傾斜高瓦斯煤層抽采條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律數(shù)值模擬

姜亦武，楊俊生，趙鵬翔，賀海瑞，郝建池，楊雪鳳

(1.兗礦新疆能化有限公司 新疆 烏魯木齊 830000；2.兗礦新疆礦業(yè)有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

采空區(qū)漏風(fēng)供氧程度直接影響了采空區(qū)煤自然發(fā)火周期的長(zhǎng)短，而自燃“三帶”理論(即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶)的建立同樣是基于對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)供氧與蓄熱條件的研究[1-2]。針對(duì)采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域與自燃“三帶”劃分的研究，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者開展了大量實(shí)驗(yàn)并取得了豐碩的成果[3-5]。

鄧軍等為了更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)采空區(qū)的煤自燃溫度，進(jìn)而對(duì)煤自燃災(zāi)害進(jìn)行防控，建立了一種基于隨機(jī)森林方法的煤自燃預(yù)測(cè)模型，同時(shí)通過程序升溫的方法研究了風(fēng)量對(duì)煤低溫氧化自燃過程的影響，結(jié)果表明煤體溫度的增加需要更大的風(fēng)量加以支持[6-7]。同樣對(duì)煤體升溫氧化自燃，張辛亥等采用熱分析技術(shù)以及改進(jìn)的KAS法對(duì)該過程進(jìn)行了質(zhì)量及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)煤的失重呈階段性變化規(guī)律，并可分為4個(gè)階段[8]。

杜陽等通過利用Gambit軟件對(duì)“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式的采空區(qū)進(jìn)行煤自燃區(qū)域分布規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)在此通風(fēng)條件下的煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域較大[9]。郝宇、李品等通過使用COMSOL軟件模擬了不同通風(fēng)條件、不同推進(jìn)距離下的采空區(qū)自燃“三帶”分布特征，發(fā)現(xiàn)氧化帶寬度隨著風(fēng)速、推進(jìn)距離的增加呈現(xiàn)階段性變化[10-11]。文虎等利用Fluent軟件煤層分層前后的采空區(qū)氧濃度分布特征，以此來探究煤層分層對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”的影響，結(jié)果表明煤層分層會(huì)減小回風(fēng)側(cè)散熱帶和自燃帶的寬度[12]。朱紅青等采用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究尾巷抽放瓦斯對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行尾巷抽放瓦斯會(huì)使氧化升溫帶的范圍向采空區(qū)內(nèi)部極大的擴(kuò)展[13]。肖峻峰等通過使用Gambit軟件對(duì)高抽巷瓦斯抽采條件下的采空區(qū)遺煤自燃進(jìn)行研究，并找到能夠有效滿足防火要求的工作面風(fēng)量[14]。ZHAI等結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法，研究了注氮對(duì)遺煤自燃的影響，發(fā)現(xiàn)注氮可以有效地延長(zhǎng)自燃時(shí)間，降低煤自燃的可能性[15]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”的具體特征、分布規(guī)律、影響因素等從數(shù)值模擬、工程實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等多個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的成果，為采空區(qū)煤自燃災(zāi)害的防治提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而通過研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，進(jìn)而調(diào)整礦井防煤自燃措施也是有必要的，高建良、馬礪、黎經(jīng)雷等對(duì)采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得到了采空區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律，并為工作面制定合理的供風(fēng)量[16-18]。ZHAI、ZHUO等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)手段，針對(duì)具體通風(fēng)條件，埋深進(jìn)行研究，得出其具體漏風(fēng)規(guī)律。并制定相應(yīng)的防煤自燃措施[19-20]。目前對(duì)于高位鉆孔抽采瓦斯進(jìn)而引起的采空區(qū)漏風(fēng)引發(fā)煤自燃的研究相對(duì)較少。文中以新疆硫磺溝煤礦(4-5)04工作面為試驗(yàn)原型，通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，以此來探究瓦斯抽采對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃的影響。

