云傳貴

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

決定礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要影響因素之一是自然風(fēng)壓[1-3]，因此了解礦井自然風(fēng)壓變化特點(diǎn)，開(kāi)展基于自然風(fēng)壓的工作面漏風(fēng)規(guī)律研究，減少因自然風(fēng)壓作用導(dǎo)致采空區(qū)的漏風(fēng)量，將會(huì)有助于礦井災(zāi)害治理[4-6]。

隨著多年的開(kāi)采，根據(jù)區(qū)域特征，國(guó)內(nèi)礦井基本劃分為兩種：開(kāi)采年限較長(zhǎng)的東部區(qū)域，氣候變化不是非常明顯，礦井通風(fēng)阻力較大，絕大多數(shù)步入深部區(qū)域開(kāi)采，自然風(fēng)壓較大；西部區(qū)域?qū)儆诖箨懶詺夂?，晝夜溫差大，空氣濕度小，氣溫變化明顯，后期開(kāi)發(fā)的礦井生產(chǎn)能力較大、煤層埋深較淺、用風(fēng)量大，而巷道斷面大導(dǎo)致礦井通風(fēng)總阻力較小，東部區(qū)域的千米深井自然風(fēng)壓值大于西部區(qū)域的礦井，但西部區(qū)域的礦井自然風(fēng)壓占礦井總負(fù)壓的比重不可小覷。

位于山西西北區(qū)域的呂梁興縣礦區(qū)大氣壓變化明顯，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)流氣體密度變化很大，而回風(fēng)井氣體密度基本穩(wěn)定、變化很小，從而使得進(jìn)、回風(fēng)井氣體密度相差很大，自然風(fēng)壓值變化明顯；另外因礦井通風(fēng)系統(tǒng)空氣密度和風(fēng)量變化較大，導(dǎo)致工作面采空區(qū)壓差增大，采空區(qū)漏風(fēng)量增大，自然發(fā)火現(xiàn)象加劇，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。為此，科研工作者對(duì)自然風(fēng)壓開(kāi)展了大量研究，趙文彬等[7]以風(fēng)阻定律為基礎(chǔ)，構(gòu)建漏風(fēng)模型并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究工作面鄰近采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，為工作面防滅火提供重要指導(dǎo)依據(jù)；文虎等[8]在唐家會(huì)礦開(kāi)展試驗(yàn)，研究自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)鄂爾多斯的特殊氣候，可通過(guò)適當(dāng)增加主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓，同時(shí)保證主、副井溫差處于5 ℃以上時(shí)，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；蔡海倫等[9]在會(huì)寶嶺鐵礦利用Ventsim軟件研究自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，指導(dǎo)礦井管理優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)。以上雖然對(duì)自然風(fēng)壓進(jìn)行了一定研究，但未深入研究因自然風(fēng)壓引起的采空區(qū)漏風(fēng)。

本文以山西焦煤西山煤電集團(tuán)斜溝煤礦為對(duì)象，研究自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及因其導(dǎo)致工作面進(jìn)風(fēng)量變化，提出改變進(jìn)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)減小采空區(qū)漏風(fēng)，為斜溝煤礦合理控制和利用自然風(fēng)壓、提高通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性[10-11]、減小采空區(qū)遺煤因工作面漏風(fēng)而自燃的可能性奠定基礎(chǔ)。

1 礦井概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，該地區(qū)夏季和冬季特征明顯，全年降水量偏少，多為丘陵地區(qū)，偏干旱，早晚溫差明顯。主采8號(hào)、13號(hào)煤，共布置有8個(gè)井筒，“5進(jìn)3回”，其中12采區(qū)進(jìn)風(fēng)主要是1號(hào)、2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)及副平硐(小井區(qū)域)，由石吉塔溝回風(fēng)斜井擔(dān)負(fù)回風(fēng)任務(wù)。

斜溝煤礦為低瓦斯礦井，采用抽出式通風(fēng)，石吉塔溝回風(fēng)斜井安裝有FBCDZ-10-No34型防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)2臺(tái)(一用一備)，風(fēng)量范圍為7 200～16 800 m3/min，負(fù)壓為1 150～4 100 Pa，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速580 r/min，每臺(tái)通風(fēng)機(jī)選配2臺(tái)YBF710M2-10隔爆電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)功率800 kW，電壓6 kV，同步轉(zhuǎn)速600 r/min，效率94%.

