臧燕杰

（國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆 塔城 834700）

我國煤田分布較廣，大部分可采煤層為近距離多層復(fù)合煤層[1]，此類型煤層群一般按照從上至下開采順序，本煤層回采后，上分層采空區(qū)會垮冒至本層采空區(qū)形成復(fù)合采空區(qū)，而近距離煤層群開采基本采用綜采放頂煤工藝，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤分布較多[2]。在開采動壓影響下，本煤層附近的老空區(qū)之間溝通產(chǎn)生復(fù)雜的裂隙，造成工作面采空區(qū)漏風(fēng)多，在自然風(fēng)壓影響下，形成復(fù)雜漏風(fēng)，給易自燃煤層工作面帶來嚴峻的自燃威脅[3]。

從本質(zhì)來說自然風(fēng)壓是一種能量差，受地溫、地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懠熬舷露喾N因素共同作用所引起的促使空氣沿井巷流動的現(xiàn)象[4]。但自然風(fēng)壓不能當(dāng)作礦井通風(fēng)的主要動力源，因為其是一種變化的動力源，自然風(fēng)壓會對機械通風(fēng)的礦井造成影響，其大小和方向在礦井中是隨季節(jié)的變化而變化。在近距離煤層開采礦井中，在自然風(fēng)壓作用下導(dǎo)致漏風(fēng)情況復(fù)雜，因此有必要對自然風(fēng)壓的變化情況及對工作面漏風(fēng)影響進行探究[5]。

1 礦井自然風(fēng)壓測定及變化規(guī)律

沙吉海礦井采用機械抽出式全負壓通風(fēng)方法，井田共有可采煤層14 層，其中全區(qū)可采3 層，大部分可采7 層，部分可采2 層，局部可采2 層?，F(xiàn)主采B10 煤層，上部為B11 煤層，下部為B9 煤層，煤層間距都比較近，為近距離煤層。B10 平均厚度為7.26 m，局部含1～2 層夾矸，屬結(jié)構(gòu)簡單、可采穩(wěn)定的厚煤層。煤層傾角為9°～16°，煤層的層理不太明顯，但垂直高角度裂隙、縱向節(jié)理較為發(fā)育，主要以41 號長焰煤、31 不粘煤為主。現(xiàn)生產(chǎn)的工作面為B1003W03 工作面，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采工藝，工作面采用U 型通風(fēng)方式。

1.1 自然風(fēng)壓測定

根據(jù)查閱相關(guān)文獻，自然風(fēng)壓測定方法有直接測定法、間接測定法及反風(fēng)測算法[6-7]等三種方法。間接測定法主要是測定礦井進風(fēng)機回風(fēng)井的大氣壓力及干濕溫度變化，利用公式計算測點的空氣密度，從而得出礦井的自然風(fēng)壓[6]：

式中：ρd為回風(fēng)井與進風(fēng)井高差的空氣密度，kg/m3；Hd為回風(fēng)井與進風(fēng)井高差，m。

在春夏秋冬四個季節(jié)分別選擇一天，進行全天自然風(fēng)壓測定計算，從零點開始，間隔3 h 測定一次，一天共8 次進行自然風(fēng)壓測定，測定結(jié)果見表1。

表1 一天中不同時段自然風(fēng)壓測定結(jié)果（單位：Pa）

根據(jù)每月測定的數(shù)據(jù)，選取平均數(shù)作為每個月礦井的自然風(fēng)壓，見表2。

表2 全年自然風(fēng)壓測定結(jié)果

1.2 自然風(fēng)壓變化規(guī)律

沙吉海煤礦春、夏、秋、冬四個季節(jié)自然風(fēng)壓變化趨勢如圖1。

圖1 不同季節(jié)不同時段自然風(fēng)壓變化圖

從表1、2 及圖1 可以看出，沙吉海煤礦自然風(fēng)壓是動態(tài)變化的，夏季及冬季礦井自然風(fēng)壓受氣溫影響變化較大，春季和秋季則變化較??；而礦井自然風(fēng)壓在白天氣溫最高時最小，15 時達到最小值，夜間溫度降低自然風(fēng)壓升高，凌晨3 點達到最高。

從圖2 可以看出：沙吉海礦在夏季時自然風(fēng)壓最小值為-37 Pa，冬季時自然風(fēng)壓最大為135 Pa，全年變化幅度高達172 Pa，春秋冬三季全為正壓，而夏季自然風(fēng)壓會出現(xiàn)負壓。即在春秋冬三季時，自然風(fēng)壓方向與礦井風(fēng)機作用方向一致，有利于礦井通風(fēng)，夏季自然風(fēng)壓方向與礦井風(fēng)機作用方向相反，阻礙礦井通風(fēng)。

圖2 礦井一年自然風(fēng)壓示意圖

2 自然風(fēng)壓影響下的采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

2.1 工作面漏風(fēng)量測定

為了解不同季節(jié)自然風(fēng)壓對采空區(qū)漏風(fēng)的影響程度，利用SF6連續(xù)定量釋放法對B1003W03 工作面的漏風(fēng)量進行測定[7]。