1 工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)以新疆硫磺溝煤礦(4-5)04工作面為原型，該工作面走向長(zhǎng)度為2 618.5 m，傾斜長(zhǎng)度為180 m。煤層平均角度為24°，平均開采厚度為6.15 m，割煤高度為3.0 m，采放比為1∶1.1。在(4-5)04工作面中，沿著4-5號(hào)煤層底板進(jìn)行軌道順槽與皮帶順槽的掘進(jìn)工作，工作面配風(fēng)量為1 048 m3/min，具體布置情況如圖1(a)所示?；夭善陂g，因煤層賦存情況的變化，工作面支架推進(jìn)速度不一致，下端口超前上端口開采，形成工作面仰偽斜，如圖1(b)所示。

圖1 (4-5)04工作面布置示意圖Fig.1 (4-5)04 working face layout schematic diagram

2 數(shù)值模型的建立

利用ANSYS Workbench數(shù)值模擬軟件所具備的建模與網(wǎng)格劃分模塊，根據(jù)硫磺溝煤礦(4-5)04工作面概況，建立走向200 m，傾向180 m，傾角24°的工作面模型。參照現(xiàn)場(chǎng)高位鉆孔的層位布置，確定模型的總體高度為50 m；巷道長(zhǎng)度為4 m，寬度為3 m；兩巷浮煤厚度4.2 m、寬度5.5 m；冒落帶高度理論預(yù)測(cè)28.8 m，裂隙帶高度理論預(yù)測(cè)147.9 m。為結(jié)合實(shí)際進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)了2#鉆場(chǎng)模型以及無鉆場(chǎng)模型，如圖2所示，根據(jù)鉆場(chǎng)實(shí)際鉆孔參數(shù)進(jìn)行了如圖3的鉆孔建模。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，無鉆場(chǎng)模型以及2#鉆場(chǎng)模型中浮煤層、進(jìn)回風(fēng)巷及工作面步長(zhǎng)設(shè)置為1 m，巖層步長(zhǎng)設(shè)置為2 m；鉆孔實(shí)際尺寸為0.12 m，因此鉆孔步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 m，并在與巖層接觸面進(jìn)行了網(wǎng)格加密；共劃分網(wǎng)格單元無鉆場(chǎng)模型1 274 393個(gè)，2#鉆場(chǎng)模型1 489 301個(gè)。

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model grid partitioning

圖3 鉆孔局部網(wǎng)格Fig.3 Local grid of drilling holes

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 工作面?zhèn)涡睂?duì)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律影響

結(jié)合(4-5)04工作面的實(shí)際開采情況研究分析，為確保工作面支架的合理布置，杜絕工作面支架因重力傾倒而發(fā)生下端口超前上端口開采，從而產(chǎn)生超前25 m左右的工作面仰偽斜現(xiàn)象。為符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次數(shù)值模擬設(shè)置偽斜條件為：進(jìn)風(fēng)巷超前回風(fēng)巷25 m。針對(duì)采空區(qū)氣流進(jìn)行實(shí)際氣體測(cè)定過程中得出，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)情況隨工作面?zhèn)涡遍L(zhǎng)度變化而變化。為充分掌握采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)合工作面實(shí)際回采情況，以一定初始條件和相同邊界條件為基準(zhǔn)開展數(shù)值模擬研究，分析了有、無偽斜條件下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)變化情況，其結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 采空區(qū)氧濃度分布云圖Fig.4 Cloud diagram of oxygen concentration distribution in goaf

圖5 采空區(qū)漏風(fēng)速率等值線圖Fig.5 Contours map of air leakage rate in goaf

圖6 采空區(qū)氧濃度進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧濃度曲線Fig.6 Curves of oxygen concentration in goaf into and back to the wind side

