“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)氧化帶寬度影響因素分析

王 寧，邵嗣華，李作泉，權(quán)繼業(yè)，秦逢緣，王伊闊

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730900；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

瓦斯與火耦合災(zāi)害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大制約因素[1-2]，而采空區(qū)漏風(fēng)所導(dǎo)致的遺煤自燃，又為礦山安全生產(chǎn)埋下了隱患。針對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性判定，前人學(xué)者已作了大量研究[3-4]，自燃“三帶”劃分指標(biāo)主要分為以下3 類：采空區(qū)遺煤升溫速率、漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣體積分?jǐn)?shù)；而在實(shí)際生產(chǎn)工作中，采空區(qū)內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)難度較高，風(fēng)速劃分又存在一定局限性，所以現(xiàn)場(chǎng)大多通過(guò)氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行劃分。

針對(duì)不同通風(fēng)系統(tǒng)和配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)及氧化帶區(qū)域影響，諸多學(xué)者依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬開(kāi)展了大量研究。楊勝?gòu)?qiáng)[5]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬分析了采空區(qū)氧熱循環(huán)過(guò)程，依據(jù)不同風(fēng)量下自燃帶范圍得出了工作面最佳供風(fēng)量；時(shí)國(guó)慶[6]等應(yīng)用CFD 技術(shù)模擬了采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合度較高，分析了配風(fēng)量與氧化帶分布的規(guī)律；劉偉[7]等對(duì)比分析了“U”型、“Y”型通風(fēng)對(duì)采空區(qū)自燃發(fā)火的影響，給出了不同通風(fēng)系統(tǒng)下的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及氧氣體積分?jǐn)?shù)變化；賈男[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬，對(duì)“U＋L”型通風(fēng)條件下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及氣體體積分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行了研究，并提出了一種新式密閉封堵措施；張睿卿[9]系統(tǒng)分析了不同通風(fēng)和瓦斯抽采條件對(duì)漏風(fēng)的影響；高建良[10]等研究了供風(fēng)量對(duì)工作面漏風(fēng)及采空區(qū)瓦斯分布影響。除此之外，景長(zhǎng)寶[11]等基于程序升溫實(shí)驗(yàn)和分布式激光檢測(cè)氣體系統(tǒng)的方法對(duì)煤自燃氧化特征、臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)及自燃三帶規(guī)律進(jìn)行了分析；張春[12]等認(rèn)為綜放采空區(qū)氧化帶高度及遺煤升溫時(shí)間與工作面供風(fēng)量近似滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常依據(jù)工作面基礎(chǔ)情況進(jìn)行通風(fēng)改善，漏風(fēng)情況較為復(fù)雜。目前，復(fù)雜漏風(fēng)條件下的采空區(qū)氧化帶范圍及遺煤自燃規(guī)律研究較少，尤其面對(duì)非常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)，采空區(qū)流場(chǎng)復(fù)雜，漏風(fēng)源增多，氧化帶影響因素繁雜。為解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題，魏家地煤礦北1103 工作面決定采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)方案，然而，“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方案所帶來(lái)的采空區(qū)漏風(fēng)及遺煤自燃問(wèn)題亟待解決，第2 進(jìn)風(fēng)巷最佳布設(shè)位置等工藝參數(shù)尚需商榷。為此，依據(jù)魏家地煤礦北1103 工作面實(shí)際工況，針對(duì)第2 進(jìn)風(fēng)巷不同布設(shè)位置、進(jìn)風(fēng)巷配風(fēng)方案、工作面封堵措施等對(duì)采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域的影響（此處僅考慮氧化帶）分別開(kāi)展研究，分析不同影響因素對(duì)氧化帶寬度變化的影響，尋求最佳布設(shè)位置及通風(fēng)方案，最大限度地降低采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 工作面概況及需風(fēng)量

