通風(fēng)方式對(duì)沿空留巷采空區(qū)煤自燃影響規(guī)律研究

關(guān)鍵詞：煤自燃；沿空留巷；采空區(qū)；通風(fēng)方式；氧濃度；煤自燃\"三帶\"；漏風(fēng)規(guī)律

中圖分類號(hào)：TD752 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

沿空留巷技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采、提高煤炭資源采出率的同時(shí)，可有效降低采掘比，緩解礦井采掘接替緊張局面[1-2]。但受采動(dòng)影響，巷道空氣通過(guò)煤體裂隙進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，加之氧化升溫帶為煤體提供了良好的蓄熱環(huán)境，具有自燃傾向性的遺煤與攜氧風(fēng)流發(fā)生氧化反應(yīng)，易引起采空區(qū)遺煤自燃，并誘發(fā)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害[3]。因此，采空區(qū)煤自燃防治是確保礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段，針對(duì)采空區(qū)煤自燃防治問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及煤自燃“三帶”等方面開(kāi)展了大量研究，主要研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。王超群等[4]利用SF6 示蹤氣體法研究了采動(dòng)影響下采空區(qū)的漏風(fēng)通道分布規(guī)律，通過(guò)注水減小了氧化升溫帶的范圍。疏義國(guó)等[5]通過(guò)在采空區(qū)預(yù)埋監(jiān)測(cè)束管，結(jié)合煤自燃指標(biāo)氣體濃度比值，預(yù)測(cè)了自燃“三帶”的分布規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)研究多采用預(yù)埋束管、示蹤氣體等方法監(jiān)測(cè)采空區(qū)氣體濃度分布特征，預(yù)測(cè)采空區(qū)潛在漏風(fēng)通道及煤自燃“三帶”

范圍；但受限于煤礦采空區(qū)隱蔽性強(qiáng)、漏風(fēng)復(fù)雜、空間范圍大、危險(xiǎn)區(qū)域位置隨機(jī)、內(nèi)部狀態(tài)不可見(jiàn)等特征，以及施工成本、施工難度、可操作性等因素影響，難以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)通道及危險(xiǎn)區(qū)域的快速準(zhǔn)確測(cè)定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究流體運(yùn)動(dòng)與通風(fēng)工程領(lǐng)域的重要手段之一。結(jié)合采空區(qū)實(shí)際遺煤情況及現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)，基于數(shù)學(xué)模型分析采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)及煤自燃“ 三帶” 分布規(guī)律的研究方法日趨成熟[6]。WangGang 等[7]對(duì)覆巖采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，得到采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律。Zuo Qiuling 等[8]通過(guò)模擬研究了采空區(qū)漏風(fēng)通道特征，確定了不同漏風(fēng)條件對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響。程龍等[9]利用數(shù)值模擬構(gòu)建了采空區(qū)模型，結(jié)合頂板及煤巖破碎特征，研究了采空區(qū)煤自燃“三帶”分布規(guī)律。郝宇等[10]通過(guò)COMSOL 數(shù)值模擬研究了不同風(fēng)量下煤自燃“三帶”分布規(guī)律，得出采空區(qū)氧化升溫帶寬度與風(fēng)量呈正相關(guān)。張辛亥等[11]通過(guò)采空區(qū)流場(chǎng)模擬研究，確定了采空區(qū)漏風(fēng)速率與氧濃度間的作用關(guān)系，并劃分了采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域。M. Michaylov 等[12]通過(guò)Fluent 模擬研究了采空區(qū)風(fēng)壓與流速的關(guān)系，得到了采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布特征及關(guān)鍵漏風(fēng)位置。上述學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬研究為煤自燃“三帶”劃分提供了理論指導(dǎo)。然而，現(xiàn)有研究并未考慮在沿空留巷開(kāi)采條件下，通風(fēng)方式對(duì)采空區(qū)氣體分布特征的影響，難以掌握煤自燃隱患位置。

