切顶成巷“Y”型通风工作面采空区自燃危险区域研究

安 鑫

(西山煤电集团 官地矿，山西 太原 030022)

煤矿安全生产受采空区浮煤自燃灾害的威胁越来越大[1]. 随着切顶成巷无煤柱开采技术的应用，工作面通风系统由“U”型变为“Y”型，虽有效解决了工作面上隅角瓦斯问题，但采空区漏风量增大，漏风范围变广，增加了采空区浮煤自燃的危险性[2].

随着技术的发展，采空区流-固-热耦合研究大多采用数值模拟技术进行研究[3]. 基于采空区“O”型圈理论，李宗翔等[4]开发了基于有限元方法求解的G3程序，并对采空区瓦斯涌出规律、遗煤自燃分布特征、注氮防灭火等做了分析。文虎等[5]求解了各条件下采空区自燃带的分布特征，定量分析了影响沿空留巷采空区内氧化带范围的关键参数。何磊等[6]采用数值模拟方法模拟研究了“Y”型通风采空区流场和瓦斯运移规律，并对比分析了“U”型和“Y”型通风条件下采空区流场和瓦斯运移特征。刘伟等[7]建立了多场耦合的采空区自然发火模型，对比研究了“U”型与“Y”型通风对采空区自然发火的影响。

以某矿62711切顶成巷工作面为例，采用理论分析和Fluent数值模拟相结合的手段，与“U”型通风工作面进行对比，分析切顶成巷“Y”型通风工作面采空区漏风规律、气体运移和浮煤自燃危险区域，给出采空区自燃危险区域分布特征，对此类工作面采空区浮煤自燃防治具有实际指导意义。

1 工作面概况

某矿62711工作面位于北七盘区，工作面走向长1 652 m，倾向长216 m，主采2#煤层，煤层平均厚度1.90 m，结构简单，倾角平缓。工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，并在采空区侧定向切顶，切断部分顶板的矿山压力，实现自动成巷和无煤柱开采，实现110工法的切顶成巷无煤柱开采技术。工作面采用两进一回的“Y”型通风方式，其中皮带巷和轨道巷进风，沿空留巷回风。工作面实际配风量1 237.80 m3/min，其中皮带巷进风797.39 m3/min，轨道巷进风431.89 m3/min. 巷道布置示意图见图1.

图1 62711工作面巷道布置示意图

2 采空区多孔介质模型

将采空区设置为多孔介质流体区域，同时使用C语言编写UDF外部程序，分别定义采空区多孔介质的黏性阻力损失系数、惯性阻力损失系数、孔隙率、瓦斯质量源相和氧气消耗源相等，数值运算时将其加载到主程序中，以增强Fluent软件对该数学模型的适应性和契合度。

2.1 孔隙率

由于工作面推进速度不同、冒落岩石的岩性以及大小、原始应力、采动应力的不同，采煤高度的变化造成采空区遗煤和岩石的压实程度差异很大，孔隙分布不均匀[8]，因此，采空区冒落煤岩为非均匀多孔介质。采空区多孔介质内煤岩的冒落压实大致按照“O”型圈分布[9]，在x和y两个方向的碎胀系数分布函数为：

Kp(x,y)=Kp,min+(Kp,max-Kp,min)e-a1d1(1-e-ξa0d0)ξ<1

(1)

采空区空隙度n为：

(2)

式中：

Kp—采空区冒落煤岩碎胀系数分布函数，跟采空区内的位置有关，无因次；

ξ—控制模型分布形态的调整数，取0.233；

Kp,max—初始冒落碎胀系数，取1.5；

Kp,min—冒落岩石压实时的碎胀系数，取1.2；

a0、a1—距离固壁和工作面的衰减率，m-1，分别取0.27、0.037；

d0、d1—点(x,y)与固壁和工作面l边界的距离，m.

采空区多孔介质孔隙率近似为n.