1.1 工作面概況

魏家地煤礦北1103 綜放工作面走向長(zhǎng)834 m，傾斜長(zhǎng)200 m，所采煤層為一煤層，黑色，半亮～半暗型，鱗片狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，瀝青光澤，以粉沫狀為主，屬煤與瓦斯突出煤層。煤層平均傾角10°，煤層厚度5.46～16.96 m，煤層瓦斯含量預(yù)計(jì)為9.3 m3/t，局部可能超過(guò)10 m3/t，殘余瓦斯含量2.73 m3/t，回采時(shí)瓦斯絕對(duì)涌出量為8.03 m3/t，工作面所采煤層有自然發(fā)火危險(xiǎn)，自然發(fā)火期為4～6 個(gè)月，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量煤層地溫35.35 ℃。實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，一煤層下部二、三煤層瓦斯卸壓釋放，大量瓦斯涌入一煤層采空區(qū)，造成1103 工作面上隅角瓦斯超限，為治理瓦斯超限問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)不斷加大通風(fēng)量，然而治理效果不佳，且隨著風(fēng)量增加，采空區(qū)漏風(fēng)問(wèn)題更為突出，現(xiàn)場(chǎng)存在自然發(fā)火趨勢(shì)。為進(jìn)一步解決工作面瓦斯與火耦合治理難題，決定采用“兩進(jìn)一回”型通風(fēng)方案，于原工作面巷道基礎(chǔ)上增設(shè)1 條第2 進(jìn)風(fēng)巷（即通防巷）輔助進(jìn)風(fēng)。

1.2 “兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用原則

“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方案解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題的同時(shí)，可能使采空區(qū)漏風(fēng)加劇，一定程度上加大了自燃發(fā)火危險(xiǎn)，針對(duì)不同地區(qū)煤層的開(kāi)采條件，通風(fēng)系統(tǒng)布置參數(shù)不同。為確保通風(fēng)系統(tǒng)的合理性及最優(yōu)性，應(yīng)從以下方面進(jìn)行考慮。

1）上隅角瓦斯治理效果。采用“兩進(jìn)一回”型通風(fēng)系統(tǒng)根本目的在于解決工作面回風(fēng)巷及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)過(guò)高問(wèn)題。是否滿足工作面基本風(fēng)量要求、瓦斯治理效果是衡量該通風(fēng)系統(tǒng)方案的最基本要求。

2）采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性?！皟蛇M(jìn)一回”型通風(fēng)系統(tǒng)在滿足通風(fēng)要求的基礎(chǔ)上，可能誘發(fā)采空區(qū)遺煤自燃，為保證該通風(fēng)系統(tǒng)的高效應(yīng)用，應(yīng)在解決上隅角瓦斯問(wèn)題的基礎(chǔ)上最大限度的降低采空區(qū)自燃危險(xiǎn)。

3）通風(fēng)流場(chǎng)紊亂。受第二進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)影響，原“U”型通風(fēng)系統(tǒng)被打亂，采空區(qū)流場(chǎng)改變，通風(fēng)管理復(fù)雜，且流場(chǎng)穩(wěn)定性與第2 進(jìn)風(fēng)巷位置及兩進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量配比有關(guān)。

1.3 需風(fēng)量

工作面需風(fēng)量Q 為：

式中：k 為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.76；QCH4為瓦斯絕對(duì)涌出量，取8.03 m3/min。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，取采煤工作面最低風(fēng)速vmin為0.25 m/s、最大風(fēng)速vmax為4 m/s 計(jì)算采煤工作面風(fēng)量范圍：

式中：S 為工作面斷面面積，取18.93 m2；Qmin為工作面最低風(fēng)量，m3/min；Qmax為工作面最高風(fēng)量，m3/min。

計(jì)算得出，工作面需風(fēng)量1 416 m3/min，符合煤礦安全規(guī)程，因此北1103 工作面所需配風(fēng)量最低為1 416 m3/min。

2 模型建立

為研究北1103 工作面采用“兩進(jìn)一回”型通風(fēng)系統(tǒng)后，不同第2 進(jìn)風(fēng)巷位置及風(fēng)量配比方案對(duì)采空區(qū)氧化帶影響，采用COMSOL 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行氧化帶三維模擬研究。

2.1 幾何模型

根據(jù)北1103 工作面的實(shí)際工程條件，確定工作面長(zhǎng)度、風(fēng)阻和風(fēng)量等特性參數(shù)，并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1）不考慮北1103 綜放工作面機(jī)械設(shè)備，忽略礦井周期來(lái)壓對(duì)采空區(qū)垮落帶、斷裂帶二次發(fā)育的影響，僅考慮從工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量、第2 進(jìn)風(fēng)巷不同位置以及兩進(jìn)風(fēng)巷不同配風(fēng)方案對(duì)采空區(qū)內(nèi)氧化帶影響。

2）工作面以及巷道視為規(guī)則長(zhǎng)方體，巷道斷面積按煤礦實(shí)際生產(chǎn)資料確立：①北1103 切眼：長(zhǎng)度200 m，巷道斷面為凈寬6.8 m，凈高2.8 m，凈斷面18.93 m2；②北1103 運(yùn)輸巷：巷道斷面為凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面15.76 m2；③北1103 回風(fēng)巷：巷道斷面為凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面15.76 m2；④第2 進(jìn)風(fēng)巷：巷道斷面為凈寬2.4 m，凈高3.8 m，凈斷面9.12 m2。

