薛虎沟煤矿U型通风工作面采空区漏风模拟

卢俊华

(霍州煤电集团有限责任公司河津薛虎沟煤业，山西 临汾 041000)

0 引言

煤矿生产的重要前提是安全生产，瓦斯突出、顶板脱落、顶底板突水和煤及粉尘的自燃等灾害影响了生产的顺利进行，严重情况下对工作人员的生命安全构成威胁，而采空区漏风和遗煤自燃是煤矿井下主要的灾害之一。随着采掘深度的不断延伸，越来越多的矿井发生采空区漏风和遗煤自燃灾害，严重影响矿井的安全生产和职工的身体健康。特别是矿井采用U型通风工作面的采空区漏风引起的煤炭自燃造成生产停滞的事故屡屡发生。针对此现象，国内许多学者已有研究，朱红青[1]等利用FLUENT软件研究了漏风引起的煤自燃耗氧及升温规律，得到煤柱完整的情况下，因为顶煤氧气浓度充足，煤有自燃倾向，改变漏风强度后，可使散热作用下降，煤的自燃倾向也降低；李宗翔[2]等基于渗流方程和气体扩散方程建立了气体移动弥散数值模型，模拟结果显示抽放流量后，采空区的气体涌出量呈现负指数趋势，同时给出抽放流量的表达式；何启林[3]等建立了采空区内遗煤自燃过程数学模型，预报了煤体自燃现象；阮国强[4]等利用流场理论模拟了采空区火源点的分布规律。为此，结合现有的研究成果，基于Surfer 8.0软件中的算法，对薛虎沟煤矿采空区漏风进行了模拟，并且对漏风区进行了详细划分，试验结果可供采空区漏风和遗煤自燃治理借鉴。

1 采空区漏风

1.1 采空区流动区域

分析影响因素的必要性：针对采空区瓦斯含量高的现象，利用高抽巷对采空区瓦斯进行高效的抽采，高压力虽然解决了瓦斯含量高的现象，但是高负压造成的巨大压力差也致使漏风量的增加，漏风量的增加间接的为遗煤自燃提供了充足的氧气环境[5]。目前，工作面通风U型通风占据主流，对于U型通风方式下工作面各区域的流动特征及影响因素的分析就显得非常必要[6-7]。

流动区域的划分：图1为U型通风工作面采空区流动区域的划分。在高压力的作用下，风流首先经过工作面，因为工作面距离通风设备近且通风阻力小，因此工作面区域内的风速最大，此区域称为扩散流动区。由于采空区顶板的及时垮落，采空区通风的工作阻力大，风量经过长距离的运动，能量会有所减少，因此，采空区域内的风量能量低，此区域为微流动区。

图1 U型通风工作面采空区流动区域划分

1.2 影响因素分析

扩散流动区风量影响因素：主要受到进风巷的压力以及采空区是否压密因素的影响。进风巷压力越大，对应工作面的风量也会增加，如采空区密实，风量损失率下降，流过回风巷道的风量降低[8]。

微流动区域影响因素：①微流动区的产生。微流动区域主要受到工作面压力差的影响，因为通风效果的不稳定性，造成工作面通风压力的差异，因此采空区出现微流动。气体微流动可用式(1)表示。

(1)

式中，p1、p2—气体在A、B这2点的静压，Pa；v1、v2—气体在A、B这2点的流动速度，m/s；Z1、Z2—气体在A、B这2点的位能，m；ρ—气体的密度，kg/m3；h1-2—A、B这2点之间的压头损失，m。从式中可以看出，当A、B这2点的静压发生变化时，便会产生微流动区，微流动区的风量部分流向采空区，部分流向工作面[9]；②影响因素。采空区气体的微流动受到工作面、采空区温度差、浓度差的影响，当顶板垮落后，采空区会有部分煤遗落在采空区，在长时间的氧化作用下，煤体周围空气出现热膨胀现象，从而导致气体出现微流动现象，可用式(2)表示气体密度变化。

(2)