本文以甘肅某礦8521 工作面為研究背景，利用Fluent 軟件建立沿空留巷采空區(qū)物理模型，綜合對(duì)比分析不同通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)、氧濃度分布特征，確定適用于該工作面的最優(yōu)通風(fēng)方式。研究結(jié)果可為有效預(yù)防沿空留巷采空區(qū)煤自燃提供理論指導(dǎo)，為保障工作面安全順利回采提供數(shù)據(jù)支撐。

1沿空留巷采空區(qū)理論模型

1.1模型基本假設(shè)

采空區(qū)本質(zhì)上是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)模型，煤層孔隙大小與地質(zhì)條件、煤體破碎度、開(kāi)采方式等因素緊密相關(guān)[13-15]。多孔介質(zhì)中的氣體流向存在不穩(wěn)定性，為便于研究采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律，通常對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)模型提出以下基本假設(shè)：① 采空區(qū)滲透率及多孔介質(zhì)存在各向同性。② 采空區(qū)氣體為不可壓縮氣體，運(yùn)移遵循達(dá)西滲流規(guī)律。③ 忽略煤體水分蒸發(fā)和瓦斯解析對(duì)遺煤自燃的影響。④ 采空區(qū)遺煤間的熱量傳遞僅考慮熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)。⑤ 松散煤體耗氧速率與氧濃度成正比。⑥ 采空區(qū)松散煤體中CO，CO₂，H₂O 等微組分氣體之間不發(fā)生反應(yīng)。

2沿空留巷采空區(qū)物理模型構(gòu)建

2.1工作面概況

8521工作面所屬煤層為5 號(hào)煤層中下部，屬于Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為30 d，煤層走向方向呈起伏變化，采用傾斜分層走向長(zhǎng)壁低位放頂煤采煤法開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，分層厚度為10.5 m，其中機(jī)割厚度為4 m，放頂煤厚度為6.5 m，工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為2 207.6 m。8521 工作面回風(fēng)巷長(zhǎng)度為2 445.2 m，凈寬度為5.4 m，掘進(jìn)高度為3.7 m，凈高度為3.6 m。運(yùn)輸巷長(zhǎng)度為2 437.6 m，凈寬度為5.4 m，掘進(jìn)高度為3.7 m，凈高度為3.6 m。開(kāi)切眼長(zhǎng)度為122.6 m。8521 工作面為“W”型通風(fēng)方式，如圖1 所示。

2.2幾何模型及網(wǎng)格劃分

為研究沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)特征及遺煤氧化規(guī)律，依據(jù)8521 工作面實(shí)際條件，構(gòu)建簡(jiǎn)化的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示（X，Y，Z 軸分別表示采空區(qū)走向、傾向、豎直方向）。設(shè)置采空區(qū)、工作面等區(qū)域尺寸，見(jiàn)表1。

采空區(qū)煤層平均厚度為11 m，采高4 m，放頂煤7 m，中部總采出率按照85% 計(jì)算。采空區(qū)兩側(cè)巷道頂部遺煤最厚，達(dá)6.5 m，因此在垂直方向上選取煤層底板以上11 m 范圍為計(jì)算區(qū)域。根據(jù)工作面回采情況和巷道資料，可推斷采空區(qū)遺煤平均厚度：進(jìn)回風(fēng)巷及兩端頭支架處遺煤厚度為6.5 m，中部遺煤厚度為1.50 m。發(fā)生滲流的區(qū)域主要在采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷之間、煤層底板以上11 m 高的范圍內(nèi)。

2.3邊界條件設(shè)置

沿空留巷采空區(qū)的主要邊界條件設(shè)置見(jiàn)表2。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1采空區(qū)煤體孔隙率分布特征

采空區(qū)各位置煤體的孔隙率受多因素影響，呈各向均勻性，其分布特征與地質(zhì)條件及采煤方法相關(guān)[23-24]。根據(jù)采動(dòng)“O”形圈理論，在沿采空區(qū)走向靠近深部位置的破碎煤體孔隙率較小，在沿采空區(qū)傾向上，由于液壓支架的作用，采空區(qū)兩側(cè)巷道煤體的孔隙率較大，采空區(qū)中部與兩側(cè)巷道距離較遠(yuǎn)，因此孔隙率分布較穩(wěn)定。本文基于沿空留巷開(kāi)采條件下的通風(fēng)方式及采空區(qū)煤體孔隙率的理論分析，得出孔隙率在三維空間的立體分布特征，如圖3 所示。