2 自然風(fēng)壓研究

斜溝煤礦12采區(qū)主要回采8號(hào)煤18205工作面，通過(guò)一次采全高回采，工作面長(zhǎng)度為264 m，走向長(zhǎng)度為2 840 m；工作面南側(cè)為12采區(qū)輔助運(yùn)輸下山，東部、西部、南部均為實(shí)煤區(qū)。

2.1 自然風(fēng)壓實(shí)測(cè)

根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，18205工作面風(fēng)量一部分來(lái)自1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)，另一部分來(lái)自副平硐(小井區(qū)域)，其中來(lái)自副平硐的風(fēng)量只占工作面總風(fēng)量的11%.所以，重點(diǎn)研究測(cè)定斜溝煤礦1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)自然風(fēng)壓，通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 18205工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

參考科馬洛夫經(jīng)驗(yàn)公式[12]來(lái)核算自然風(fēng)壓，當(dāng)埋深超過(guò)100 m時(shí)，自然風(fēng)壓按照公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：HC為自然風(fēng)壓，Pa；p為大氣壓力，Pa，通過(guò)實(shí)測(cè)得到；h為礦井開(kāi)采深度，m；g為重力加速度，m/s2；R為礦井空氣常數(shù)，取287 J/(kg·K)；T1為進(jìn)風(fēng)流平均溫度，K；T2為回風(fēng)流平均溫度，K。

1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)自然風(fēng)壓使用間接法測(cè)定。為比較全面準(zhǔn)確獲得全年自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，減小因天氣變化所產(chǎn)生的誤差，結(jié)合1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)的實(shí)際情況，選定2017年9月至2018年9月開(kāi)展測(cè)定，每季度選擇9 d，每天定在上午09：00～10：00，地點(diǎn)選在1號(hào)和2號(hào)副斜井口、副斜井底、石吉塔溝回風(fēng)斜井口和回風(fēng)斜井底測(cè)定自然風(fēng)壓。依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)的全年自然風(fēng)壓隨著時(shí)間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 自然風(fēng)壓隨時(shí)間的變化曲線圖

由圖2可知， 1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)在一年中自然風(fēng)壓時(shí)刻在變，夏季自然風(fēng)壓最小為15.71 Pa，冬季自然風(fēng)壓最大為161.05 Pa，整個(gè)一年內(nèi)自然風(fēng)壓均為正值，根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)情況，除1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)+700 m水平12采區(qū)軌道上山以外，自然風(fēng)壓與機(jī)械風(fēng)壓二者方向一致，有利于礦井通風(fēng)；1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)+700 m水平12采區(qū)軌道上山以內(nèi)，自然風(fēng)壓與機(jī)械風(fēng)壓二者方向全年相反，阻礙礦井通風(fēng)。

2.2 自然風(fēng)壓影響工作面風(fēng)量

對(duì)于抽出式礦井，自然風(fēng)壓和主要通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的靜壓要共同克服礦井通風(fēng)阻力。根據(jù)斜溝煤礦礦井通風(fēng)阻力測(cè)定報(bào)告，涵蓋18205工作面為主測(cè)路線計(jì)算獲得的通風(fēng)阻力只有269.87 Pa，而1號(hào)和2號(hào)副斜井(大井區(qū)域)總負(fù)壓值達(dá)到560 Pa，自然風(fēng)壓將明顯影響主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)以及通風(fēng)系統(tǒng)各分支風(fēng)量。

目前，礦井所安裝的主要通風(fēng)機(jī)具備風(fēng)量大、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通風(fēng)機(jī)能完全提供18205工作面所需風(fēng)量，機(jī)械風(fēng)壓與自然風(fēng)壓作用方向相同，共同作用幫助礦井通風(fēng)。所以，對(duì)于18205工作面，自然風(fēng)壓的變化將直接影響進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量變化。

圖3為2018年每月上旬、中旬、下旬三旬，選定同一地點(diǎn)多次測(cè)定工作面進(jìn)風(fēng)量與時(shí)間之間的關(guān)系。由圖3可知，工作面進(jìn)風(fēng)量時(shí)刻在發(fā)生變化，不斷減小、增大上下反復(fù)波動(dòng)。由于山西呂梁興縣獨(dú)特的氣候特點(diǎn)，春秋季時(shí)間短、冬夏季時(shí)間長(zhǎng)，在4月～7月進(jìn)風(fēng)量較小，在11月至第二年3月進(jìn)風(fēng)量較大。進(jìn)風(fēng)量大小受多種因素影響，但整體上全年風(fēng)量表現(xiàn)為先減小后增大，基本和自然風(fēng)壓變化規(guī)律一致。氣候變化對(duì)礦井通風(fēng)的影響最直觀表現(xiàn)在自然風(fēng)壓，因氣壓改變形成的壓差會(huì)影響風(fēng)量，所以影響工作面進(jìn)風(fēng)量變化的主控因素之一是自然風(fēng)壓。

