劉志文 史建設(shè) 傅 琦 李文濤 吳春雷

(1.華亭煤業(yè)集團有限責(zé)任公司東峽煤礦，甘肅省平?jīng)鍪校?44100；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

大傾角工作面回采過程中會造成采空區(qū)上部巖層垮落，易損壞布置在采空區(qū)內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備，增加現(xiàn)場實測研究的難度，且采空區(qū)內(nèi)煤、巖堆積規(guī)律復(fù)雜，難以從理論角度直接分析風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)的運移規(guī)律[1-4]。因此，在實驗室開展相似模擬試驗是研究采空區(qū)風(fēng)流場分布的重要方法。相似模擬試驗過程直觀、觀測方便、可人為控制、試驗周期短、重復(fù)性強，因而具有不可替代的作用。筆者利用相似模擬試驗，模擬在不同風(fēng)量、不同通風(fēng)方式條件下，大傾角采空區(qū)風(fēng)流運移特點及采空區(qū)氧氣分布，對指導(dǎo)大傾角采空區(qū)的防滅火具有重要的指導(dǎo)意義。

1 采空區(qū)自燃“三帶”模擬試驗系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 相似原理

相似模擬試驗是以相似理論和因次分析為基礎(chǔ)的模型試驗技術(shù)，模型與原型之間必須遵循一定的相似準(zhǔn)則，即在幾何、運動、動力、邊界條件和重要的物理力學(xué)參數(shù)相似的基礎(chǔ)上，研究不同模型之間的相似規(guī)律，本試驗平臺基本參數(shù)按照實際工作面1∶50進行制作，遵守相似理論三大定律[5-6]。

1.2 系統(tǒng)主體設(shè)計

根據(jù)一般工作面實際尺寸，按照1∶50的比例，搭建采空區(qū)自燃“三帶”相似模擬試驗平臺進行相似模擬試驗，研究風(fēng)量和風(fēng)向?qū)Σ煽諈^(qū)氧氣(O2)濃度及自燃“三帶”分布的影響，定性得出漏風(fēng)在采空區(qū)的主要影響區(qū)域，為采空區(qū)的防滅火提供一定的指導(dǎo)。試驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

1-CH4氣瓶，2-CH4減壓閥；3-CH4流量計； 4-N2氣瓶；5-N2減壓閥；6-有機玻璃外殼； 7-傳感器；8-巷道模型；9-煤層模型；10-旋轉(zhuǎn)機構(gòu)； 11-注氣口；12-空氣流量計；13-流量積算儀；14-真空泵； 15-控制器；16-變送器；17-計算機圖1 試驗系統(tǒng)原理

為了研究采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流運移規(guī)律及O2濃度分布特點，傳感器分別布置在距工作面300 mm、550 mm和1150 mm水平，分上、中、下3層布置，距底板高度分別為70 mm、150 mm和250 mm，并在底板鋪設(shè)每隔100 mm開有小孔的 12 mm橡膠管路，用來注入氮氣(N2)，相關(guān)參數(shù)及傳感器布置位置及方式如圖2所示。

圖2 傳感器分布

2 試驗過程及結(jié)果

2.1 試驗工作面概況

東峽煤礦37220-1大傾角綜放工作面為西翼采區(qū)首采面，該工作面煤層為特厚易自燃煤層，工作面平均傾角52°，工作面走向長度1036 m，傾斜長度59.2 m，采用綜合機械化放頂煤采煤法開采，采高2.6 m，放頂高度7.2 m。工作面采用U型通風(fēng)方式，設(shè)計供風(fēng)量490 m3/min，實際供風(fēng)量750 m3/min。

2.2 試驗過程

調(diào)節(jié)平臺角度至52°，控制通風(fēng)機風(fēng)量為3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min進行模擬礦井通風(fēng)試驗，3組風(fēng)量分別對應(yīng)工作面實際風(fēng)量為490 m3/min、750 m3/min和900 m3/min，試驗過程如圖3所示。

連接好系統(tǒng)各個管路，向采空區(qū)注入N2，待控制柜O2濃度讀數(shù)穩(wěn)定在8%后，停止注入N2，靜置12 h以上，待各傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)平臺傾角至52°，打開真空泵，分別調(diào)節(jié)流量至3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min，觀察并記錄O2濃度變化情況。