由圖4采空區(qū)氧濃度分布云圖可以得出，采空區(qū)氧濃度整體呈進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域?qū)挕⒒仫L(fēng)側(cè)較窄的分布規(guī)律，且從進(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)，氧濃度逐漸減小，其減小速率也不斷增加。同時(shí)可以看出，當(dāng)氧氣質(zhì)量濃度處于18.8%～23%范圍內(nèi)時(shí)，無偽斜工作面兩側(cè)氧濃度小于中部，當(dāng)氧氣質(zhì)量濃度小于18%時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度最大。而有偽斜工作面氧濃度受氧氣質(zhì)量濃度影響較小，其整體呈進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度最大的規(guī)律。

由圖5采空區(qū)漏風(fēng)速率等值線圖可以得到，有偽斜、無偽斜工作面中部漏風(fēng)速率均大于工作面兩側(cè)，且其漏風(fēng)速率下降速率也相同。有偽斜工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)速率大于回風(fēng)側(cè)，而無偽斜工作面漏風(fēng)速率在進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)相同位置基本相同。

由圖6采空區(qū)氧濃度進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧濃度曲線可以看出，有偽斜、無偽斜2種工作面回風(fēng)側(cè)氧濃度曲線變化趨勢(shì)高度吻合，其同一位置氧濃度大體相同。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度變化曲線中，在距離工作面35～130 m時(shí)，有偽斜工作面氧濃度明顯高于無偽斜工作面氧濃度，有偽斜工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度下降速率小于無偽斜工作面。根據(jù)氧濃度為8%～18%的自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)[1]，無偽斜、有偽斜工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶分別為40，53 m，有偽斜工作面氧化升溫帶較無偽斜工作面增大了13 m。通過對(duì)不同偽斜長(zhǎng)度工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的研究，確定了偽斜長(zhǎng)度影響下工作面氧化升溫帶的變化規(guī)律，為預(yù)防采空區(qū)自燃工作提供了一定的理論依據(jù)。

圖7 采空區(qū)氧濃度立體分布云圖Fig.7 Three-dimensional distribution cloud diagram of oxygen concentration in goaf

圖8 采空區(qū)氧濃度等值線圖Fig.8 Contours map of oxygen concentration in goaf

3.2 有無高位鉆孔抽放條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究

正?；夭蓵r(shí)，(4-5)04工作面的風(fēng)量平均為1 048 m3/min，此風(fēng)量下進(jìn)行采空區(qū)立體氧濃度模擬，其模擬云圖如圖7所示，在與圖7(a)相同條件下，2#鉆場(chǎng)增加了回風(fēng)側(cè)的鉆孔抽采，其氧濃度如圖7(b)所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)的最小值30 kPa，進(jìn)行模擬得到抽采負(fù)壓。如圖，由于鉆場(chǎng)抽采工作的進(jìn)行，影響回風(fēng)側(cè)處的漏風(fēng)情況，使其明顯增大，從空間上看，2#鉆場(chǎng)采空區(qū)氧濃度在X,Y,Z這3個(gè)方向都有不同程度的增大。X方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向，Y方向?yàn)楣ぷ髅媪Ⅲw縱向，Z方向?yàn)楣ぷ髅嬷敛煽諈^(qū)的走向。ZY平面上，氧濃度隨著Y方向距離的增加，以弧線狀在采空區(qū)深度方向增加，且當(dāng)Z為0時(shí)，氧濃度寬度在進(jìn)風(fēng)側(cè)最小。立體漏風(fēng)在進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)移動(dòng)的過程中逐漸減小。

從圖8分析可到，有、無鉆場(chǎng)對(duì)不同距離下進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)氧濃度幾乎無影響，該區(qū)域采空區(qū)氧濃度都達(dá)到最大值，隨著采空區(qū)不斷向深部延伸，氧濃度減小速率也不斷減小。此外，對(duì)于回風(fēng)側(cè)方向氧濃度，無鉆場(chǎng)采空區(qū)下降明顯。由于抽采工作增大了回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)，兩巷浮煤較厚導(dǎo)致耗氧量增加，致使相同位置氧濃度情況的進(jìn)回風(fēng)兩巷均小于采空區(qū)內(nèi)部，因此，2#鉆場(chǎng)采空區(qū)在進(jìn)回風(fēng)兩巷氧濃度基本保持一致。