3）經(jīng)理論計(jì)算，北1103 工作面開(kāi)采后垮落帶高度為39.13 m，垮落帶上方存在1 個(gè)關(guān)鍵層，層體完整無(wú)破壞，該關(guān)鍵層以下均發(fā)生滑落失穩(wěn)，該層以上不會(huì)發(fā)生明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，為斷裂帶，高度>127.85 m。由于關(guān)鍵層體的存在使得氣體運(yùn)移受阻，斷裂帶范圍對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移影響可忽略不計(jì)，因而在采空區(qū)遺煤自燃過(guò)程中僅考慮垮落帶高度，采空區(qū)高度確定為垮落帶40 m、煤厚11 m，斷裂帶高度在此不作考慮。采空區(qū)深度確定為160 m。

利用COMSOL Multiphysics 軟件模型開(kāi)發(fā)器中的幾何建模工具建立綜放工作面模型，采用自由劃分四面體網(wǎng)格功能劃分網(wǎng)格，整個(gè)立方體劃分為117 981 個(gè)單元網(wǎng)格。

2.2 理論基礎(chǔ)

在建立采空區(qū)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，根據(jù)不同區(qū)域流場(chǎng)情況不同，可將其分為2 部分，分別進(jìn)行分析，一部分為采空區(qū)內(nèi)的滲流模型，符合Brinkman 方程的，另一部分為巷道和工作面處符合湍流模型。

采空區(qū)滲透率主要受碎脹系數(shù)及頂板壓力影響[13]，從采動(dòng)裂隙場(chǎng)空間范圍來(lái)看，其變化趨勢(shì)是：沿走向方向，由工作面和開(kāi)切眼向采空區(qū)深部逐漸減?。豢v向方向，采空區(qū)下部垮落帶巖石破碎，碎脹系數(shù)較小，采空區(qū)上部斷裂帶巖石總體上較為完整，碎脹系數(shù)較大。針對(duì)采空區(qū)不同位置處孔隙率沿用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：n 為采空區(qū)孔隙率，%；x 為采空區(qū)某點(diǎn)距工作面距離，m；L 為工作面長(zhǎng)度，m；y 為采空區(qū)某點(diǎn)距底板高度，m。

滲透率由多孔介質(zhì)Carman 公式計(jì)算：

式中：K 為采空區(qū)滲透率，10-15m2；Dm為多孔介質(zhì)平均顆粒直徑，m。

計(jì)算過(guò)程中通過(guò)Live link for MATLAB 接口建立COMSOL 模型求解與MATLAB 場(chǎng)值調(diào)用的聯(lián)系，通過(guò)MATLAB 函數(shù)計(jì)算采空區(qū)滲透率，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)不同位置處滲透率隨模型計(jì)算自動(dòng)調(diào)用求解。

采空區(qū)遺煤厚度依據(jù)工作面開(kāi)采工藝方法、回采率等參數(shù)確定，遺煤耗氧速率W（O2）依據(jù)試驗(yàn)公式[12,14]確定：

式中：W（O2）為耗氧速率，m3/（m3·h）；c 為采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；c0為大氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；η 為待定系數(shù)，取0.114 m3/（m3·h）；φ 為試驗(yàn)常數(shù)，取0.023 5 ℃-1；T 為遺煤氧化溫度，℃。

2.3 邊界條件

依據(jù)工作面需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果確定北1103 工作面總風(fēng)量為1 500 m3/min，左側(cè)進(jìn)風(fēng)巷及通防巷均設(shè)為入口邊界，采用速度進(jìn)口條件，右側(cè)回風(fēng)巷風(fēng)流為出口，出口設(shè)置為壓力流出類型，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓。入口邊界條件包含風(fēng)流速度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和瓦斯體積分?jǐn)?shù)，具體進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流速度按風(fēng)量除以巷道斷面積進(jìn)行計(jì)算，入口風(fēng)流按新鮮風(fēng)流計(jì)算，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0，氧氣體積分?jǐn)?shù)按21%計(jì)算，即為9.375 mol/m3。

采空區(qū)內(nèi)部初始條件分別按氧氣體積分?jǐn)?shù)0、溫度35.35 ℃設(shè)置，其余固體邊界設(shè)置為壁面。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同通防巷位置對(duì)采空區(qū)氧化帶影響

