田 垚，楊成昊，孫全吉，常可可，郭增樂(lè)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.潞安集團(tuán)溫莊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

采空區(qū)漏風(fēng)易導(dǎo)致其內(nèi)部遺煤自燃并引發(fā)二次災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。U型通風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)礦井工作面布局中占有較大比重，其工作面與采空區(qū)內(nèi)部存在漏風(fēng)流入與流出通道，對(duì)于全面解決采空區(qū)漏風(fēng)問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究[1-3]。因此，查找采空區(qū)漏風(fēng)通道，測(cè)定漏風(fēng)量，對(duì)控制采空區(qū)自燃的影響具有重要意義。SF6示蹤氣體測(cè)定法是一種可靠的礦井測(cè)漏風(fēng)技術(shù)，用于測(cè)定采空區(qū)漏風(fēng)通道與漏風(fēng)量[2-4]。由于采空區(qū)內(nèi)部的復(fù)雜性和隱蔽性，對(duì)采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確采集和預(yù)測(cè)十分困難。借助計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法則可以較好地對(duì)其漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行求解與分析[5，6]。近年來(lái)，許多學(xué)者利用各類數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行了相關(guān)研究[7，8]。本文采用瞬時(shí)釋放法在風(fēng)源位置持續(xù)釋放SF6氣體，通過(guò)測(cè)定風(fēng)流中SF6含量，分析漏風(fēng)通道，估算采空區(qū)最小漏風(fēng)速度與漏風(fēng)量，并在此基礎(chǔ)上采用Ansys-Fluent軟件對(duì)該采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，旨在為采空區(qū)漏風(fēng)及“三帶”劃分與漏風(fēng)量確定提供一種更加準(zhǔn)確有效的方法。

1 工作面概況與漏風(fēng)測(cè)定原理

1.1 采空區(qū)概況

溫莊煤礦15102工作面，平均煤厚5.3m，采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜采采煤法進(jìn)行回采，采高5.2m，采用全部垮落法管理頂板。15102工作面采用U型通風(fēng)方式通風(fēng)，配風(fēng)量1650m3/min。運(yùn)輸巷長(zhǎng)1015.00m，斷面積16.50m2；回風(fēng)巷長(zhǎng)1031.00m，斷面積16.00m2，工作面切眼長(zhǎng)236m。

1.2 SF6漏風(fēng)測(cè)定原理

本文采用SF6瞬時(shí)釋放法進(jìn)行采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)定。首先，依據(jù)工作面布置情況對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)通道位置進(jìn)行判斷，并布置SF6釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)；然后，在進(jìn)風(fēng)處釋放一定量SF6氣體，同時(shí)在采樣點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行氣體采樣，并分析氣樣中SF6濃度。根據(jù)氣樣中SF6出現(xiàn)時(shí)間及濃度對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)量與最小漏風(fēng)速度進(jìn)行估算[4]，計(jì)算公式如下：

式中，V為最小漏風(fēng)速度，m/s；L為漏風(fēng)源到漏風(fēng)匯的直線距離，m；t為從釋放SF6氣體到檢測(cè)到SF6氣體的取樣時(shí)間間隔，s。

采空區(qū)漏風(fēng)率計(jì)算公式如下：

Q=v·A

(2)

(3)

mSF6=VSF6·ρSF6

(4)

式中，Q為風(fēng)量，m3/min；v為風(fēng)速，m/s；A為巷道斷面積，m2；ω為SF6體積濃度，10-6；K為漏風(fēng)率；m為SF6質(zhì)量，kg。

1.3 采空區(qū)漏風(fēng)測(cè)定方案

結(jié)合礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖和現(xiàn)場(chǎng)巷道布置情況，SF6示蹤氣體釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)布置情況如圖1所示，基本信息見(jiàn)表1。共設(shè)控制點(diǎn)6個(gè)，其中1個(gè)釋放點(diǎn)，5個(gè)采樣點(diǎn)。

圖1 15102工作面SF6釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)布置圖

測(cè)定自SF6氣體開(kāi)始釋放進(jìn)行計(jì)時(shí)。以109.50L/min釋放SF6氣體(20kg)，持續(xù)30min。自釋放氣體0min時(shí)刻起，各采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，0～5min內(nèi)，采樣頻率為每分鐘1次；5～30min，每5min采樣一次，30min后，每10min采樣一次。采樣過(guò)程共持續(xù)180min。

表1 溫莊煤礦15102 工作面SF6釋放點(diǎn)與采樣點(diǎn)基本信息

2 測(cè)定結(jié)果與分析

2.1 測(cè)定結(jié)果

15102工作面SF6示蹤氣體采樣分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 各采樣點(diǎn)SF6檢測(cè)結(jié)果分析圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