如圖9所示，有、無鉆場(chǎng)采空區(qū)的進(jìn)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)速率都基本保持一致，無鉆場(chǎng)抽采采空區(qū)漏風(fēng)速率在靠近回風(fēng)側(cè)較大。鉆場(chǎng)抽采過程中，采空區(qū)相同位置漏風(fēng)速率明顯大于無鉆場(chǎng)抽采。從2#鉆場(chǎng)漏風(fēng)速率曲線可以看出，由于采空區(qū)浮煤內(nèi)部不同位置風(fēng)流速率的不同，導(dǎo)致浮煤與采空區(qū)風(fēng)流氧氣充分接觸，最終采空區(qū)漏風(fēng)速率曲線發(fā)生一定彎曲，且其逐漸向采空區(qū)深部延伸，且因?yàn)樯喜裤@孔的負(fù)壓抽采方式，導(dǎo)致進(jìn)、回風(fēng)側(cè)速率不同，因此隨著向采空區(qū)深部延伸該趨勢(shì)逐漸減小。

圖9 采空區(qū)漏風(fēng)速率等值線圖Fig.9 Contours map of air leakage rate in goaf

圖10 采空區(qū)兩巷氧濃度曲線Fig.10 Curves of oxygen concentration in two goaf lanes

從圖10中的氧濃度對(duì)比圖分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)相同位置處有無鉆場(chǎng)抽采卸壓瓦斯對(duì)氧氣濃度分布規(guī)律影響不大。2種情況下，同樣出現(xiàn)了在距離工作面60 m范圍內(nèi)氧濃度急劇下降的趨勢(shì)，并在距離工作面73 m之外接近于0%的變化規(guī)律，無鉆場(chǎng)抽采的采空區(qū)相同位置處氧濃度超過有鉆場(chǎng)的最多3%左右。相反，在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)兩者的數(shù)值變化呈現(xiàn)明顯的不同。在距離工作面80 m的范圍內(nèi)，有鉆場(chǎng)抽采瓦斯的采空區(qū)氧濃度比無鉆場(chǎng)的最多超出7%。無鉆場(chǎng)抽采的采空區(qū)在距工作面約28 m位置其氧濃度就下降至5%，遠(yuǎn)小于有鉆場(chǎng)抽采時(shí)的50 m。

綜上所述，高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯對(duì)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度分布影響不大，對(duì)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧濃度起到明顯的增益作用。增大氧濃度5%以上的區(qū)域22m距離，形成了立體式漏風(fēng)通道，極大地增大了采空區(qū)遺煤氧化范圍。

3.3 不同抽采負(fù)壓下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

根據(jù)礦井實(shí)際施工鉆孔參數(shù)及抽放負(fù)壓，選用抽放負(fù)壓條件為30，80 kPa模擬2#鉆場(chǎng)的采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)。由圖11～圖12可以看出，在不同抽采負(fù)壓條件下2#鉆場(chǎng)的氧氣濃度分布及擴(kuò)散距離有適當(dāng)變化，當(dāng)抽放負(fù)壓增大時(shí)，采空區(qū)立體漏風(fēng)隨之增大。

根據(jù)圖13可以看出，隨著抽采負(fù)壓增大，回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)速率明顯增大。在抽采負(fù)壓為80 kPa條件下，2#鉆場(chǎng)漏風(fēng)曲線相較于抽采負(fù)壓為30 kPa時(shí)更為復(fù)雜，并且在傾向60 m范圍內(nèi)漏風(fēng)曲線存在偏向工作面的變化趨勢(shì)。

