近距离煤层工作面自然风压变化及漏风规律研究

臧燕杰

（国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿，新疆 塔城 834700）

我国煤田分布较广，大部分可采煤层为近距离多层复合煤层[1]，此类型煤层群一般按照从上至下开采顺序，本煤层回采后，上分层采空区会垮冒至本层采空区形成复合采空区，而近距离煤层群开采基本采用综采放顶煤工艺，导致采空区遗煤分布较多[2]。在开采动压影响下，本煤层附近的老空区之间沟通产生复杂的裂隙，造成工作面采空区漏风多，在自然风压影响下，形成复杂漏风，给易自燃煤层工作面带来严峻的自燃威胁[3]。

从本质来说自然风压是一种能量差，受地温、地质条件、当地气候影响及井上下多种因素共同作用所引起的促使空气沿井巷流动的现象[4]。但自然风压不能当作矿井通风的主要动力源，因为其是一种变化的动力源，自然风压会对机械通风的矿井造成影响，其大小和方向在矿井中是随季节的变化而变化。在近距离煤层开采矿井中，在自然风压作用下导致漏风情况复杂，因此有必要对自然风压的变化情况及对工作面漏风影响进行探究[5]。

1 矿井自然风压测定及变化规律

沙吉海矿井采用机械抽出式全负压通风方法，井田共有可采煤层14 层，其中全区可采3 层，大部分可采7 层，部分可采2 层，局部可采2 层。现主采B10 煤层，上部为B11 煤层，下部为B9 煤层，煤层间距都比较近，为近距离煤层。B10 平均厚度为7.26 m，局部含1～2 层夹矸，属结构简单、可采稳定的厚煤层。煤层倾角为9°～16°，煤层的层理不太明显，但垂直高角度裂隙、纵向节理较为发育，主要以41 号长焰煤、31 不粘煤为主。现生产的工作面为B1003W03 工作面，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采工艺，工作面采用U 型通风方式。

1.1 自然风压测定

根据查阅相关文献，自然风压测定方法有直接测定法、间接测定法及反风测算法[6-7]等三种方法。间接测定法主要是测定矿井进风机回风井的大气压力及干湿温度变化，利用公式计算测点的空气密度，从而得出矿井的自然风压[6]：

式中：ρd为回风井与进风井高差的空气密度，kg/m3；Hd为回风井与进风井高差，m。

在春夏秋冬四个季节分别选择一天，进行全天自然风压测定计算，从零点开始，间隔3 h 测定一次，一天共8 次进行自然风压测定，测定结果见表1。

表1 一天中不同时段自然风压测定结果（单位：Pa）

根据每月测定的数据，选取平均数作为每个月矿井的自然风压，见表2。

表2 全年自然风压测定结果

1.2 自然风压变化规律

沙吉海煤矿春、夏、秋、冬四个季节自然风压变化趋势如图1。

图1 不同季节不同时段自然风压变化图

从表1、2 及图1 可以看出，沙吉海煤矿自然风压是动态变化的，夏季及冬季矿井自然风压受气温影响变化较大，春季和秋季则变化较小；而矿井自然风压在白天气温最高时最小，15 时达到最小值，夜间温度降低自然风压升高，凌晨3 点达到最高。

从图2 可以看出：沙吉海矿在夏季时自然风压最小值为-37 Pa，冬季时自然风压最大为135 Pa，全年变化幅度高达172 Pa，春秋冬三季全为正压，而夏季自然风压会出现负压。即在春秋冬三季时，自然风压方向与矿井风机作用方向一致，有利于矿井通风，夏季自然风压方向与矿井风机作用方向相反，阻碍矿井通风。