為探究不同通防巷位置對(duì)采空區(qū)氧化帶影響，尋求最優(yōu)化設(shè)計(jì)，在前期理論分析的基礎(chǔ)上選取了4 種通防巷布置方案，分別為距離進(jìn)風(fēng)巷煤壁1/4D（D 為工作面傾向長(zhǎng)度）、1/2D、0.618D、3/4D 的距離，依據(jù)4 種位置方案分別進(jìn)行模擬研究，風(fēng)量按進(jìn)風(fēng)巷600 m3/min、通防巷900 m3/min 計(jì)算，通防巷不同布置方案如圖1。

圖1 通防巷不同布置方案（單位：m）Fig.1 Different layout schemes for ventilation and prevention roadway

觀察通防巷距進(jìn)風(fēng)巷1/4D、1/2D、0.618D 距離、3/4D 距離情況下的采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)可知，整個(gè)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著通防巷與進(jìn)風(fēng)巷距離的增大而減小，尤其表現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷、通防巷距離由1/4D 增大至3/4D 的過(guò)程中，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧氣影響范圍由原采空區(qū)深度85 m 銳減至采空區(qū)深度45 m。原因在于進(jìn)風(fēng)巷與通防巷相距較近時(shí)，兩者相互影響，形成兩源一匯局面，2 個(gè)氧氣源點(diǎn)擴(kuò)散出氧氣疊加；隨著距離不斷拉遠(yuǎn)，氧氣經(jīng)通防巷漏風(fēng)進(jìn)入采空區(qū)的影響區(qū)域有限，二者無(wú)法形成正相宜關(guān)系，且隨著距回風(fēng)巷距離拉近，大部分氧氣隨回風(fēng)巷排出，沿工作面走向氧氣體積分?jǐn)?shù)截面如圖2。

圖2 沿工作面走向氧氣體積分?jǐn)?shù)截面Fig.2 Oxygen volume fraction section along the working face

利用氧氣體積分?jǐn)?shù)8%～18%的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，通過(guò)COMSOL 后處理對(duì)通防巷不同布設(shè)位置下的采空區(qū)高度2 m 處氧化自燃帶進(jìn)行表征，通防巷不同位置氧化帶范圍如圖3。

圖3 通防巷不同位置氧化帶范圍Fig.3 Scope of oxidation zone at different positions of Tongfang roadway

由圖3 可知，隨著通防巷與進(jìn)風(fēng)巷距離的增加，保持進(jìn)風(fēng)量不變，采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶逐漸向工作面一側(cè)移動(dòng)，且氧化帶寬度隨之改變。當(dāng)通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)1/4D 位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)在采空區(qū)深部73 m 處進(jìn)入氧化升溫帶，且采用該布置方案時(shí)氧化升溫帶向采空區(qū)深部移動(dòng)最遠(yuǎn)，氧化帶最遠(yuǎn)邊界可至采空區(qū)深部110 m 處，最大氧化帶寬度為30 m并且靠近采空區(qū)中部。當(dāng)通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)1/2D 位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)在采空區(qū)深部60 m 處進(jìn)入氧化升溫帶，氧化升溫帶最遠(yuǎn)邊界可至采空區(qū)深部90 m 處，最大氧化帶寬度為25 m 位于靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)。當(dāng)通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)0.618D 位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)在采空區(qū)深部40 m 處進(jìn)入氧化升溫帶，氧化升溫帶最遠(yuǎn)邊界可至采空區(qū)深部66 m 處，最大氧化帶寬度為23 m，位于采空區(qū)中部。當(dāng)通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)3/4D 位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)同樣在采空區(qū)深部40 m 處進(jìn)入氧化升溫帶，氧化升溫帶最遠(yuǎn)邊界可至采空區(qū)深部65 m 處，最大氧化帶寬度為21 m，位于靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)。

通防巷位置改變對(duì)采空區(qū)氧化帶寬度影響巨大，隨著通防巷距進(jìn)風(fēng)巷距離的增加，氧化帶范圍逐漸減小，當(dāng)通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)0.618D、3/4D 距離時(shí)兩者差別不大，但考慮到該巷道主要功能是用于通風(fēng)及排出工作面瓦斯，同時(shí)緩解采空區(qū)遺煤自燃的問(wèn)題。若位置距離回風(fēng)巷一側(cè)過(guò)近，則通風(fēng)流場(chǎng)紊亂、排出工作面瓦斯的作用被進(jìn)一步削弱，而通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)0.618D 距離時(shí)通風(fēng)流場(chǎng)最為穩(wěn)定，因而建議通防巷位置布置于0.618D 位置，以達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)效用最大化。