經(jīng)實地踏勘，選擇在B1003W03 進風(fēng)巷距巷口50 m 左右位置處作為釋放點R1 釋放SF6氣體。選擇在B1003W03 進風(fēng)巷距巷口100 m 處作為SF6氣體濃度檢測點S1，B1003W03 回風(fēng)巷選擇在距巷口100 m 處作為SF6氣體濃度檢測點S2，測得S1、S2點的SF6濃度分別為c1、c2。測定示意圖如圖3。

圖3 工作面漏風(fēng)測定示意圖（m）

利用下式計算工作面漏風(fēng)量

式中：QJ為工作面漏風(fēng)量，m3/min；

q為SF6示蹤氣體的連續(xù)定量釋放量，m3/min；c1為進風(fēng)巷檢測點SF6示蹤氣體濃度；c2為回風(fēng)巷檢測點SF6示蹤氣體濃度。

通過對秋冬兩季連續(xù)5 d 三班進行漏風(fēng)測定，測定結(jié)果見表3。

表3 工作面漏風(fēng)量記錄表

2.2 采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

沙吉海礦在秋季時自然風(fēng)壓為正，早、晚兩班大，中班較小，相應(yīng)的早、晚兩班B1003W03 工作面漏風(fēng)量較大，中班較小。即自然風(fēng)壓的增大會增加采空區(qū)的漏風(fēng)量，在冬季時自然風(fēng)壓差值比秋季時大，同樣冬季時工作面漏風(fēng)量比秋季時漏風(fēng)量大。

對于B1003W03 工作面來說，自然風(fēng)壓增大會導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量增加，負壓通風(fēng)會使采空區(qū)向工作面漏風(fēng)。礦井自然風(fēng)壓為正，幫助礦井進行通風(fēng)，但會導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量也增大；夏季自然風(fēng)壓受氣溫影響變化較大，一天自然風(fēng)壓變化為正-負-正，會造成采空區(qū)壓差形成“呼吸”現(xiàn)象，增加采空區(qū)遺煤自燃威脅。

3 采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律數(shù)值模擬

根據(jù)計算流體動力學(xué)（CFD）的理論知識，利用Fluent 軟件對B1003W03 工作面采空區(qū)流場進行數(shù)值模擬，來驗證實際測定結(jié)果是否正確。

3.1 基本假設(shè)及邊界條件

假定采空區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)的滲透變化符合達西滲流定律，氣相物質(zhì)擴散符合菲克擴散定律。根據(jù)流場基本假設(shè)及現(xiàn)場實際條件，進風(fēng)巷口設(shè)置為入口，回風(fēng)巷口設(shè)置為邊界，工作面與采空區(qū)交界面設(shè)置為流體內(nèi)部邊界，其他面都近似地設(shè)置為絕流邊界。工作面采用負壓通風(fēng)，進風(fēng)口風(fēng)速為1 m/s，回風(fēng)口風(fēng)速為0.96 m/s，進回風(fēng)巷壓力差30 Pa。

3.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)B1003W03 工作面的實際尺寸對模擬模型進行簡化，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，如圖4。

圖4 工作面采空區(qū)網(wǎng)格劃分結(jié)果

通過工作面漏風(fēng)測定結(jié)果可知，進回風(fēng)隅角是工作面的主要漏風(fēng)通道，回風(fēng)隅角漏風(fēng)較為嚴重；而通過模擬采空區(qū)漏風(fēng)流場結(jié)果可知，B1003W03工作面采空區(qū)內(nèi)氣流場呈線性均勻圓弧分布，如圖5，采空區(qū)內(nèi)氣流速分布不均，在采空區(qū)進回風(fēng)口處流速較大，而在中部區(qū)域流速相對較小。對應(yīng)的工作面進風(fēng)口處風(fēng)壓最大而回風(fēng)隅角處風(fēng)壓最小，且兩點附近風(fēng)壓梯度最大，工作面中部風(fēng)流壓差較小。進風(fēng)隅角主要表現(xiàn)為工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，回風(fēng)隅角主要表現(xiàn)為采空區(qū)向工作面漏風(fēng)，可知模擬的風(fēng)量分布趨勢與實測結(jié)果基本一致。

圖5 采空區(qū)漏風(fēng)分布圖

4 結(jié)論

（1）沙吉海煤礦自然風(fēng)壓在一天中的變化基本在30 Pa 左右，不會對主通風(fēng)機運行狀態(tài)造成大的影響，自然風(fēng)壓差值在氣溫最高時最小，下午15時左右達到最小值，氣溫最低時自然風(fēng)壓也最大。

（2）沙吉海煤礦在春秋冬時自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機作用方向一致，有利于礦井通風(fēng)，同時會增加采空區(qū)漏風(fēng)量；夏季為負，與風(fēng)機作用方向相反，阻礙礦井通風(fēng)，且波動幅度較大，一天內(nèi)會出現(xiàn)自然風(fēng)壓的正-負-正變化，使采空區(qū)形成“呼吸”現(xiàn)象，增大了自然發(fā)火威脅。

（3）通過采空區(qū)漏風(fēng)數(shù)值模擬可知，風(fēng)量分布趨勢與實測結(jié)果基本一致，即進風(fēng)隅角主要表現(xiàn)為工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，回風(fēng)隅角主要表現(xiàn)為采空區(qū)向工作面漏風(fēng)。