圖3 試驗過程

2.3 試驗結(jié)果及分析

2.3.1 風(fēng)量對采空區(qū)O2濃度分布的影響

為了研究不同風(fēng)量下大傾角工作面采空區(qū)O2濃度的分布，在采取下行通風(fēng)方式時，分別選取3.9 L/min、6 L/min、7.2 L/min作為工作面通風(fēng)量，傳感器監(jiān)測的O2濃度變化情況如圖4所示。

(1)在不同配風(fēng)量條件下，回風(fēng)巷側(cè)1號、 4號、7號傳感器組最大O2濃度分別為12.8%、12%、11.6%，均為下層傳感器，1號、4號上層最大O2濃度分別為12.4%和11.9%，中層傳感器O2濃度介于上、下兩層之間。

圖4 下行通風(fēng)不同風(fēng)量O2濃度

(2)工作面配風(fēng)量不斷增大時，1號、4號、7號傳感器組O2濃度上升速率和最大值也增大，且距工作面較近的1號傳感器組的O2濃度最大值比距工作面較遠的7號傳感器組大。

(3)隨著風(fēng)量的增大各傳感器O2濃度增大，但增大幅度比上行通風(fēng)時增大幅度小，且上、中、下層濃度最大值差別不大。

風(fēng)量為3.9 L/min時，風(fēng)流動能較小，在自然風(fēng)壓和沿程阻力的影響下，動能迅速下降，受工作面負壓作用，向回風(fēng)巷方向流動，因此回風(fēng)巷側(cè)O2濃度變化較小。

風(fēng)流向回風(fēng)巷流動過程中，動能隨著距工作面距離的增大而減小，向采空區(qū)深部帶入O2減小，使距工作面較遠的7號傳感器組的O2濃度小于距工作面較近的1號傳感器組。

下行通風(fēng)時，風(fēng)流流動方向與自然風(fēng)壓方向相同，增大了風(fēng)流的動能，使風(fēng)流快速向回風(fēng)巷側(cè)流動，使得傳感器組各層之間O2濃度最大值差別較小。

2.3.2 風(fēng)向?qū)Σ煽諈^(qū)氧氣濃度分布的影響

為了研究大傾角工作面條件下，上、下行通風(fēng)對采空區(qū)O2濃度分布的影響，筆者選取工作面風(fēng)量為7.2 L/min試驗數(shù)據(jù)為研究對象，大傾角工作面上、下行通風(fēng)條件下O2傳感器變化曲線如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)向條件下O2濃度

(1)下巷道側(cè)的1號、4號、7號傳感器組O2濃度在上行通風(fēng)時要高于下行通風(fēng)，且差值較大；但采空區(qū)中部的2號、5號、8號傳感器組O2濃度在下行通風(fēng)時要高于上行通風(fēng)，且差值較小。

(2)同一傳感器組下層O2濃度均比中層O2濃度高，靠近工作面的O2濃度均比遠離工作面的O2濃度高。

(3)在上行通風(fēng)時，下巷道側(cè)靠近工作面的1號下層O2濃度升高幅度最大，由起始的7.7%上升到20%；同樣，在下行通風(fēng)時，下巷道側(cè)靠近工作面的1號下層O2濃度升高幅度最大，由起始的7.8%上升到12.8%。

(4)上行通風(fēng)和下行通風(fēng)時采空區(qū)O2濃度的分布范圍有很大差別，上行通風(fēng)時，7號傳感器組O2濃度分別為下層16.1%、中層14.3%；下行通風(fēng)時，在7號傳感器組O2濃度分別為下層11.6%、中層11.3%，可以看出上行通風(fēng)時，風(fēng)流對采空區(qū)O2濃度影響范圍更遠。

(5)在上行通風(fēng)時，7號傳感器中層O2濃度為14.3%，8號傳感器中層O2濃度為7.9%；而在下行通風(fēng)時，7號傳感器中層O2濃度為11.3%，8號傳感器中層O2濃度為8.4%。因此，在風(fēng)流影響高度上，上行通風(fēng)對采空區(qū)下巷道側(cè)O2濃度的影響大于下行通風(fēng)，下行通風(fēng)對采空區(qū)中部O2濃度的影響大于上行通風(fēng)。