3.2 不同配風(fēng)方案對(duì)采空區(qū)氧化帶影響

保持兩進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量總量為1 500 m3/min，改變兩進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量配比，探究不同風(fēng)量方案對(duì)采空區(qū)氧化帶影響，運(yùn)輸巷、通防巷風(fēng)量配比方案見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)輸巷、通防巷風(fēng)量配比方案Table 1 Proportioning scheme of air volume in transportation roadway and ventilation and prevention roadway

為進(jìn)一步觀察采空區(qū)氧化帶，按照氧氣體積分?jǐn)?shù)8%～18%的標(biāo)準(zhǔn)劃分采空區(qū)氧化帶。采空區(qū)氧化帶立體區(qū)域如圖4。

圖4 采空區(qū)氧化帶立體區(qū)域（單位：m）Fig.4 Three-dimensional area of oxidation zone in goaf

由圖4 可知，滿足煤層自燃的氧氣體積分?jǐn)?shù)范圍為不規(guī)則圖形，且不同配風(fēng)方案氧化帶區(qū)域大體相同。隨進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量的不斷增加，該氧化帶區(qū)域向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，同時(shí)，氧化帶區(qū)域?qū)挾扰c采空區(qū)高度有關(guān)，具體表現(xiàn)為風(fēng)量改變時(shí)，采空區(qū)上部氧化帶寬度隨進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量增加而減小。當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量為1 000 m3/min 時(shí)，采空區(qū)上部氧化帶區(qū)域最小，表現(xiàn)為立體區(qū)域上部缺失。

采空區(qū)氧化帶區(qū)域?yàn)榱Ⅲw不規(guī)則圖形，采空區(qū)不同高度、距進(jìn)風(fēng)巷距離、采空區(qū)縱深等因素均會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶區(qū)域變化。不同風(fēng)量配比條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布見(jiàn)表2。

表2 不同風(fēng)量配比條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布Table 2 Three zones distribution of spontaneous combustion in goaf under different air volume ratio conditions

采空區(qū)整體漏風(fēng)受進(jìn)出口端通風(fēng)壓差影響，而進(jìn)出口端壓差受風(fēng)量和風(fēng)阻影響，因此進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量越大采空區(qū)漏風(fēng)越嚴(yán)重。

綜合工作面通風(fēng)流場(chǎng)，瓦斯流場(chǎng)考慮，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為700 m3/min、通防巷風(fēng)量為800 m3/min 時(shí)為最佳配比方案。

3.3 不同端頭封堵方案對(duì)采空區(qū)氧化帶范圍影響

礦井實(shí)際生產(chǎn)工作中，常采取向采空區(qū)注漿的方式充填穩(wěn)固采空區(qū)內(nèi)部，充填后采空區(qū)內(nèi)裂隙率降低，在一定程度上可緩解采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題。綜上，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)漏風(fēng)量對(duì)于采空區(qū)內(nèi)自燃“三帶”分布具有重要影響作用，為此，針對(duì)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為700 m3/min、通防巷風(fēng)量為800 m3/min 的通風(fēng)方案條件下采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)增設(shè)封堵墻進(jìn)行分析，探究封堵墻封堵區(qū)域?qū)Σ煽諈^(qū)自燃“三帶”分布影響（此處假設(shè)封堵率可達(dá)90%）。進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)封堵后氧化帶區(qū)域如圖5。

圖5 進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)封堵后氧化帶區(qū)域Fig.5 Oxidation zone area after sealing on one side of air inlet roadway

進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)封堵墻的存在，會(huì)在一定程度上對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)起到阻礙作用，增加封堵墻后進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧化帶區(qū)域向工作面靠近，原因是封堵墻的存在避免了進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流直接漏入采空區(qū)，減少了直流壓力，使得風(fēng)流進(jìn)入拐角區(qū)域時(shí)得到一定緩沖。同時(shí)隨著封堵墻距離的增加，氧化帶最寬區(qū)域位置發(fā)生改變，逐漸向采空區(qū)中部轉(zhuǎn)移，當(dāng)封堵墻范圍增至9.6 m 時(shí)，氧化帶最寬區(qū)域逐漸接近采空區(qū)中部，位于距進(jìn)風(fēng)巷90 m 位置。觀察不同封堵距離下最大氧化帶寬度發(fā)現(xiàn)，封堵距離9.6 m 時(shí)，該寬度不減反增，由封堵墻7.2 m 時(shí)的20 m 增加為22 m，說(shuō)明封堵墻的存在導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷氧氣源點(diǎn)向中部轉(zhuǎn)移，隨著進(jìn)風(fēng)巷、通防巷氧氣源點(diǎn)不斷靠近，在兩源點(diǎn)中部存在一共同影響匯集區(qū)，最大氧化帶寬度位于該區(qū)域，當(dāng)距離減小至一定程度時(shí)，影響區(qū)域范圍加大，最大氧化帶寬度隨之增加。