由圖3 可知，靠近工作面的采空區(qū)煤體孔隙率整體呈“鏟狀”分布，這與采動(dòng)“O”形圈理論相符，沿采空區(qū)走向，距離工作面0～50 m 處煤體孔隙率較大。工作面附近區(qū)域的煤體所受應(yīng)力較大，加重了該區(qū)域煤體的破碎程度，當(dāng)攜氧風(fēng)流通過(guò)該區(qū)域時(shí)，與破碎煤體發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致該區(qū)域存在漏風(fēng)隱患。沿采空區(qū)中部向深部方向，孔隙率逐漸減小。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層不斷垮落，采空區(qū)中部及深部區(qū)域的煤巖體逐漸被壓實(shí)，因此距離采空區(qū)深部150 m內(nèi)區(qū)域的煤體孔隙率較小。采空區(qū)邊緣由于存在支撐煤柱，使得采空區(qū)邊緣煤體孔隙率普遍較低。采空區(qū)煤體孔隙率最高的位置在工作面的上下隅角處，呈現(xiàn)邊緣高、中部低并逐步向采空區(qū)收縮的特征。

3.2采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布特征

“W”型通風(fēng)方式下沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)速率及跡線分布特征如圖4 所示。

由圖4 可知，“W”型通風(fēng)方式下氣體由膠帶巷和運(yùn)輸巷進(jìn)入采空區(qū)，采空區(qū)漏風(fēng)關(guān)鍵位置在備采面切眼與采空區(qū)交界位置和工作面回風(fēng)隅角位置。沿空留巷的風(fēng)流分別由進(jìn)風(fēng)隅角和沿空留巷水泥墻進(jìn)入采空區(qū)深部，由于深部煤體逐漸被壓實(shí)，孔隙率減小，氣體所受的阻力增大，深部氣體呈扇形向淺部運(yùn)移，淺部氣體由進(jìn)風(fēng)隅角呈扇形匯入回風(fēng)隅角，隨后在距工作面50 m 處，靠近水泥墻側(cè)交匯形成一個(gè)渦流區(qū)。由于采空區(qū)整體漏風(fēng)速率為0.5～1.0 m/s，沿空留巷風(fēng)速為1.5～2.0 m/s，風(fēng)速差值導(dǎo)致采空區(qū)沿空留巷內(nèi)外存在一定壓差，巷道內(nèi)部壓強(qiáng)大于采空區(qū)壓強(qiáng)，氣體在正壓作用下易進(jìn)入采空區(qū)渦流區(qū)域。綜上，采空區(qū)內(nèi)外風(fēng)流受壓差作用使得漏風(fēng)軌跡產(chǎn)生交匯，最終導(dǎo)致沿空留巷50 m 處存在較為嚴(yán)重的漏風(fēng)隱患。

3.3采空區(qū)氧濃度及煤自燃“三帶”分布特征

“W”型通風(fēng)方式下采空區(qū)氧濃度及煤自燃“三帶”分布特征如圖5所示。

由圖5 可知，受采空區(qū)氣體運(yùn)移軌跡的影響，氧化升溫帶位于采空區(qū)中部，呈“√”分布，氧化升溫帶面積占已采區(qū)域面積的38.1%。氣體主要由備采面切眼與8521 采空區(qū)的交界位置、進(jìn)風(fēng)隅角進(jìn)入采空區(qū)，因此采空區(qū)深部沿傾向、淺部沿走向氧濃度均逐漸減小。結(jié)合圖5（b）中氧化升溫帶分布特征可知，距工作面70 m 范圍內(nèi)，部分氧化升溫帶靠近沿空留巷側(cè)，為遺煤提供了良好蓄熱環(huán)境，受漏風(fēng)運(yùn)移規(guī)律的影響，導(dǎo)致該區(qū)域存在溫度較高進(jìn)而引發(fā)遺煤自燃的隱患。