圖3 18205工作面進(jìn)風(fēng)量變化曲線圖

3 采空區(qū)漏風(fēng)模型構(gòu)建及特征研究

3.1 構(gòu)建漏風(fēng)模型

結(jié)合18205工作面實(shí)際條件，確定工作面漏風(fēng)地點(diǎn)是工作面后部采空區(qū)。工作面端頭支架選用ZYT12000/26/55D型號(hào)，過(guò)渡支架選用ZYG12000/26/55D型號(hào)，中間支架選用ZY12000/28/64D型號(hào)，加強(qiáng)了工作面支護(hù)效果，但工作面兩端頭與液壓支架之間留有較大范圍的間隙，是漏風(fēng)的主要渠道，模型如圖4所示。

圖4 采空區(qū)漏風(fēng)模型圖

從采空區(qū)流場(chǎng)角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)新鮮風(fēng)流由工作面進(jìn)風(fēng)巷途徑工作面進(jìn)入回風(fēng)巷的時(shí)候，風(fēng)流一部分通過(guò)進(jìn)風(fēng)隅角區(qū)域流入采空區(qū)；由于采空區(qū)的漏風(fēng)，工作面風(fēng)量逐漸減少，當(dāng)風(fēng)流從回風(fēng)隅角慢慢回流至工作面時(shí)，距回風(fēng)隅角越近，工作面風(fēng)量越大。壓差和漏風(fēng)通道的存在是工作面向采空區(qū)漏風(fēng)的重要條件，而順著風(fēng)流路線壓能在減小，所以在工作面漏風(fēng)區(qū)域一定有分界點(diǎn)，此處漏風(fēng)方向相反、風(fēng)量和風(fēng)速也是最小。

假設(shè)采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)點(diǎn)的總漏風(fēng)量漏出為正、漏入為負(fù)，那么總漏風(fēng)量無(wú)論是正還是負(fù)，總是符合采空區(qū)封閉邊界理論上的風(fēng)量平衡條件[13]，具體見(jiàn)公式(2):

∑Q=Qi+Q0+Qt=0

(2)

式中：∑Q為通過(guò)采空區(qū)邊界的總風(fēng)量，m3/s；Qt為采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)點(diǎn)的總漏風(fēng)量，m3/s；Q0為從采空區(qū)漏出的風(fēng)量，m3/s；Qi為沿工作面邊界向采空區(qū)漏入的風(fēng)量，m3/s。

3.2 計(jì)算漏風(fēng)量

當(dāng)其他漏風(fēng)沒(méi)有的條件下即Qt=0，在理論上沿著工作面邊界漏入、漏出的風(fēng)量幾乎為相等，同時(shí)工作面漏風(fēng)的出、回風(fēng)量呈現(xiàn)對(duì)稱的[11-12]。當(dāng)Qt≠0時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部存在漏風(fēng)，但在工作面與采空區(qū)二者之間存在漏風(fēng)進(jìn)出平衡點(diǎn)，此點(diǎn)風(fēng)速最小。當(dāng)風(fēng)流通過(guò)工作面后部采空區(qū)的漏入、漏出區(qū)域時(shí)，在斷面積一定的條件下，隨著風(fēng)量變化風(fēng)速先降低后增大。當(dāng)Qt=0時(shí)，工作面中部存在平衡點(diǎn)，以平衡點(diǎn)為分界線，風(fēng)速與測(cè)點(diǎn)到進(jìn)風(fēng)口之間(即原點(diǎn))的距離所形成的曲線投影到橫坐標(biāo)形成的面積(即風(fēng)速投射面積)相等，呈現(xiàn)對(duì)稱分布；當(dāng)Qt≠0時(shí)，風(fēng)速投射面積與Qt的正負(fù)有直接關(guān)系，風(fēng)量大的區(qū)域風(fēng)速大，風(fēng)速投射面積自然就大。

用S1表示風(fēng)流漏入采空區(qū)一側(cè)的風(fēng)速投射面積(單位為m2/s，[m]×[m/s]=[m2/s])，用S2表示風(fēng)流漏出采空區(qū)一側(cè)的風(fēng)速投射面積，二者之差表示投射面積增加量，同時(shí)回采段風(fēng)量增加值Qz用Q1與Q2的差值表示，投射面積增加量與回采段風(fēng)量增加值二者具有一致性的比例關(guān)系[13-14]。如果Qz和Sz已知，那么投射面積風(fēng)量權(quán)重可用公式(3)表示：

(3)

式中：Δ為漏入、漏出采空區(qū)的風(fēng)量在單位風(fēng)速投射面積上風(fēng)量所占的百分比，%.