綜上所述，在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)增設(shè)封堵墻可一定程度抑制采空區(qū)漏風(fēng)，減小氧化帶寬度，但該增益效果存在1 個(gè)臨界值，超過(guò)臨界值后，最大氧化帶寬度開(kāi)始增加。

3.4 工作面不同推進(jìn)距離對(duì)采空區(qū)氧化帶影響

工作面推進(jìn)過(guò)程中，采空區(qū)邊界的移動(dòng)不僅使采空區(qū)實(shí)體的幾何尺寸發(fā)生了連續(xù)的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)也影響了采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)供氧條件、多組分氣體傳輸和遺煤氧化升溫過(guò)程。工作面不同推進(jìn)距離下采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)如圖6。選取推進(jìn)距離為40、60、80、100、120、140 m 的氧化帶分布云圖為例，工作面不同推進(jìn)距離采空區(qū)氧化帶分布如圖7。

圖6 工作面不同推進(jìn)距離下采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Oxygen volume fraction in goaf under different advancing distances of working face

圖7 工作面不同推進(jìn)距離采空區(qū)氧化帶分布Fig.7 Distribution of oxidation zone in goaf with different advancing distances in working face

動(dòng)態(tài)采空區(qū)演變初期，由于采空區(qū)的走向長(zhǎng)度相對(duì)較短，且近工作面端的滲透率較大，故當(dāng)工作面推進(jìn)距離為40 m 時(shí)，采空區(qū)整體范圍內(nèi)漏風(fēng)流速較高，特別是進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)的氧氣滲流速度較大，采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化梯度較快，因此進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的氧化帶寬度較窄，氧化帶最大寬度僅為9 m。隨著采空區(qū)范圍擴(kuò)大，采空區(qū)中部及深部區(qū)域固相煤體逐漸被壓實(shí)，漏風(fēng)阻力增大，故漏風(fēng)風(fēng)流攜帶氧氣進(jìn)入進(jìn)風(fēng)側(cè)的能力要大于回風(fēng)側(cè)。

此外，在工作面推進(jìn)初期，不同推進(jìn)距離下采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化明顯。隨著推進(jìn)距離的增加，采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布趨于穩(wěn)定，當(dāng)工作面推進(jìn)距離120 m 時(shí)，采空區(qū)氧化帶趨于穩(wěn)定，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶寬度以及氧化帶最大寬度基本保持不變。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）隨著通防巷與進(jìn)風(fēng)巷距離的增加，氧化升溫帶的范圍逐漸減小且向工作面一側(cè)移動(dòng)，建議通防巷位于進(jìn)風(fēng)巷右側(cè)0.618D 位置時(shí)，為最優(yōu)通防巷位置，最大氧化帶寬度為23 m，位于采空區(qū)中部。

2）總風(fēng)量一定情況下，隨著進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量不斷增加，工作面兩端壓差增大，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)加劇，氧化帶向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，且氧化帶最寬區(qū)域位置由進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)向采空區(qū)中部轉(zhuǎn)移。綜合考量，建議進(jìn)風(fēng)巷700 m3/min、通防巷800 m3/min 配風(fēng)方案時(shí)可取得最佳效果。

3）進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)封堵墻的存在可一定程度抑制采空區(qū)漏風(fēng)，減小氧化帶寬度，但該增益效果有限，超過(guò)臨界值后，最大氧化帶寬度開(kāi)始增加。

4）隨工作面推進(jìn)距離的增加，采空區(qū)漏風(fēng)阻力增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度逐漸增加，氧化深度向采空區(qū)深部延展。然而當(dāng)工作面推進(jìn)距離120 m 時(shí)，采空區(qū)氧化帶趨于穩(wěn)定，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶寬度氧以及氧化帶最大寬度保持不變，不再隨工作面推進(jìn)產(chǎn)生變化，最終形成采空區(qū)氧化帶具有明顯非對(duì)稱性。