩(wěn)定性，造成工作面通風(fēng)壓力的差異，因此采空區(qū)出現(xiàn)微流動(dòng)。氣體微流動(dòng)可用式(1)表示。

(1)

式中，p1、p2—?dú)怏w在A、B這2點(diǎn)的靜壓，Pa；v1、v2—?dú)怏w在A、B這2點(diǎn)的流動(dòng)速度，m/s；Z1、Z2—?dú)怏w在A、B這2點(diǎn)的位能，m；ρ—?dú)怏w的密度，kg/m3；h1-2—A、B這2點(diǎn)之間的壓頭損失，m。從式中可以看出，當(dāng)A、B這2點(diǎn)的靜壓發(fā)生變化時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生微流動(dòng)區(qū)，微流動(dòng)區(qū)的風(fēng)量部分流向采空區(qū)，部分流向工作面[9]；②影響因素。采空區(qū)氣體的微流動(dòng)受到工作面、采空區(qū)溫度差、濃度差的影響，當(dāng)頂板垮落后，采空區(qū)會(huì)有部分煤遺落在采空區(qū)，在長時(shí)間的氧化作用下，煤體周圍空氣出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氣體出現(xiàn)微流動(dòng)現(xiàn)象，可用式(2)表示氣體密度變化。

(2)

式中，ρ—?dú)怏w密度，kg/m3；p—?dú)怏w壓力，Pa；M—?dú)怏w分子量；R—?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)；T—?dú)怏w熱力學(xué)溫度，K。濃度差引起的氣體微流動(dòng)主要受到采空區(qū)漏風(fēng)的影響，漏風(fēng)造成氣體形成濃度差，濃度高的氣體會(huì)自動(dòng)流向濃度低的區(qū)域，微流動(dòng)區(qū)域因此形成，當(dāng)漏風(fēng)量非常大時(shí)，微流動(dòng)區(qū)域內(nèi)氣體流速會(huì)隨之增加，流動(dòng)區(qū)域也會(huì)增大[10]。

2 相似模擬

2.1 模型的建立

為了進(jìn)一步得到工作面采空區(qū)漏風(fēng)的具體分布情況，對采空區(qū)進(jìn)行了相似模擬。以薛虎溝煤礦U型通風(fēng)為背景，利用Surfer 8.0軟件中的空間插值法將大量離散型數(shù)據(jù)進(jìn)行插值法計(jì)算，使得數(shù)據(jù)在空間上具有相關(guān)性，隨后進(jìn)行建模處理。建模過程中首先進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，得到采空區(qū)氦氣濃度變化云圖，如圖2所示，隨后進(jìn)行深入分析得到相應(yīng)的氦氣濃度變化云圖。

圖2 工作面采空區(qū)氦氣濃度變化云圖

2.2 模擬結(jié)果分析

氦氣濃度變化分析：圖3為采空區(qū)達(dá)到100 m時(shí)的氦氣濃度變化云圖。從圖2、3可以看出，三角區(qū)氦氣濃度是最高的區(qū)域，且進(jìn)風(fēng)一側(cè)處的濃度最大。進(jìn)風(fēng)側(cè)三角區(qū)因?yàn)槊簩诱w結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度下降導(dǎo)致煤層松散度下降。當(dāng)采空區(qū)達(dá)到72 m后，該區(qū)域的氦氣濃度依然可以檢測到。而回風(fēng)一側(cè)在采空區(qū)達(dá)到43 m左右后，氦氣濃度基本為0；因此可以得到，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度也要高于回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度，歸結(jié)原因是上下隅角水平方向漏風(fēng)影響范圍的不同。在支架后方的區(qū)域，圖中黑色區(qū)范圍內(nèi)，氦氣最高濃度達(dá)到接近40%，主要集中于上隅角區(qū)域，在采空區(qū)在10～50 m之間，上下隅角范圍內(nèi)的氦氣濃度基本相同；由此可以看出，下隅角漏風(fēng)并未流經(jīng)上隅角區(qū)域，因此，工作面附近有毒有害氣體的含量不會(huì)因此增加，可以正常生產(chǎn)。當(dāng)采空區(qū)深度超過36 m時(shí)，氦氣濃度范圍值在18%～20%之間，采空區(qū)內(nèi)的氣體經(jīng)過上隅角隨后進(jìn)入工作面[11]。

氦氣分布分析：氣體運(yùn)用是基于三維空間實(shí)現(xiàn)的，圖4為采空區(qū)高度為9 m時(shí)的氦氣分布云圖。從圖中可以看出，垂直層面中部氦氣濃度整體高于兩側(cè)的氦氣濃度，且下隅角氦氣濃度略高于上隅角的氦氣濃度，當(dāng)垂直高度達(dá)到50 m時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)依然會(huì)影響氣體濃度[12]。

圖4 采空區(qū)高度為9 m時(shí)的氦氣分布云圖

采空區(qū)漏風(fēng)分析：綜合上述分析，采空區(qū)漏風(fēng)主要分為上隅角漏風(fēng)區(qū)、下隅角漏風(fēng)區(qū)和支架后漏風(fēng)區(qū)。上隅角漏風(fēng)區(qū)主要受到上隅角內(nèi)壓力的影響；下隅角漏風(fēng)區(qū)主要因?yàn)槿敲狠^為松散，因此漏風(fēng)量較大。支架后漏風(fēng)區(qū)主要集中在工作面中部及靠上部位，大量的風(fēng)經(jīng)過工作面后經(jīng)過上隅角會(huì)重新返回至工作面[13]。3個(gè)區(qū)域內(nèi)的漏風(fēng)各有不同，其中，上隅角因?yàn)椴擅哼z留殘煤的原因，在充足氧氣的作用下，極易發(fā)生自燃，因此也最危險(xiǎn)，對工作面的威脅最大。下隅角漏風(fēng)也會(huì)發(fā)生煤自燃現(xiàn)象，但是因?yàn)槠渚嚯x工作面較遠(yuǎn)，且漏風(fēng)量小，因此可以人為控制。支架后漏風(fēng)區(qū)最不易發(fā)生自燃現(xiàn)象，因?yàn)椴擅旱脑?，通風(fēng)效果較好，此區(qū)域內(nèi)的漏風(fēng)強(qiáng)度大于煤自燃極限漏風(fēng)強(qiáng)度，達(dá)不到自燃條件[14-15]。

3 結(jié)論

(1)U型通風(fēng)工作面采空區(qū)流動(dòng)區(qū)域主要分為擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)和微流動(dòng)區(qū)2部分，擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)量主要受到進(jìn)風(fēng)巷的壓力以及采空區(qū)是否壓密因素的影響，微流動(dòng)區(qū)受工作面壓力差、采空區(qū)溫度差、濃度差等因素的影響。

(2)相似模擬中，得到采空區(qū)漏風(fēng)主要分為上隅角漏風(fēng)區(qū)、下隅角漏風(fēng)區(qū)和支架后漏風(fēng)區(qū)3個(gè)區(qū)。上隅角漏風(fēng)區(qū)為煤自燃提供了充足的氧氣和條件，距離工作面近，對礦井生產(chǎn)威脅最大，下隅角漏風(fēng)雖然會(huì)造成煤的自燃，但是可以人為控制住，支架后漏風(fēng)不會(huì)為煤自燃提供條件。