2.4 采空區(qū)自燃“三帶”分布及風(fēng)流影響范圍

2.4.1 采空區(qū)自燃“三帶”分布

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，使用Matlab繪制出在52°傾角及不同風(fēng)量條件下，采空區(qū)立體自燃“三帶”分布情況。由于在不同風(fēng)量條件下，自燃“三帶”分布僅表現(xiàn)在范圍上的差別，因此，僅選取6 L/min風(fēng)量條件下進行研究，圖中均以進風(fēng)巷尾部作為坐標(biāo)原點，圖中0.1和0.18分別表示O2濃度10%和18%，上、下行通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布如圖6和圖7所示。

圖6 上行通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布

圖7 下行通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布

(1)在上行通風(fēng)條件下，距底板70 mm位置，風(fēng)流受沿程阻力和自然風(fēng)壓的雙重作用，向采空區(qū)深部流動，在進風(fēng)巷側(cè)形成約600 mm寬的氧化帶；風(fēng)流在向回風(fēng)側(cè)流動過程中，動能急劇降低，從而使氧化帶靠近工作面，且寬度減小，在回風(fēng)巷側(cè)形成寬度約160 mm的氧化帶，氧化帶整體寬度為150～900 mm；隨著距底板距離的增大，氧化帶范圍以進風(fēng)巷為中心逐漸縮小。

(2)在下行通風(fēng)條件下，距底板70 mm位置，風(fēng)流在工作面壓差和自然風(fēng)壓作用下，沿傾向方向流動，由于初始動能較大，且流動過程中受遺煤阻礙，使部分風(fēng)流快速向采空區(qū)深部流動，分別在進、回風(fēng)巷側(cè)形成寬度為150 mm和1100 mm的氧化帶；隨著距底板距離的增大，氧化帶范圍以回風(fēng)巷為中心逐漸縮小。

2.4.2 采空區(qū)風(fēng)流影響范圍

受遺煤阻礙時風(fēng)流運移情況如圖8所示。風(fēng)流在采空區(qū)流動時，受遺煤的阻礙，向阻力小的區(qū)域流動，在無其他力的干擾情況下，風(fēng)流慢慢偏離初始運動方向，向采空區(qū)深部流動，且動能降低；初始動能越大，風(fēng)流所能影響的范圍越遠；隨著風(fēng)量的升高，風(fēng)流初始動能增大，進入采空區(qū)深部的距離增大，工作面與采空區(qū)壓差△H也增大，壓差對采空區(qū)風(fēng)流影響的范圍增大，導(dǎo)致風(fēng)流到達采空區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)壁后，向采空區(qū)深部流動的距離減小。

圖8 受遺煤阻礙時風(fēng)流運移示意

圖9 上、下行通風(fēng)風(fēng)流影響區(qū)域示意

在距底板70 mm高度，大傾角工作面采空區(qū)風(fēng)流影響范圍如圖9所示，圖中空白區(qū)域為風(fēng)流能夠影響的區(qū)域，風(fēng)流主要影響區(qū)域為下巷道側(cè)采空區(qū)，上行通風(fēng)比下行通風(fēng)風(fēng)流的影響范圍大，風(fēng)流影響范圍由下巷道至上巷道以此遞減；上行通風(fēng)時，風(fēng)流影響范圍在采空區(qū)中部迅速減小，而下行通風(fēng)時，風(fēng)流影響范圍緩慢減小。

3 結(jié)論

(1)工作面風(fēng)量逐漸增大的過程中，風(fēng)流對采空區(qū)O2濃度的影響范圍逐漸增大，風(fēng)流動能增大，風(fēng)流進入采空區(qū)的深度以及能夠影響的高度也增大。

(2)由于大傾角工作面上下巷道高差較大，自然風(fēng)壓在不同風(fēng)向時，對風(fēng)流的影響較大，導(dǎo)致風(fēng)流主要影響區(qū)域均為采空區(qū)下巷道側(cè)。

(3)上、下行通風(fēng)條件下自燃“三帶”都主要分布在下巷道側(cè)，因此，應(yīng)加強對下巷道側(cè)采空區(qū)的監(jiān)控力度，確保煤礦安全生產(chǎn)。