根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”危險(xiǎn)區(qū)域判定準(zhǔn)則[1]劃分采空區(qū)自燃“三帶”：其中漏風(fēng)風(fēng)速大于0.004 m/s的區(qū)域?yàn)樯釒В╋L(fēng)風(fēng)速為0.004～0.001 6 m/s的區(qū)域?yàn)檠趸瘞?；窒息帶為采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速小于0.001 6的區(qū)域。根據(jù)圖13可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2#鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓為30 kPa時(shí)，氧化升溫帶位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面20～45 m，回風(fēng)側(cè)距離工作面18～40 m。當(dāng)2#鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓為80 kPa時(shí)，氧化升溫帶位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面24～60 m范圍，回風(fēng)側(cè)距離工作面30～68 m范圍。

圖11 采空區(qū)立體氧濃度Fig.11 The cubic oxygen concentration in the goaf

圖12 采空區(qū)氧濃度等值線Fig.12 Oxygen concentration contour lines in the goaf

圖13 采空區(qū)漏風(fēng)速率等值線Fig.13 Contour lines of air leakage rate in goaf

圖14 2#鉆場(chǎng)不同抽放負(fù)壓下氧濃度Fig.14 Oxygen concentration curves under different pumping negative pressures in drilling field 2#

由圖14(a)可知，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面18～110 m時(shí)，2#鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓為80 kPa條件下的氧濃度均大于30 kPa，當(dāng)距工作面距離為53 m時(shí)氧濃度差最大為4.4%。由圖14(b)可知，同樣在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)距離工作面0～110 m時(shí)，2#鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓為80 kPa條件下的氧濃度更大，當(dāng)距工作面距離為37 m時(shí)氧濃度差最大為7%?？傊?，2#鉆場(chǎng)的鉆孔抽采負(fù)壓由30 kPa增大至80 kPa時(shí)，工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)向采空區(qū)回風(fēng)側(cè)偏移，在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)速率及氧濃度較大，但漏風(fēng)流場(chǎng)寬度差異較小。

綜上所述，2#鉆場(chǎng)在30，80 kPa抽采負(fù)壓的條件下，采空區(qū)中的漏風(fēng)流場(chǎng)整體向回風(fēng)側(cè)加大并與其相當(dāng)，漏風(fēng)速率及氧濃度分布在局部區(qū)域回風(fēng)側(cè)較大。增大抽采負(fù)壓，2#鉆場(chǎng)的采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)同樣正比增加，但其寬度基本不變。

4 結(jié) 論

1)偽斜能明顯提高進(jìn)風(fēng)側(cè)離工作面35～130 m內(nèi)采空區(qū)氧濃度，并減緩氧濃度衰減速度。受偽斜影響，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶增加13 m，達(dá)到53 m。高位鉆場(chǎng)抽采下的回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)明顯，30 kPa抽采負(fù)壓下，相同位置的采空區(qū)氧濃度相差最大達(dá)到約7%。由于受到高位鉆孔抽采的影響，有立體式漏風(fēng)通道在采空區(qū)中形成，該通道導(dǎo)致浮煤氧化的范圍增大。

2)2#鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓提高，采空區(qū)中的漏風(fēng)流場(chǎng)由于抽采負(fù)壓的提高產(chǎn)生整體向回風(fēng)側(cè)延伸的現(xiàn)象。進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)流場(chǎng)范圍大致相當(dāng)，但在局部地區(qū)，漏風(fēng)速率與氧濃度回風(fēng)側(cè)較大。增大抽采負(fù)壓，2#鉆場(chǎng)的采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)同樣正比增加，但其寬度基本不變。

3)通過開展傾斜高瓦斯煤層不同條件下的采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，分析有無偽斜、高位鉆孔抽放以及不同抽采負(fù)壓等因素對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)的影響，得到偽斜、高位鉆孔抽放以及抽采負(fù)壓對(duì)于采空區(qū)氧氣濃度的分布影響規(guī)律?？蓪?duì)傾斜高瓦斯煤層的煤火災(zāi)害防治提供一定參考。