3.4模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選取現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)的氧濃度為參考對(duì)象。工作面推進(jìn)時(shí)在水泥墻上預(yù)埋?50 mm 的無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)1 800 mm，靠近采空區(qū)管路側(cè)距端頭150 mm 段預(yù)留?10 mm 溢流孔，水泥墻內(nèi)側(cè)保證觀測(cè)孔進(jìn)入采空區(qū)的長(zhǎng)度為400 mm。已開(kāi)采范圍內(nèi)存在4 個(gè)觀測(cè)孔，分別距工作面15，71，118，187 m，如圖6 所示。每天對(duì)各觀測(cè)孔取氣并進(jìn)行色譜測(cè)定。

數(shù)值模擬中沿采空區(qū)走向取y=4 m 時(shí)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)1—4 號(hào)觀測(cè)孔氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示?？煽闯鰯?shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)整體分布規(guī)律基本相似。其中2 號(hào)、3 號(hào)鉆孔的氧氣體積分?jǐn)?shù)均與實(shí)測(cè)值近似，分別相差0.19% 和0.41%。氧氣體積分?jǐn)?shù)模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.94， 平均絕對(duì)誤差為0.58%，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

4不同通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)及氧濃度分布特征

在實(shí)際開(kāi)采條件下，沿空留巷存在多種通風(fēng)方式，不同通風(fēng)方式對(duì)沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)及氧濃度分布特征均會(huì)產(chǎn)生影響，因此通過(guò)改變數(shù)值模擬過(guò)程中的通風(fēng)方式開(kāi)展研究。

在“W”型通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，增加2 種“Y”型通風(fēng)方式， 如圖8 所示， 參數(shù)見(jiàn)表3。其中第1 種“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）由沿空留巷作為進(jìn)風(fēng)巷，左右兩側(cè)巷道同時(shí)作為回風(fēng)巷；第2 種“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）由沿空留巷和右側(cè)巷道同時(shí)作為進(jìn)風(fēng)巷，左側(cè)巷道作為回風(fēng)巷。

4.1不同通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布特征

不同通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)速率三維矢量分布特征、漏風(fēng)速率及跡線三維分布特征分別如圖9、圖10 所示。

由圖9、圖10 可知，3 種通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布特征均存在些許差異。由于“W”型通風(fēng)與“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式均存在2 個(gè)進(jìn)風(fēng)巷，所以采空區(qū)的漏風(fēng)速率較大，為0.5～1.0 m/s；“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）下采空區(qū)漏風(fēng)速率為0.10～0.46 m/s。由此可得，在礦井供風(fēng)量及速率一定的條件下，沿空留巷采空區(qū)的漏風(fēng)速率與進(jìn)風(fēng)巷數(shù)量呈正相關(guān)。“W”型通風(fēng)與“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下，風(fēng)流均在沿空留巷側(cè)采空區(qū)切眼處出現(xiàn)交匯，增加了該區(qū)域的漏風(fēng)隱患。此外，沿空留巷風(fēng)速大于采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)速。

根據(jù)3 種通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)分布特征可得，“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）方式下風(fēng)流在采空區(qū)淺部產(chǎn)生交匯，工作面處風(fēng)速為1.0～1.5 m/s，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速僅為0.10～0.46 m/s，新鮮風(fēng)流在正壓作用下易進(jìn)入采空區(qū)淺部，增加了采空區(qū)煤自燃隱患。因此沿空留巷水泥墻內(nèi)外的壓差作用是影響采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度的重要因素。

4.2不同通風(fēng)方式下采空區(qū)氧濃度及煤自燃“三帶”分布特征

不同通風(fēng)方式下煤自燃“ 三帶” 分布特征如圖11—圖13 所示。由圖11—圖13 可知，“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）方式下氧化升溫帶面積占已采區(qū)域面積的57.4%，“W”型通風(fēng)方式下氧化升溫帶面積占已采區(qū)域面積的38.1%，“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下氧化升溫帶面積占已采區(qū)域面積的35.7%?！癥”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）方式下氧化升溫帶大部分分布在采空區(qū)中部，沿空留巷煤自燃防治難度較大，因此沿空留巷并不適合單獨(dú)作為進(jìn)風(fēng)巷。其余2 種通風(fēng)方式下氧化升溫帶面積占比相差2.4%，但在分布位置上差異較大。“W”型通風(fēng)方式下采空區(qū)淺部的氧化升溫帶靠近沿空留巷，采用煤自燃防治措施的難度較小?！癥”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下攜氧風(fēng)流主要沿工作面大量涌入，使得整個(gè)氧化升溫帶進(jìn)入采空區(qū)深部，增加了采空區(qū)煤自燃防治措施實(shí)施的難度。