2.2 黏性和惯性阻力系数

多孔介质模型是通过在动量方程中添加一个动量损失源项实现的，该源项由黏性损失项和惯性损失项组成，采空区多孔介质第i个动量方程损失源项[10]为：

(3)

采空区视为各向同性多孔介质，因此Si可以简写为：

(4)

采空区气体服从线性渗透定律，根据Blake-Kozeny公式[11]可知：

(5)

(6)

式中：

Dij、Cij—黏性和惯性阻力损失系数矩阵；

α—渗透率，m2；

C2—惯性阻力损失系数，m-2；

1/α—黏性阻力损失系数，m-2；

DP—采空区平均调和粒径，m，取0.07.

2.3 浮煤自燃危险区域判别标准

采空区煤的自燃“三带”通常有3种划分标准，即以采空区内的漏风强度、氧气浓度和复合判据来划分[12]. 按复合判据划分采空区浮煤自燃危险区域，即漏风强度满足Q<0.24 m/min(v<0.004 m/s)，同时氧气浓度满足C>7%.

3 几何模型及参数

3.1 几何模型及网格划分

根据采空区基本参数，按照数值模拟要求对几何模型作适当简化。经计算，采空区高度为40 m，尺寸设为400 m×220.2 m×40 m. “U”型通风工作面尺寸为211.8 m×5.5 m×2.8 m，“Y”型通风工作面为216 m×5.5 m×2.8 m. 轨道巷和皮带巷尺寸为30 m×4.2 m×2.8 m，沿空留巷为400 m×4.2 m×2.8 m. 简化后几何模型示意图见图2. 利用ANSYS ICEM软件，采用结构网格划分方法对模型进行网格划分，网格步长取1.4 m，网格数量为3 182 167，质量均大于0.9.

图2 几何模型和网格划分示意图

3.2 模拟参数设置

为了对比分析“U”型和“Y”型通风方式下采空区各场的分布情况，设模两种通风方式的工作面进风量相同。为了方便分析数据，将采空区各边界分别命名为Γ1～Γ4，并在模型内z=0 m截面上设置若干监测点，其中Rx1～Rx3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3.

图3 采空区监测点布置图

4 采空区漏风分析

对比分析采空区漏风流场，见图4. 通过分析可知，“Y”型通风方式下风压在边界Γ2与Γ3交汇处最大，为52 Pa，且沿解算区域的对角线方向逐渐减小。“Y”型通风方式漏风大致呈“L”型，几乎覆盖采空区1/4，主要集中在工作面和沿空留巷附近。皮带巷进来的风流集中在工作面端头几乎垂直漏入采空区，并且漏风越靠近Γ2边界越能进入到采空区的深部。

图4 采空区漏风流场分布规律图

对比分析工作面风量的变化，见图5，其中横坐标0 m处为回风巷，220 m为进风巷。从图5可以看出，“Y”型通风风流沿着整个工作面向采空区漏风，由皮带巷处的1.09 m/s降低至1.01 m/s，向采空区的漏风量为73.92 m3/min，为“U”型通风的1.33倍。

图5 工作面风速对比曲线图

“Y”型通风沿空留巷风速见图6. 从图6可以看出，在沿空留巷与工作面交汇处0～50 m漏风最强，漏风集中在该区域内漏入沿空留巷。沿空留巷风速随距离的增加逐渐升高，但是从曲线斜率可以看出，其漏风强度在逐渐降低，采空区向沿空留巷的漏风风速按负指数关系在逐渐递减。这是由于沿程阻力的作用，引起采空区风流弥散，风流流程越长弥散越强烈。

图6 “Y”型通风沿空留巷风速曲线图

为了验证数值模拟的可靠性，在工作面8个位置处进行漏风测试。将模拟和实测的工作面风量绘制成曲线，见图7. 从图7可以看到，工作面向采空区模拟漏风量为109.97 m3/min，实测漏风量为112.08 m3/min. 工作面风量的模拟值与实测值基本吻合。由此可见，数值模拟可靠性较高，对实践有较强的理论指导意义。

