切顶卸压留巷开采模式下工作面及采空区内风流运移特性

陈向军，刘金钊，司朝霞，杜云飞，常廷豪

(1.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083； 3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；4.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；5.神华神东煤炭集团 哈拉沟煤矿，陕西 榆林 719315)

0 引 言

风流运移特性对分析工作面有效风量、采空区漏风、灾害气体防控和煤层自燃等都具有重要意义。为了防范工作面瓦斯气体体积分数超限爆炸和煤层自燃等灾害，诸多学者针对工作面风流运移特性开展了大量研究。YANG Y等[1]、徐会军等[2]、杨胜强等[3]、YANG M等[4]、ZHANG C等[5]、张睿卿[6]对传统开采模式下“U”型通风系统工作面和采空区流场进行测试分析，得到了“U”型通风系统不同条件下工作面和采空区风流运移特性；王银辉等[7]、张树川等[8]、秦汝祥等[9]、秦波涛等[10]、刘伟等[11]、宁建国等[12]采用数值模拟、能位测定、示踪技术和束管检测等技术手段，研究了传统沿空留巷“Y”型通风模式下工作面和采空区风流运移规律；此外，吕文陵等[13]通过数值模拟研究了“U+Ⅱ”型孤岛综放面及采空区内的风流场；张学博等[14]结合数值模拟结果，现场实测了“U+L”型综采工作面及采空区的风流，找出其分布特征；洪克宽等[15]通过数值模拟研究了双“U”型通风模式下工作面和采空区风流运移特性。

纵观工作面和采空区风流运移特性研究成果，其大多是针对传统长壁工作面“U”型通风系统，部分针对充填工艺留巷后的“Y”型通风系统，上述研究成果不但保障了传统开采模式下工作面安全生产，而且还丰富了矿井通风理论与技术。近年来，由何满潮院士团队提出的切顶卸压留巷开采新技术，实现一个回采工作面仅需掘进一条巷道的采掘模式[16-19]，同时将工作面通风系统由传统开采模式下的“U”型调整为“Y”型。此外，与传统沿空留巷技术相比，切顶卸压留巷技术切断了工作面上覆顶板应力传递，靠采空区侧的巷壁由垮落的碎裂顶板煤岩块组成。传统的沿空留巷技术多是在工作面后方的采空区侧充填一道支护墙体[20-22]，并由之支撑煤层顶板压力、采掘扰动应力和顶板周期压力，同时将所留巷道与采空区隔开，形成的巷壁由柔膜材料、高水材料等充填物质组成，对采空区密闭起到一定的作用。由此可知，切顶卸压留巷开采工作面的通风系统、上覆顶板应力传递方式、顶板垮落特性及巷壁性质均与传统开采模式存在较大差异，这势必引起工作面和采空区风流运移特性发生变化。但遗憾的是，对于切顶卸压留巷开采工作面风流运移特性尚未有相关研究成果。为此，本文开展切顶卸压留巷开采工作面风流运移特性研究，以期为防范切顶卸压留巷开采工作面采空区漏风、瓦斯气体体积分数超限爆炸和煤层自燃提供参考依据，保障切顶卸压留巷开采技术安全推广应用。

1 切顶卸压留巷技术

切顶卸压留巷技术是由何满潮院士团队于2008年提出的[23-26]，该技术以“切顶短壁梁”理论为基础，在工作面系统形成以后，巷内及采空侧采用恒阻大变形锚索进行支护，支护完成后，超前工作面一定距离，沿超前巷道回采侧钻取爆破孔并装药，通过定向聚能爆破技术[27]预裂顶板，在巷道采空侧顶板形成一个预裂切缝面。待工作面煤层回采后，及时紧贴爆破预裂线布置密集单体支柱进行巷旁挡矸支护并支撑“切顶短臂梁”，采空区顶板在自重及矿山压力作用下，沿切缝面自动垮落形成巷帮，顶板充分垮落压实后，逐步回撤单体支柱，并对垮落形成的巷帮进行喷浆处理，用以隔绝采空区，从而形成工作面的一条运输巷，并可使其作为将来临近工作面回采巷道使用，服务于下一个工作面开采。切顶卸压留巷技术改变了传统长壁开采一面掘双巷模式，使新的工作面仅需掘一条巷道。其与传统长壁开采平面图对比如图1所示。

