Y型通风相邻采空区自燃三带模拟技术研究

乔志刚，马文斌

(西山煤电集团 杜儿坪矿，山西 太原 030022)

采空区遗煤自燃一直是我国煤炭开采过程中面临的重大问题之一，而消除采空区安全隐患[1]，保证井下开采的顺利进行就成为煤矿开采的研究对象[2]. 切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术使相邻两个工作面之间没有保护煤柱，上一工作面开采后形成的采空区会与下一工作面沟通，工作面的新鲜风流将有一部分漏入上一工作面老空区，而上一个工作面采完后采空区遗留的大量破碎的浮煤在适合的氧环境中经过长期的氧化[3-4]，煤温不断升高，最终突破临界温度发生自燃，给工作面安全生产带来隐患。因此，有必要对两进一回“Y”型通风方式下相邻采空区自燃危险区域进行研究，为后续工作面采空区防火工作提供依据，保证后续工作面的正常推进。

1 采空区物理模拟的建立

为了分析“Y”型通风方式下相邻采空区各场的分布情况，根据杜儿坪矿62711工作面实际情况，同时假设该工作面已经回采完毕，且下一工作面供风量及其他参数与62711工作面相同，设定皮带巷进风1 013 m3/min，轨道巷进风425 m3/min，沿空留巷回风。设定相邻工作面采空区尺寸为401 m×221.2 m×42 m，其中62711采空区尺均为431 m×220.2 m×40 m. 工作面尺寸为216 m×5.5 m×2.8 m. 轨道巷和皮带巷尺寸均为31 m×4.3 m×2.9 m，沿空留巷为40 m×4.2 m×2.8 m. 工作面采空区物理模型示意图见图1.

图1 工作面采空区物理模型图

为了方便分析数据，将采空区各边界分别命名为Γ1～Γ8，Γ5为皮带巷(62711工作面切顶形成的巷道)与老空区的交界。在模型内z=0 m截面上设置若干监测点，其中Rx1～Rx6监测点组沿采空区走向等距排列，Ry0～Ry3监测点组沿采空区倾向等距排列，具体布置见图2.

图2 采空区监测点布置图

2 对采空区瓦斯以及自燃带的影响

2.1 采空区漏风分析

相邻工作面回采期间采空区整体风压等值面和z=0截面上风压等值线见图3，该图反映出工作面开采时本工作面采空区和上一工作面老空区压力分布和漏风流场。从图3a)可以看出，风压在皮带巷处最高，在老空区侧延伸并逐渐降低，由于沿空留巷出口负压作用，在回采工作面采空区侧沿工作面逐渐降低。结合图3b)可以发现，老空区存在很大范围的漏风，主要集中在皮带巷附近，由于新工作面的皮带巷是上一工作面沿空留巷，因此与老空区直接相连，切顶形成的巷帮较破碎，这就为皮带巷向老空区漏风提供了条件。新鲜风流由皮带巷全程向老空区漏入，在风压作用下最终经由工作面采空区流入沿空留巷。

皮带巷风速随巷道深度的变化及拟合曲线见图4，从图4可以分析出皮带巷向老空区的漏风规律。皮带巷风速与巷道长度呈线性关系，将皮带巷各点风速进行拟合，得到下式：

u′=a-bx

(1)

式中：

u′—皮带巷风速，m/s；

x—皮带巷距离，m；

a—常数，取4.20；

b—皮带巷漏风速率，m/s，取1.41×10-3.

对式(1)进行求导可得出单位长度皮带巷漏风速率为1.41×10-3m/s，对应漏风量为1 m3/min.

图4 皮带巷风速图

2.2 采空区自燃“三带”分布特征

按氧浓度对自燃“三带”进行划分。有相邻采空区时，在皮带巷大面积漏风下，皮带巷附近的老空区出现了宽41 m的自燃带，距皮带巷15～56 m. 而自燃带最大宽度则由原来的219 m减小至112 m，减少了107 m，最小宽度由70 m减小至63 m，减少了7 m. 自燃带距工作面由原来的30 m变为20 m，整体向工作面移动了10 m，见图5. 从图5中可以分析出，由于皮带巷到老空区存在大面积漏风，距皮带巷较近的老空区存在自燃带，而工作面后方采空区内自燃带宽度则减小，并且离工作面变近。

按采空区漏风强度对自燃“三带”进行划分，并与没有相邻采空区的情况做对比，见图6. 有相邻采空区时，老空区距皮带巷5～14 m处存在宽9 m的自燃带。自燃带最大宽度为196 m，减少了6 m，最小宽度为39 m，减少了21 m，距工作面距离由原来的30 m减少至20 m.

按复合标准对自燃“三带”进行划分，并与没有相邻采空区的情况做对比，见图7. 有相邻采空区时，皮带巷附近的老空区存在57 m的自燃危险区域，距巷道5～62 m. 工作面采空区自燃危险区域在Γ2侧最宽，为76～214 m，宽度为138 m，减少了114 m，与工作面距离缩短了8 m. 自燃危险区域在靠近沿空留巷侧逐渐变窄甚至消失，因为此处漏风风速较大，不满足自燃危险判定条件，而位置变为90 m，缩短了10 m.

图5 依据氧浓度划分自燃“三带”图

图6 依据风速划分自燃“三带”图

图7 复合判据划分自燃“三带”图

根据划分结果看，由于老空区直接和皮带巷相接，大面积的漏风致使皮带巷附近出现较宽的自燃危险区域，工作面后方采空区内的自燃危险区域宽度虽一定程度上有所减少，但是向工作面前移10 m，一旦出现自燃高温点对工作面回采威胁更大，采空区自燃带位置及宽度对比结果见表1.

表1 采空区自燃带位置及宽度对比表

综上所述，在后续工作面回采时，应对皮带巷采取严格的封堵措施，减少漏风量，同时采取相应的防灭火措施，消除自然发火危险。

3 结 论

1) 基于杜儿坪矿62711工作面开采情况，采用fluent数值模拟对其开采相邻工作面期间的漏风、三带进行数值模拟，建立了采空区松散煤体渗流流场数学模型，并根据62711工作面下一相邻工作面回采期间皮带巷及沿空留巷漏风特性，分析出老空区和采空区内的各物理场及自燃“三带”分布特征，为下一工作面预防遗煤自燃灾害提供理论依据。

2) 在62711工作面下一相邻工作面回采期间，由于新工作面的皮带巷与老空区直接相连，切顶形成的巷帮较破碎，皮带巷与老空区之间存在很大范围的漏风，致使距皮带巷5～62 m出现宽57 m的自燃危险区域，工作面后方采空区内的自然危险区域最大宽度虽减少了114 m，但向工作面前移了10 m.因此，在下一工作面回采时，应对皮带巷实行严格的封堵措施，同时采取相应的防灭火措施，消除自然发火危险。