综放工作面均压通风对采空区气体分布规律的影响研究

李斯昊，李宛鸿

(1. 中煤集团山西华昱能源有限公司，山西 山阴 036900；2. 昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033)

0 引言

煤矿采空区中由于开采过程中遗留下的煤炭，在满足条件的前提下会发生自燃现象[1]，是威胁煤矿安全生产中的五大灾害之一[2]。作为矿井防灭火较为基础的采空区自燃“三带”划分部分，通过采空区铺设束管测点，建立工作面采空区三维计算模型，准确划分工作面采空区“散热带”、“自燃带”、“窒息带”的范围，明确采空区遗煤位于自燃带的时间，计算合理推进度，提出可实行的工作面综合防灭火技术措施[3]。

1 概况

中煤华昱元宝湾煤业位于山西省山阴县，属于资源整合矿井，39101工作面为9#煤首采面，工作面长度为240 m，煤层倾角4°～10°，煤层厚度1.5～8.0 m。上覆为4#煤、6#煤小窑破坏，北部为9#煤辅运大巷，采用倾斜长壁后退式综合机械化回采工艺。

2 全负压通风条件下自燃“三带”现场观测与数据分析

2.1 测点布置

针对元宝湾煤业39101工作面的实际情况，采用局部布点法测试采空区自燃“三带”。39101工作面辅运顺槽及主运顺槽上各布置4个束管监测点，如图1所示，其中测点2、3、4为验证测点。

图1 测点布置图

2.2 实测结果

每天对39101工作面的推进度、测点气体浓度变化进行分析，拟合出采空区主、辅运顺槽随工作面推进距离的变化曲线，如图2、图3所示。

图2 主运顺槽1#测点氧气浓度随进入采空区深度的变化曲线

图3 辅运顺槽1#测点氧气浓度随进入采空区深度的变化曲线

2.3 结果分析

氧气浓度指标是采空区自燃“三带”划分的常用指标[4]。一般认为散热带的氧气浓度>18%；自燃带的氧气浓度在8%(或5%)～18%之间；窒息带的氧气浓度<8%(或5%)。

由采空区内测点氧气浓度变化曲线图可以看出：

(1) 当工作面推进至62 m时，进风巷氧气浓度降低至18%以下且呈持续下降趋势，表明进入了自燃带；当测点进入采空区深度达到117 m时，氧气浓度下降到8%以下且未有反弹，表明进入了窒息带。

(2) 当工作面推进至48 m左右，回风侧氧气浓度就下降到了18%以下，表明进入了自燃带；测点进入采空区95 m时，氧气浓度下降到了8%以下，表明进入了窒息带。

通过对以上数据的分析整理，可以得出实测条件下的采空区自燃“三带”的范围，如表1所示。

表1 实测条件下的采空区自燃“三带”的范围

3 均压条件下采空区数值模拟与数据分析

由于该工作面上覆4#煤层被破坏性回采(小窑房柱式)，上覆4#煤层采空区内积存有大量有毒有害气体，在39101工作面回采过程中，可能存在大量有毒有害气体突然涌入本工作面的情况，该情况一旦出现，39101工作面将采取均压措施，本文以数值模拟手段研究均压条件下采空区的“三带”变化规律，根据本矿往年均压经验，设置均压条件为压能提高1.22 kPa，压差减少2.31 kPa。

为掌握均压[5]通风工作面“三带”划分，建立三维模型，规范边界条件并精简计算模型，采用气体渗流方法进行计算求解，掌握采空区渗流速度场和氧浓度场的分布规律。

3.1 几何模型建立及参数确定

在Gambit软件上模拟模型，将工作面简化为长方体，具体尺寸为：进风巷宽5.2 m，回风巷宽5.2 m，高3.4 m，长10 m。采空区宽240 m，长162.1 m。其中堆积区20 m，载荷区55 m，压实区87.1 m，对几何模型采用自动生成网格，网格尺寸取1 m，如图4所示。

图4 采空区几何模型网格图

3.2 边界条件设定

气体计算模型选取Laminar模型中的k-epsilon[6]，方程系数为系统默认值。取进风巷(入口边界)为速度入口，速度为1.37 m/s，出口边界均为压力出口，湍流强度为3.5%、水力直径为3.632 m。其中模拟气体组分为氧气和氮气，氧气浓度21%，质量分数23%，氮气浓度79%，质量分数77%。将采空区设为多孔介质，孔隙率分别为0.4，0.25，0.1。根据瓦斯涌出量分源，采空区瓦斯涌出量三区的源项均为2×10-6kg/m3·s。

3.3 数值模拟结果及分析

根据氧气浓度模拟结果分析可知：对比没有采取均压措施以及采取均压措施后的进风侧以及回风侧的氧气浓度，如图5所示。对于进风侧，采取均压措施后自燃带范围变大且距离工作面距离增加。对于回风侧，采取均压措施后自燃带范围也增大，同时距离变大。

图5 进风侧与回风侧氧气浓度对比

根据采空区漏风风场模拟结果分析可知：在没有采取均压措施时，进风及回风处的风速较高，随着向采空区的深入，风速越来越小；采取均压措施后，进风巷风量增加，风速密度增大；回风巷风量减小，密度减小。漏入采空区的风量增大，导致采空区散热带变宽，自燃带变宽并且后移，窒息带后移。

根据压力分布模拟结果分析可知：对比进回风侧处的均压前与均压后的压力数据，如图6所示。没有采取均压措施时，工作面两端的压差比较大，由釆空区进风侧向回风侧压力逐渐减小，采空区的漏风全部向回风侧汇聚；采取均压措施后，如图6(b)所示，代表进风巷与回风巷压力的两条曲线较之图6(a)有明显地趋于相近的趋势，相应二者的差值也随之减少，表示两巷间压力的差值减小，从而造成进风侧向回风侧的漏风量也随之减少。这一变化在一定程度上降低采空区的自燃危险，但是由于采用局部风机和调节风窗联合均压的方式，所以整体的压力有明显提高，风量更多地被压入采空区，造成采空区自燃带后移。

图6 进回风侧压力对比

根据氧气浓度、采空区漏风风场和压力分布模拟结果分析整理，得出了39101工作面在均压条件下采空区自燃“三带”的范围，见表2。

表2 39101工作面均压条件下采空区自燃“三带”范围模拟划分

4 结论

(1) 通过对39101工作面进回风顺槽所铺设束管取样，分析气体浓度变化情况，确定实测条件下采空区自燃“三带”范围，具有很好的借鉴意义。

(2) 通过采用理论分析及数值模拟技术手段，得出均压条件下工作面采空区自然发火规律：漏入采空区的风量增大，导致采空区散热带变宽，自燃带变宽并且后移，窒息带后移。同时，进回风两巷间压力的差值减小，从而造成进风侧向回风侧的漏风量也随之减少。

(3) 采用均压通风后，采空区“三带”划分发生了变化，自然发火可能性略有增加，需加强对工作面自然发火气体的监测预报工作，防患于未然。