1)采樣點(diǎn)1 SF6氣體濃度在0～5min內(nèi)持續(xù)上升；5～30min內(nèi)在50×10-6以上，30min后，無(wú)SF6。流經(jīng)采樣點(diǎn)1的SF6總量如下：

Q1=v1·A1

(6)

(7)

mSF6-1=VSF6-1·ρSF6

(8)

mSF6-1=v1·A1·u1·ρSF6=19.92kg

(9)

2)采樣點(diǎn)5在0～2min內(nèi)無(wú)SF6氣體，3～10min內(nèi)SF6濃度持續(xù)上升；10～30min內(nèi)SF6氣體在40×10-6以上，30min后SF6氣體濃度逐漸下降，100min后SF6濃度小于1ppm。流經(jīng)采樣點(diǎn)5的SF6質(zhì)量如下：

mSF6-5=v5·A5·u5·ρSF6=16.67kg

(10)

工作面漏風(fēng)率K為：

mSF6-工作面=mSF6-1-mSF6-5

(11)

3)結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，液壓支架與采空區(qū)交界處煤巖碎塊間存在較大空隙。采樣點(diǎn)2、3和4在0～30min檢測(cè)到較高濃度SF6氣體為工作面向液壓支架與采空區(qū)交接處空隙流入風(fēng)流，30min后SF6氣體濃度變化為其他漏風(fēng)通道漏風(fēng)所致。工作面向液壓支架與采空區(qū)空隙處漏風(fēng)速度為：

4)采樣點(diǎn)2在0～2min內(nèi)無(wú)SF6氣體，3～15min內(nèi)SF6濃度持續(xù)上升；15～40min內(nèi)SF6在15×10-6以上。40min后，SF6氣體濃度逐漸下降，120min后降至1×10-6以下。因此在30min后采空區(qū)漏風(fēng)流出，到達(dá)采樣點(diǎn)2處的采空區(qū)漏風(fēng)通道最小漏風(fēng)速度為：

5)采樣點(diǎn)3在0～2min內(nèi)無(wú)SF6氣體，3～20min內(nèi)SF6濃度持續(xù)上升；20～50min內(nèi)SF6在25×10-6以上。50min后SF6氣體濃度急劇下降，80min后風(fēng)流中SF6濃度降至1×10-6以下。因此到達(dá)采樣點(diǎn)3處的采空區(qū)漏風(fēng)通道最小漏風(fēng)速度為：

6)采樣點(diǎn)4在0～2min內(nèi)無(wú)SF6氣體，3～20min內(nèi)SF6濃度持續(xù)上升；20～60min內(nèi)SF6在10×10-6以上；70～90min SF6氣體濃度再次上升，90～120min內(nèi)保持穩(wěn)定；120min時(shí)SF6氣體濃度再次上升，在120～160min在5×10-6以上；160～180min時(shí)SF6氣體濃度略有下降。采樣點(diǎn)4存在第3條漏風(fēng)通道。到達(dá)采樣點(diǎn)4處的3條采空區(qū)漏風(fēng)通道最小漏風(fēng)速度為：

15102工作面漏風(fēng)通道進(jìn)行推斷[7，8]，如圖3所示。

圖3 15102工作面采空區(qū)漏風(fēng)通道示意圖

3 數(shù)值模擬分析

本文結(jié)合示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)結(jié)果，采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件ANSYS 15.0 FLUENT對(duì)U型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證[9-11]。

3.1 物理模型及邊界條件

本文依據(jù)溫莊煤礦15102工作面實(shí)測(cè)情況進(jìn)行建模，采空區(qū)物理模型如圖4所示，模型參數(shù)見(jiàn)表2。采空區(qū)滲透率依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(20)進(jìn)行設(shè)定[12]，采用UDF自定義函數(shù)設(shè)置[13-15]，采空區(qū)孔隙率分布如圖5所示。

式中，n為采空區(qū)內(nèi)孔隙率；x為采空區(qū)長(zhǎng)度方向(x軸)坐標(biāo)；L為工作面長(zhǎng)度，m；Y為采空區(qū)某點(diǎn)高度方向(y軸)的坐標(biāo)值，當(dāng)y為負(fù)值時(shí)取正號(hào)，y為正值時(shí)取負(fù)號(hào)，m。

1—主進(jìn)風(fēng)巷；2—液壓支架區(qū)；3—工作面；4—副進(jìn)風(fēng)巷；5—沿空留巷圖4 15102工作面Y型通風(fēng)物理模型

圖5 采空區(qū)孔隙率變化空間分布圖

表2 采空區(qū)模型參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)15102工作面采空區(qū)風(fēng)流流線呈U形分布，由工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)流入采空區(qū)，一定深度后在向工作面回風(fēng)側(cè)方向偏轉(zhuǎn)，由回風(fēng)側(cè)流出。模擬結(jié)果顯示，15102工作面總進(jìn)風(fēng)量為1565.66m3/min，工作面漏風(fēng)量為229.70m3/min，工作面漏風(fēng)K=14.67%，與現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)通道測(cè)定結(jié)果相符。