以投射面積風(fēng)量權(quán)重Δ計(jì)算得到工作面與采空區(qū)之間的漏入、漏出風(fēng)量，具體見(jiàn)公式(4)：

Qi=S1Δ，Q0=S2Δ

(4)

受到自然風(fēng)壓波動(dòng)影響，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量Q1的變化，導(dǎo)致進(jìn)入工作面的風(fēng)流速度的改變，采空區(qū)漏風(fēng)量也在改變。

為進(jìn)一步得到工作面漏風(fēng)與自然風(fēng)壓之間的關(guān)系，選在設(shè)備檢修期間開(kāi)展風(fēng)速測(cè)定，因?yàn)榇藭r(shí)利于觀測(cè)操作，可更加準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)表讀數(shù)[15-16]。選擇在夏至與冬至前后3 d，從進(jìn)風(fēng)隅角開(kāi)始每間隔2 m定點(diǎn)測(cè)定，以便獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，具體如圖5所示。同一地點(diǎn)的斷面積測(cè)量3次，并取平均值。測(cè)定時(shí)前后5 m范圍禁止職工行走，盡量保證測(cè)點(diǎn)較多，并且準(zhǔn)確描述每個(gè)測(cè)點(diǎn)的情景，在備注中填寫(xiě)特殊說(shuō)明，例如采煤機(jī)距離測(cè)點(diǎn)的距離、支架移動(dòng)情況以及煤壁片幫情況等都會(huì)影響風(fēng)速測(cè)定，備注之后開(kāi)始修正，以增加數(shù)據(jù)的真實(shí)性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制風(fēng)速分布曲線，如圖6所示。

圖5 18205工作面測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 18205工作面風(fēng)速分布圖

冬季：v(x)=0.000 82x2-0.27x+1.31，R2為0.96；

夏季：v(x)=0.000 83x2-0.027x+1.06，R2為0.97。

分析相關(guān)系數(shù)較大，接近于1，表明擬合效果較好。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)測(cè)定、匯總處理中存在誤差，把現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)測(cè)風(fēng)速和擬合風(fēng)速對(duì)比分析，得到誤差區(qū)間均小于5%，表明擬合風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速基本符合。

另外，圖6還體現(xiàn)了以工作面支架為分界線的風(fēng)速與漏風(fēng)分布情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)速與漏風(fēng)分布規(guī)律

3.3 分析漏風(fēng)規(guī)律

分析工作面的漏風(fēng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面回風(fēng)一側(cè)具有較大強(qiáng)度的漏風(fēng)，原因是8號(hào)煤上鄰近層已經(jīng)回采完畢，形成采空區(qū)，在開(kāi)采8號(hào)煤工作面時(shí)形成了雙重疊加采空區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)合采空區(qū)；復(fù)合采空區(qū)具有復(fù)雜的漏風(fēng)通道，覆巖形成無(wú)數(shù)的裂隙裂縫渠道擴(kuò)展到地表方向；在工作面負(fù)壓通風(fēng)的作用下，一部分風(fēng)流運(yùn)移至工作面生產(chǎn)區(qū)域，同時(shí)提高采空區(qū)漏風(fēng)量，但因采空區(qū)面積較大，漏風(fēng)量不大，說(shuō)明漏風(fēng)情況不是很明顯。

夏季因煤炭市場(chǎng)需求較低，工作面推進(jìn)速度緩慢，為了防止采空區(qū)遺煤自燃，采取向采空區(qū)注氮?dú)獾姆罍缁鸫胧?，在測(cè)定風(fēng)量時(shí)，實(shí)測(cè)風(fēng)量數(shù)據(jù)比實(shí)際漏出風(fēng)量大；冬季因自然風(fēng)壓大、進(jìn)風(fēng)量大的原因，采空區(qū)漏入風(fēng)量比夏季大，導(dǎo)致風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)速度加快，采空區(qū)流場(chǎng)分布面積增大。所以，在礦井實(shí)際生產(chǎn)期間需合理利用和控制自然風(fēng)壓，改變工作面進(jìn)風(fēng)量，減小采空區(qū)流場(chǎng)分布面積，防止采空區(qū)遺煤自燃。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 斜溝煤礦自然風(fēng)壓曲線全年處于不斷變化中，自然風(fēng)壓在夏季最小，冬季最大。根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際條件，自然風(fēng)壓全年均為正，作用方向與機(jī)械風(fēng)壓一致，有利于礦井通風(fēng)。

2) 自然風(fēng)壓的改變對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)量產(chǎn)生巨大影響，礦井全年風(fēng)量變化規(guī)律是先減少后增大，基本與自然風(fēng)壓的變化特點(diǎn)相一致。

3) 采用計(jì)算風(fēng)速投射面積間接獲得漏風(fēng)量及漏風(fēng)分布規(guī)律，冬季采空區(qū)漏入風(fēng)量比夏季大，導(dǎo)致風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)速度加快，采空區(qū)流場(chǎng)分布面積增大。