不同通風(fēng)方式下沿空留巷采空區(qū)各區(qū)域氧濃度變化曲線如圖14所示。

由圖14（a）可知，“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下氧化升溫帶寬度為77 m，“W”型通風(fēng)方式下氧化升溫帶寬度為30 m。前者由采空區(qū)中部延伸至深部168 m，煤自燃隱患較大，后者僅存在于采空區(qū)中部?！癥”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）方式下氧化升溫帶寬度僅為7 m，這是由于該通風(fēng)方式僅存在1 條沿空留巷作為進(jìn)風(fēng)巷，煤自燃“三帶”沿采空區(qū)傾向分布，使得靠近膠帶巷區(qū)域的氧濃度較低，而靠近沿空留巷區(qū)域的氧濃度較高。由圖14（b）可知，在采空區(qū)靠近沿空留巷的位置，“W”型通風(fēng)方式下氧化升溫帶寬度為68 m，“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下氧化升溫帶寬度為30 m。后者位于采空區(qū)深部切眼處，結(jié)合膠帶巷氧濃度分布可知，“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下采空區(qū)深部易發(fā)生遺煤自燃。由圖14（c）可知，距工作面50 m 處的采空區(qū)淺部，“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回）方式下氧化升溫帶寬度遠(yuǎn)大于其余2 種通風(fēng)方式。由圖14（d）可知，采空區(qū)深部存在不同寬度的氧化升溫帶，3 種通風(fēng)方式下無(wú)較大差異，其中“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下氧化升溫帶寬度最大， 為77 m，可以推斷沿空留巷采空區(qū)深部為煤自燃隱患較大的重點(diǎn)區(qū)域。

基于3 種通風(fēng)方式下氧化升溫帶的分布特征，結(jié)合防滅火措施的實(shí)施難度對(duì)比，得到“W”型通風(fēng)方式為沿空留巷的最優(yōu)通風(fēng)方式?！癢”型通風(fēng)與“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）下氧化升溫帶面積占比均小于“Y”型通風(fēng)（一進(jìn)兩回），而相比“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回），“W”型通風(fēng)更有利于防滅火措施的實(shí)施，原因在于“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回）方式下氧化升溫帶傾向上完全覆蓋采空區(qū)深部，防滅火基礎(chǔ)成本較大。雖然“W”型通風(fēng)在采空區(qū)深部也存在氧化升溫帶，但在深部50 m 范圍內(nèi)面積占比小于“Y”型通風(fēng)（兩進(jìn)一回），且靠近沿空側(cè)，因此更有利于采空區(qū)煤自燃防治。

5結(jié)論

1） “W”型通風(fēng)方式下采空區(qū)氧化升溫帶呈“√”分布，采空區(qū)深部與淺部氣體整體均呈扇形運(yùn)移，受壓差作用在采空區(qū)淺部產(chǎn)生交匯渦流，具有一定的煤自燃隱患。

2） 礦井供風(fēng)量及速率一定時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)速率與進(jìn)風(fēng)巷的數(shù)量呈正相關(guān)，沿空留巷并不適合單獨(dú)作為進(jìn)風(fēng)巷。結(jié)合關(guān)鍵漏風(fēng)位置、氧化升溫帶分布特征及防滅火難度等方面，確定了“W”型通風(fēng)更有利于采空區(qū)煤自燃防治。

3） 在沿空留巷開(kāi)采條件下，采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度易受沿空側(cè)密閉墻內(nèi)外壓差的影響，壓差較大的區(qū)域漏風(fēng)隱患較嚴(yán)重。因此，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)沿空側(cè)壓差和采空區(qū)氣體濃度等數(shù)據(jù)，防止漏風(fēng)引發(fā)采空區(qū)自燃火災(zāi)。