传统开采模式下，工作面采用“U”型通风系统，采用切顶卸压留巷开采模式后，回采工作面由“U”型通风系统调整为“Y”型通风系统。

图1 切顶卸压留巷开采与传统长壁开采平面图对比

2 工程背景

以陕西省榆林市神木县神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿12201综采工作面为工程背景。哈拉沟煤矿位于陕西省神木县西北55 km处的乌兰木伦河东侧，大柳塔镇以北4.5 km。井田东西长8.4～11 km，南北宽8.3～10 km，面积约85 km2，核定生产能力1 600万t/a。可采及局部可采煤层有8层，主采煤层为2-2煤层、3-1煤层、4-2煤层，均为近水平煤层。地层总体呈倾向SW的单斜构造，倾角一般小于1°，在矿井南部有一条小规模正断层，无岩浆岩侵入，整体构造简单。

12201综采工作面为12煤层二盘区首采工作面，12201综采工作面由运输巷、回风巷和开切巷围成，工作面长320 m，开切巷至停采线距离747 m，计划留巷长580 m，煤层厚1.6～2.4 m，平均1.9 m，平均采高2 m，煤层赋存较稳定，北西为12202工作面，其他方向无工作面。工作面采掘平面布置如图2所示。

图2 工作面平面布置示意图

3 物理模型及边界条件

3.1 基本假设

通常把工作面采空区作为多孔介质模型进行研究，但由于采空区内部松散煤体和垮落岩石所构成孔隙通道的不规则性，导致气体流动状态复杂。因此，进行如下假设：

(1)假设多孔介质中的气体不可压缩，其流动属于稳态流动。

(2)12201综采工作面煤层平均倾角1°～3°，将整个采空区煤岩层简化为水平层进行处理。

(3)将风流在进回(风)巷道和工作面区域的流动设为紊流，在采空区内的流动设为层流。

3.2 数值模拟软件及物理模型

采用计算流体力学(computer fluid dynamics，CFD)常用软件Fluent模拟。依据采空区渗流的数学模型，将采空区划分成有效的控制体，把控制采空区渗流的偏微分方程离散化为非连续的代数方程组，结合实际边界条件，通过计算机进行数值求解,离散所得的方程组，因此，只要划分的控制体足够小，就可以认为离散区域上的离散值代表整个采空区的渗流速度分布情况。

二维模型参数：截取采空区走向长400 m，工作面倾向长320 m，巷道断面宽5 m，高2.5 m的矩形，建立采空区漏风数值模拟模型(图3)。

图3 采空区漏风数值模拟模型

3.3 模型边界条件

(1)物理模型。物理模型选择湍流模型标准k-ε模型。

(2)风流入口边界。入口边界设为速度入口边界条件(velocity inlet)，总配风量1 162.5 m3/min，回风巷配风风速1.0 m/s，运输巷配风风速0.55 m/s，风流垂直于入口进入。

(3)风流出口边界。风流出口边界设为自由出流(outflow)。

(4)内部边界。在巷道与采空区之间的边界设置成内部边界(interior)(或者通过设置多孔介质跳跃界面)，流体可以自由流通其中，留巷侧模拟切顶卸压留巷的开式采空区，其余边界默认为固体壁面边界(wall)。在传统模式下回风侧处于煤柱支承应力影响区，造成采空区回风侧的空隙率较大，而切顶卸压模式下的留巷侧顶板在切顶作用下充分垮落，消除了回风侧松散三角区，渗透率较传统模式大幅减小，采空区靠近留巷侧对应的边界条件设置则改变了传统的wall设置。

(5)孔隙率与黏性阻力系数设置。将采空区充填度、碎胀系数、渗透率、平均粒子直径等边界条件的表达式编写成UDF并加载至Fluent求解器中，以求得采空区空隙率、黏性阻力系数。其中，采空区多孔介质的特征：经上覆岩层应力分析，在0～30 m内本文创新性地引入充填度作为主要敏感因素，这是因为此段处于未充填完全状态，与碎石间的空隙相比，未充填的空间风流阻力较小，是主要的风流运移路径。在多孔介质的处理方式上按线性处理并作为修正系数编入。30～400 m内主要和碎胀系数有关，这是因为此段充填已经完全，上覆岩层沉降后的应力作为敏感性主控因素，覆岩的应力主要通过岩石残余碎胀系数表现，走向上分段进行编程。由于不同岩性的节理、层理性质有所差异，垮落后的平均粒子直径不一，通过引入现场观测的经验值(150)进行编程；碎胀系数由留巷内观测切顶卸压模式下的开式采空区，并以滞后工作面距离为自变量的拟合经验公式进行编程；由于空隙率与渗透性的关系较复杂，未有明确的文献依据，本文采用达西定律中渗透性、孔隙率、粒子直径的公式进行编程。