式中，ρ—气体密度，kg/m3；p—气体压力，Pa；M—气体分子量；R—气体常数，J/(kg·K)；T—气体热力学温度，K。浓度差引起的气体微流动主要受到采空区漏风的影响，漏风造成气体形成浓度差，浓度高的气体会自动流向浓度低的区域，微流动区域因此形成，当漏风量非常大时，微流动区域内气体流速会随之增加，流动区域也会增大[10]。

2 相似模拟

2.1 模型的建立

为了进一步得到工作面采空区漏风的具体分布情况，对采空区进行了相似模拟。以薛虎沟煤矿U型通风为背景，利用Surfer 8.0软件中的空间插值法将大量离散型数据进行插值法计算，使得数据在空间上具有相关性，随后进行建模处理。建模过程中首先进行网格的划分，得到采空区氦气浓度变化云图，如图2所示，随后进行深入分析得到相应的氦气浓度变化云图。

图2 工作面采空区氦气浓度变化云图

2.2 模拟结果分析

氦气浓度变化分析：图3为采空区达到100 m时的氦气浓度变化云图。从图2、3可以看出，三角区氦气浓度是最高的区域，且进风一侧处的浓度最大。进风侧三角区因为煤层整体结构被破坏，强度下降导致煤层松散度下降。当采空区达到72 m后，该区域的氦气浓度依然可以检测到。而回风一侧在采空区达到43 m左右后，氦气浓度基本为0；因此可以得到，进风侧的氧气浓度也要高于回风侧的氧气浓度，归结原因是上下隅角水平方向漏风影响范围的不同。在支架后方的区域，图中黑色区范围内，氦气最高浓度达到接近40%，主要集中于上隅角区域，在采空区在10～50 m之间，上下隅角范围内的氦气浓度基本相同；由此可以看出，下隅角漏风并未流经上隅角区域，因此，工作面附近有毒有害气体的含量不会因此增加，可以正常生产。当采空区深度超过36 m时，氦气浓度范围值在18%～20%之间，采空区内的气体经过上隅角随后进入工作面[11]。

氦气分布分析：气体运用是基于三维空间实现的，图4为采空区高度为9 m时的氦气分布云图。从图中可以看出，垂直层面中部氦气浓度整体高于两侧的氦气浓度，且下隅角氦气浓度略高于上隅角的氦气浓度，当垂直高度达到50 m时，采空区漏风依然会影响气体浓度[12]。

图4 采空区高度为9 m时的氦气分布云图

采空区漏风分析：综合上述分析，采空区漏风主要分为上隅角漏风区、下隅角漏风区和支架后漏风区。上隅角漏风区主要受到上隅角内压力的影响；下隅角漏风区主要因为三角煤较为松散，因此漏风量较大。支架后漏风区主要集中在工作面中部及靠上部位，大量的风经过工作面后经过上隅角会重新返回至工作面[13]。3个区域内的漏风各有不同，其中，上隅角因为采煤遗留残煤的原因，在充足氧气的作用下，极易发生自燃，因此也最危险，对工作面的威胁最大。下隅角漏风也会发生煤自燃现象，但是因为其距离工作面较远，且漏风量小，因此可以人为控制。支架后漏风区最不易发生自燃现象，因为采煤的原因，通风效果较好，此区域内的漏风强度大于煤自燃极限漏风强度，达不到自燃条件[14-15]。

3 结论

(1)U型通风工作面采空区流动区域主要分为扩散流动区和微流动区2部分，扩散流动区内的风量主要受到进风巷的压力以及采空区是否压密因素的影响，微流动区受工作面压力差、采空区温度差、浓度差等因素的影响。

(2)相似模拟中，得到采空区漏风主要分为上隅角漏风区、下隅角漏风区和支架后漏风区3个区。上隅角漏风区为煤自燃提供了充足的氧气和条件，距离工作面近，对矿井生产威胁最大，下隅角漏风虽然会造成煤的自燃，但是可以人为控制住，支架后漏风不会为煤自燃提供条件。