图2 矿井一年自然风压示意图

2 自然风压影响下的采空区漏风规律

2.1 工作面漏风量测定

为了解不同季节自然风压对采空区漏风的影响程度，利用SF6连续定量释放法对B1003W03 工作面的漏风量进行测定[7]。

经实地踏勘，选择在B1003W03 进风巷距巷口50 m 左右位置处作为释放点R1 释放SF6气体。选择在B1003W03 进风巷距巷口100 m 处作为SF6气体浓度检测点S1，B1003W03 回风巷选择在距巷口100 m 处作为SF6气体浓度检测点S2，测得S1、S2点的SF6浓度分别为c1、c2。测定示意图如图3。

图3 工作面漏风测定示意图（m）

利用下式计算工作面漏风量

式中：QJ为工作面漏风量，m3/min；

q为SF6示踪气体的连续定量释放量，m3/min；c1为进风巷检测点SF6示踪气体浓度；c2为回风巷检测点SF6示踪气体浓度。

通过对秋冬两季连续5 d 三班进行漏风测定，测定结果见表3。

表3 工作面漏风量记录表

2.2 采空区漏风规律

沙吉海矿在秋季时自然风压为正，早、晚两班大，中班较小，相应的早、晚两班B1003W03 工作面漏风量较大，中班较小。即自然风压的增大会增加采空区的漏风量，在冬季时自然风压差值比秋季时大，同样冬季时工作面漏风量比秋季时漏风量大。

对于B1003W03 工作面来说，自然风压增大会导致采空区漏风量增加，负压通风会使采空区向工作面漏风。矿井自然风压为正，帮助矿井进行通风，但会导致采空区漏风量也增大；夏季自然风压受气温影响变化较大，一天自然风压变化为正-负-正，会造成采空区压差形成“呼吸”现象，增加采空区遗煤自燃威胁。

3 采空区漏风规律数值模拟

根据计算流体动力学（CFD）的理论知识，利用Fluent 软件对B1003W03 工作面采空区流场进行数值模拟，来验证实际测定结果是否正确。

3.1 基本假设及边界条件

假定采空区内多孔介质的渗透变化符合达西渗流定律，气相物质扩散符合菲克扩散定律。根据流场基本假设及现场实际条件，进风巷口设置为入口，回风巷口设置为边界，工作面与采空区交界面设置为流体内部边界，其他面都近似地设置为绝流边界。工作面采用负压通风，进风口风速为1 m/s，回风口风速为0.96 m/s，进回风巷压力差30 Pa。

3.2 模拟结果分析

根据B1003W03 工作面的实际尺寸对模拟模型进行简化，建立相应的数值模型，如图4。

图4 工作面采空区网格划分结果

通过工作面漏风测定结果可知，进回风隅角是工作面的主要漏风通道，回风隅角漏风较为严重；而通过模拟采空区漏风流场结果可知，B1003W03工作面采空区内气流场呈线性均匀圆弧分布，如图5，采空区内气流速分布不均，在采空区进回风口处流速较大，而在中部区域流速相对较小。对应的工作面进风口处风压最大而回风隅角处风压最小，且两点附近风压梯度最大，工作面中部风流压差较小。进风隅角主要表现为工作面向采空区漏风，回风隅角主要表现为采空区向工作面漏风，可知模拟的风量分布趋势与实测结果基本一致。

图5 采空区漏风分布图

4 结论

（1）沙吉海煤矿自然风压在一天中的变化基本在30 Pa 左右，不会对主通风机运行状态造成大的影响，自然风压差值在气温最高时最小，下午15时左右达到最小值，气温最低时自然风压也最大。

（2）沙吉海煤矿在春秋冬时自然风压方向与风机作用方向一致，有利于矿井通风，同时会增加采空区漏风量；夏季为负，与风机作用方向相反，阻碍矿井通风，且波动幅度较大，一天内会出现自然风压的正-负-正变化，使采空区形成“呼吸”现象，增大了自然发火威胁。

（3）通过采空区漏风数值模拟可知，风量分布趋势与实测结果基本一致，即进风隅角主要表现为工作面向采空区漏风，回风隅角主要表现为采空区向工作面漏风。