(6)黏性阻力系数设置。在Fluent中，将采空区视为连续非均质多孔介质区域，通过在标准动量方程中增加额外动量损失源项，模拟采空区多孔介质对气体流动的附加阻力，由于采空区内部漏风风速较小，惯性阻力项通常忽略不计，采空区内渗流动量损失主要由黏性阻力项提供。黏性阻力系数D与采空区渗透率互为倒数，且黏性阻力系数在流体微元体上简化为各向同性，故由式(1)表示为[28]

(1)

式中：μ为空气黏性系数，μ=1.789 4×10-5kg/(m·s)；e′为切顶卸压模式下采空区渗透率，m2。

4 工作面风流特性数值模拟

4.1 采空区风流特性

采用Fluent软件按照上述边界和初始条件进行模拟。依照工作面配风计划，回风巷风速取为1.0 m/s，运输巷风速取为0.55 m/s，模拟计算结果如图4～6所示。

图4 速度等值线分布图

图5 速度流线图

由图4～5可以看出，切顶卸压开采模式下，风流速度沿采空区走向衰减明显，在采空区深部，风流速度很小，甚至为0。由回风巷进入的风流，由于惯性作用，部分风流由隅角处进入采空区，并在采空区内近回风巷隅角区域产生一个较大的涡流区，该涡流区主要是进风风流发生转向，流体支点受到离心作用产生减速增压区所致。此区域风流速度较大，进入采空区的风流一部分进入采空区内部向留巷方向运移，一部分风流又折返至工作面。沿工作面倾向流动的风流在采空区内侧产生部分较小涡流区，其主要是风流经过转弯处后，由于流速较大且转弯曲率半径较小，惯性作用所致，在涡流的影响下，工作面部分风流由此进入采空区。在近运输巷的工作面端头处亦出现一个较大的涡流区，其主要原因是此区域处于两股风流交汇处，容易形成紊流区，并且流经工作面的风流在此区域转向，在离心作用下产生减速增压区。

图6 压力分布云图

由图6可知，进风巷道内风压最高，而回风巷道留巷段内较低，且风压沿留巷走向逐渐降低；在工作面隅角处压力梯度最大，这与速度等值线图中采空区内最大风流速度位于近隅角区域的结论一致。

4.2 沿工作面风流运移规律

为进一步分析风流沿工作面运移规律，考虑到流函数等值线间的差值可表征两条等值线间通过的流体流量，为此，用Fluent软件后处理功能绘制了沿工作面倾向内部边界流函数变化曲线，如图7所示。

图7 工作面倾向内部边界流函数变化曲线

由图7可知，在整个工作面倾向方向，采空区内风流和工作面风流存在质量交换现象[29]，即工作面风流漏入采空区和采空区风流进入工作面。为进一步研究工作面和采空区风流交换情况，结合风流运移方向，将320 m沿倾向方向的工作面(包括进风巷)划分为5个区域，其中工作面漏入采空区的风量为正值，由采空区返回工作面的风量为负值，5个区域分布情况见图8，风流交换情况见图9～10。

图8 工作面区域划分示意图

图9 工作面风量交换变化图

图10 工作面沿程单位距离漏风量变化曲线

由图9可知，沿工作面倾向方向划分的5个区域，2个区域的风流从采空区进入工作面，3个区域的风流从工作面进入采空区，由工作面进入采空区的总风量为490.61 m3/min，由采空区返回工作面的总风量为203.69 m3/min，风流进入采空区并流向留巷方向的总风量为286.92 m3/min，占漏入采空区总风量的58.5%。沿工作面倾向方向304～325 m区段，漏入采空区的风量为353.21 m3/min，占漏入采空区总风量的72%；沿工作面倾向方向235～304 m区段，由于涡流区的存在，部分风流由采空区返回工作面，返回风量为172.77 m3/min，占漏入采空区总风量的35.2%；沿工作面倾向方向18～235 m区段，由于沿程存在较小涡流区，部分风流漏入采空区，漏风量为125.62 m3/min，占漏入采空区总风量的25.6%，该范围漏风量相对较少，但范围较广；沿工作面倾向方向2～18 m区段，该区域的部分风流由采空区返回工作面，风量为30.92 m3/min，占漏入采空区总风量的6.3%； 0～2 m区段存在部分风流漏入采空区，漏风量为11.78 m3/min，占漏入采空区总风量的2.4%，2～18 m和0～2 m区域风流交换是近运输巷存在的较大涡流区影响所致。