图7 工作面风量变化规律曲线图

5 采空区气体运移特征

采空区瓦斯体积分数分布情况见图8. “U”型通风瓦斯体积分数在Γ1边界最宽，越靠近Γ2边界越窄，“Y”型通风时瓦斯体积分数与之类似。整体上，“Y”型通风瓦斯体积分数比“U”型低，在上隅角处表现尤为明显，可见“Y”型通风能有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题。

图8 采空区瓦斯体积分数分布图

从定量的角度对比采空区瓦斯体积分数的分布规律，见图9. 从图9a)可以看出，二者采空区瓦斯体积分数都沿采空区深度逐渐升高，“U”型通风最高可达80%，“Y”型通风最高只有30%，二者差别在靠近Γ1边界的Rx1表现最为明显。从图9b)可以看出，二者采空区瓦斯体积分数均沿Y轴逐渐降低，越靠近采空区深部差距越明显。

图9 采空区瓦斯体积分数分布曲线图

对比得出采空区氧气浓度分布情况，见图10. 从图10可以看出，“Y”型通风采空区氧气浓度较高，尤其在Γ3侧工作面后0～50 m. “Y”型通风方式下采空区氧气浓度分布特征在于：沿走向在Γ1侧分布窄而在Γ2侧分布宽，在Γ2侧最远能延伸至250 m，这是因为皮带巷和轨道巷进风量的不均衡导致的，皮带巷作为工作面主要进风巷，风量大，向采空区的漏风多，漏风速率较大，氧气分布广。

图10 采空区氧气体积分数分布图

从走向和倾向定量比较采空区氧气体积分数变化规律，见图11. 在走向上，“Y”型通风由于漏风的增加使其氧气体积分数比“U”型通风高，而变化规律基本相同，氧气体积分数沿着采空区深度逐渐降低。其次，Rx1和Rx3上二者氧浓度差距比Rx2大，最大相差15%，而Rx2最大相差不到10%. 在倾向上，“Y”型通风采空区氧气浓度在Ry0变化不大，两种通风方式下氧气浓度在Ry1(距工作面100 m)上的差距表现最为明显，最大相差10%.

6 采空区自燃区域分布特征

按复合标准划分出的自燃危险区域结果见图12. 从图12可以看出，“U”型通风采空区自燃危险区域主要集中在进风隅角附近，而“Y”型通风则分布较广，自燃危险区域在皮带巷侧深入采空区深部，结合采空区自燃危险区域位置及宽度表(表1)分析可知，自燃危险区域在Γ2侧分布为68～320 m，而在Γ1侧100 m位置处宽度降至0 m，这是由沿空留巷附近风速较大引起的。“Y”型通风自燃危险区域最大宽度增大171 m，与工作面距离平均增加40 m，因此，切顶留巷技术给采空区防灭火工作面带了压力，必须采取相应的采空区防灭火措施对采空区煤自燃灾害进行预防。

表1 采空区自燃危险区域位置及宽度表

7 结 论

1) “Y”型通风方式下，风流沿着整个工作面漏入采空区并沿采空区对角线流动，大致呈“L”型，漏风范围几乎覆盖采空区1/4，主要集中在工作面和沿空留巷附近，漏风量为“U”型通风的1.33倍。对沿空留巷内的风速进行拟合，得出采空区向沿空留巷的漏风流速与巷道深度的关系。采空区向沿空留巷的漏风风速按负指数关系逐渐递减。

2) “Y”型通风瓦斯体积分数整体上比“U”型低，在上隅角处表现尤为明显，在走向上的变化规律基本相同。在工作面0～50 m，“Y”型通风采空区氧气浓度较高，在采空区下边界分布最窄，在上边界分布最宽。在靠近采空区边界处二者差距比中部大，在倾向上，距工作面100 m内的差距表现最为明显，最大相差10%.

图12 采空区浮煤自燃危险区域图

3) “Y”型通风浮煤自燃危险区域在皮带巷侧的采空区深部分布较广，在采空区上边界的分布为68～320 m，而在下边界100 m位置处宽度降至0 m.“Y”型通风自燃危险区域最大宽度增大171 m，与工作面距离平均增加40 m. 切顶留巷技术给采空区防灭火工作面带来了压力，必须采取相应措施进行预防。