圖6 采空區(qū)風(fēng)流速度分布云圖

2)采空區(qū)速度分布。采空區(qū)內(nèi)速度分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。漏風(fēng)主要集中在工作面下隅角處(-120m至-100m)區(qū)域，形成高壓區(qū)域，漏風(fēng)由工作面流向采空區(qū)，速度較高，最大風(fēng)速達(dá)到0.25m/s。在-100m至-90m區(qū)域，存在一個(gè)風(fēng)速較低區(qū)域，風(fēng)速幾乎為0m/s，為風(fēng)流流出形成湍流造成。沿工作面正方向，風(fēng)速逐漸降低，在0m處風(fēng)速降至最低，為0.0822m/s。沿工作面正方向風(fēng)速變大，在上隅角處風(fēng)速達(dá)到0.1501m/s。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)巷道對(duì)應(yīng)風(fēng)速與漏風(fēng)速度實(shí)際測(cè)定結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖7所示。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果保持一致。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比圖

3)采空區(qū)氧濃度分布及三帶劃分。采空區(qū)的氧濃度數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 采空區(qū)氧濃度云圖

采空區(qū)煤自燃與漏風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系密切，漏風(fēng)為采空區(qū)供給氧氣，并促進(jìn)對(duì)流換熱。研究表明，氧氣體積濃度大于18%時(shí)定義為采空區(qū)散熱帶，氧氣體積濃度大于8%小于18%時(shí)定義為采空區(qū)氧化帶，氧氣體積濃度小于8%時(shí)定義為采空區(qū)窒息帶[12]。采空區(qū)下部氧濃度高于上部，采空區(qū)上部氧濃度較高區(qū)域面積大于下部。

采空區(qū)Z=0m、Z=16.3m和Z=30m模擬結(jié)果，不同高度上的三帶劃分結(jié)果例見(jiàn)表3。隨采空區(qū)高度增加，散熱帶范圍逐漸減小直至消失，在Z>16.3m后，散熱帶完全消失。隨高度增加，氧化帶最大寬度先增大后減小在Z=16.3m位置氧化帶最寬為32m；隨高度增加，回風(fēng)巷附近氧化帶邊界向工作面中部收縮。窒息帶范圍隨高度增加而逐漸擴(kuò)大。因此，在采空區(qū)下隅角采空區(qū)上部更容易發(fā)生自燃。

表3 采空區(qū)自燃三帶分布 m

采用積分法對(duì)采空區(qū)不同高度區(qū)域氧化帶面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。

圖9 采空區(qū)氧化帶面積隨高度變化曲線

采空區(qū)高度增加，其氧化帶面積先增大，在16.3m處達(dá)到最大，然后略有縮小。這是因?yàn)轱L(fēng)流由工作面流入采空區(qū)，氧氣擴(kuò)散濃度降低，散熱帶轉(zhuǎn)化為氧化帶，同時(shí)采空區(qū)上部巖層較為疏松，孔隙率較大氧更易氣擴(kuò)散，氧化帶邊界擴(kuò)大；一定高度后，氧氣供給不充分，氧化帶邊界收縮，面積變小。

4 結(jié) 論

1)采用SF6示蹤氣技術(shù)，對(duì)溫莊煤礦15102型通風(fēng)工作面采空區(qū)進(jìn)行漏風(fēng)測(cè)定。U型通風(fēng)方式下采空區(qū)工作面漏風(fēng)率約為16.31%；該采空區(qū)內(nèi)部存在多條漏風(fēng)通道，其中液壓支架與采空區(qū)交界處的漏風(fēng)速度較大，最大漏風(fēng)速度可達(dá)0.66m/s；其他采空區(qū)漏風(fēng)通道速度相對(duì)較小，其速度在0.032～0.128m/s之間。

2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Ansys-Fluent軟件對(duì)U型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致；采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流線呈U形分布，由工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)流入采空區(qū)，一定深度后向回風(fēng)側(cè)偏轉(zhuǎn)并流出；U型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)漏風(fēng)主要為工作面下隅角區(qū)域，更易發(fā)生自燃。

3)U型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)三帶呈條狀分布，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶與氧化帶寬度大于回風(fēng)側(cè)，自燃危險(xiǎn)性更大。散采空區(qū)高度增加逐漸縮小并消失，采空區(qū)上部區(qū)域無(wú)散熱帶；氧化帶范圍隨高度增加先增大再減小，窒息帶范圍隨高度增加逐漸擴(kuò)大。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的方法對(duì)更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)采空區(qū)自燃具有一定指導(dǎo)意義。