综合图9～10可知，18～85 m和304～325 m区段由工作面漏入采空区的风量为464.61 m3/min，占漏入采空区总风量的94.7%，其中，18～85 m区段漏风量为111.4 m3/min，占漏入采空区总风量的22.7%，304～325 m区段漏风量为353.2 m3/min，占漏入采空区总风量的72%，为严重漏风区段。进一步分析可知，工作面漏入采空区的风量主要集中在304～325 m区段，在该区段内，漏风量主要分布在321～325 m，该区段的漏风量为286.85 m3/min，占304～325 m区段漏风总量的81.2%，为严重漏风区段。85～260 m区段，漏风量仅为14.28 m3/min，占漏入采空区总风量的2.9%，该区段内风流较为稳定，为风流稳定区域。0～18 m区段处于两股进风流的交汇处，单位距离漏风量变化较大，260～304 m区段单位距离漏风量呈现先增后减的趋势，极值点位于287 m处。0～18 m和260～304 m区段风流由采空区返回工作面，属于风流重点折返区。

4.3 留巷内风流运移规律

沿留巷走向内部边界流函数变化曲线如图11所示。

由图11可知，在整个留巷走向方向，采空区内风流和留巷内风流存在质量交换现象。为进一步研究留巷和采空区风流交换情况，结合风流运移方向，将留巷划分为5个区域，其中采空区风流进入留巷内的风量为正值，留巷内风流进入采空区的风量为负值，5个区域分布情况如图12所示，风流交换情况如图13所示。

图11 留巷内部边界流函数变化曲线

图12 沿空留巷沿程漏风情况分布位置示意图

图13 沿空留巷沿程不同区段漏风量变化图

由图13可知，沿留巷走向方向划分的5个区段内，3个区段的风流从留巷进入采空区，2个区段的风流从采空区进入留巷，由采空区进入留巷的总风量为318.64 m3/min，由留巷返回采空区的总风量为31.72 m3/min。沿留巷走向方向，22～398 m区段均存在采空区内风流进入留巷的现象，该区域采空区漏入留巷内风流为309.38 m3/min，占漏入留巷总风量的97.1%，说明整个留巷段内风流与采空区风流均存在质量交换现象；此外，6～16 m区段风流亦由采空区漏入留巷，风量为9.25 m3/min，占漏入留巷总风量的2.9%；0～6 m，16～22 m和398～400 m区段内的风流从留巷返回采空区，但返回风量较少，分别为3.74，1.64，26.34 m3/min，依次占返回采空区总风量的11.8%，5.2%和83%，398～400 m区段所占比率较大的原因是因为沿空留巷中汇集的风流在流入回风巷道中时，需要经过该处转向，形成的涡流使部分风流流向采空区。

为了获得留巷内详细漏风状况，将留巷走向方向单位距离漏风量绘制成曲线，如图14所示。

图14 留巷走向方向单位距离漏风量变化曲线

由图14可知，沿留巷走向方向上，风流自采空区溢出至留巷内的22～398 m内，22～100 m和390～398 m 2个区段由采空区漏入留巷的风量分别为138.33,49.10 m3/min，分别占采空区漏入留巷总风量的43.4%和15.4%，为留巷内重点漏风区域。在22～100 m重点漏风区域内，由采空区漏入留巷主要集中于22～30 m区段，该区段内单位距离漏风量急剧增大，当达到30 m后，逐渐减小，其主要原因是22～30 m区段内采空区部分顶板处于悬空状态，冒落岩体未完全垮落，此时采空区内空隙较大，漏风较为严重；30 m之后采空区冒落岩体已完全垮落，垮落岩体在上覆岩层压力作用下逐渐压实，采空区内部空隙裂隙逐渐减小，风流通过能力和漏风量随之也逐渐减小。长达290 m的100～390 m区段内风流较为稳定，受涡流区域影响，0～22 m和398～400 m区段单位距离漏风量出现较大波动。

5 结 论

(1)切顶卸压开采模式下，靠近工作面两端隅角处采空区内部分别存在两个较大涡流区，紧临工作面倾向方向的采空区内侧存在部分较小涡流区。

(2)在整个工作面倾向方向，采空区内风流和工作面风流存在质量交换现象，其中18～85 m和304～325 m区段为风流漏入采空区重点区段，321～325 m为严重漏风区段；85～260 m区段内风流较为稳定，0～18 m和260～304 m内区段风流由采空区折返至工作面。

(3)在整个留巷走向方向，采空区和留巷内风流存在质量交换现象。0～6 m，16～22 m和398～400 m区段内的风流从留巷返回采空区，但返回风量较少；6～16 m和22～398 m区段风流由采空区漏入留巷，其中22～100 m和390～398 m为留巷内重点漏风区段，22～30 m为严重漏风区段。100～390 m区段内风流较为稳定。

(4)沿工作面倾向方向，18～85 m和304～325 m区段是工作面漏风防范重点区段；沿留巷走向方向，22～100 m和390～398 m为留巷内重点漏风防范区段。