倾斜高瓦斯煤层抽采条件下采空区漏风规律数值模拟

姜亦武，杨俊生，赵鹏翔，贺海瑞，郝建池，杨雪凤

(1.兖矿新疆能化有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000；2.兖矿新疆矿业有限公司 硫磺沟煤矿，新疆 昌吉 831100；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

采空区漏风供氧程度直接影响了采空区煤自然发火周期的长短，而自燃“三带”理论(即散热带、氧化升温带和窒息带)的建立同样是基于对采空区漏风供氧与蓄热条件的研究[1-2]。针对采空区危险区域与自燃“三带”划分的研究，国内外众多专家学者开展了大量实验并取得了丰硕的成果[3-5]。

邓军等为了更为准确的预测采空区的煤自燃温度，进而对煤自燃灾害进行防控，建立了一种基于随机森林方法的煤自燃预测模型，同时通过程序升温的方法研究了风量对煤低温氧化自燃过程的影响，结果表明煤体温度的增加需要更大的风量加以支持[6-7]。同样对煤体升温氧化自燃，张辛亥等采用热分析技术以及改进的KAS法对该过程进行了质量及动力学参数的研究，发现煤的失重呈阶段性变化规律，并可分为4个阶段[8]。

杜阳等通过利用Gambit软件对“两进一回”通风方式的采空区进行煤自燃区域分布规律研究，发现在此通风条件下的煤自燃危险区域较大[9]。郝宇、李品等通过使用COMSOL软件模拟了不同通风条件、不同推进距离下的采空区自燃“三带”分布特征，发现氧化带宽度随着风速、推进距离的增加呈现阶段性变化[10-11]。文虎等利用Fluent软件煤层分层前后的采空区氧浓度分布特征，以此来探究煤层分层对采空区自燃“三带”的影响，结果表明煤层分层会减小回风侧散热带和自燃带的宽度[12]。朱红青等采用理论分析及数值模拟相结合的方法，研究尾巷抽放瓦斯对采空区煤自燃的影响，发现进行尾巷抽放瓦斯会使氧化升温带的范围向采空区内部极大的扩展[13]。肖峻峰等通过使用Gambit软件对高抽巷瓦斯抽采条件下的采空区遗煤自燃进行研究，并找到能够有效满足防火要求的工作面风量[14]。ZHAI等结合数值模拟与现场实践的方法，研究了注氮对遗煤自燃的影响，发现注氮可以有效地延长自燃时间，降低煤自燃的可能性[15]。

综上所述，国内外学者对采空区自燃“三带”的具体特征、分布规律、影响因素等从数值模拟、工程实践以及实验室实验等多个方面进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果，为采空区煤自燃灾害的防治提供了坚实的基础。而通过研究采空区漏风规律，进而调整矿井防煤自燃措施也是有必要的，高建良、马砺、黎经雷等对采空区进行数值模拟，分析得到了采空区的漏风规律，并为工作面制定合理的供风量[16-18]。ZHAI、ZHUO等通过数值模拟与现场实验相结合的试验手段，针对具体通风条件，埋深进行研究，得出其具体漏风规律。并制定相应的防煤自燃措施[19-20]。目前对于高位钻孔抽采瓦斯进而引起的采空区漏风引发煤自燃的研究相对较少。文中以新疆硫磺沟煤矿(4-5)04工作面为试验原型，通过分析数值模拟结果，以此来探究瓦斯抽采对采空区漏风及煤自燃的影响。

1 工程地质概况

试验以新疆硫磺沟煤矿(4-5)04工作面为原型，该工作面走向长度为2 618.5 m，倾斜长度为180 m。煤层平均角度为24°，平均开采厚度为6.15 m，割煤高度为3.0 m，采放比为1∶1.1。在(4-5)04工作面中，沿着4-5号煤层底板进行轨道顺槽与皮带顺槽的掘进工作，工作面配风量为1 048 m3/min，具体布置情况如图1(a)所示。回采期间，因煤层赋存情况的变化，工作面支架推进速度不一致，下端口超前上端口开采，形成工作面仰伪斜，如图1(b)所示。

图1 (4-5)04工作面布置示意图Fig.1 (4-5)04 working face layout schematic diagram

2 数值模型的建立

利用ANSYS Workbench数值模拟软件所具备的建模与网格划分模块，根据硫磺沟煤矿(4-5)04工作面概况，建立走向200 m，倾向180 m，倾角24°的工作面模型。参照现场高位钻孔的层位布置，确定模型的总体高度为50 m；巷道长度为4 m，宽度为3 m；两巷浮煤厚度4.2 m、宽度5.5 m；冒落带高度理论预测28.8 m，裂隙带高度理论预测147.9 m。为结合实际进行模拟，设计了2#钻场模型以及无钻场模型，如图2所示，根据钻场实际钻孔参数进行了如图3的钻孔建模。在进行网格划分时，无钻场模型以及2#钻场模型中浮煤层、进回风巷及工作面步长设置为1 m，岩层步长设置为2 m；钻孔实际尺寸为0.12 m，因此钻孔步长设置为0.01 m，并在与岩层接触面进行了网格加密；共划分网格单元无钻场模型1 274 393个，2#钻场模型1 489 301个。

图2 模型网格划分Fig.2 Model grid partitioning

图3 钻孔局部网格Fig.3 Local grid of drilling holes

3 试验结果及分析

3.1 工作面伪斜对采空区漏风规律影响

结合(4-5)04工作面的实际开采情况研究分析，为确保工作面支架的合理布置，杜绝工作面支架因重力倾倒而发生下端口超前上端口开采，从而产生超前25 m左右的工作面仰伪斜现象。为符合现场实际情况，本次数值模拟设置伪斜条件为：进风巷超前回风巷25 m。针对采空区气流进行实际气体测定过程中得出，采空区内漏风情况随工作面伪斜长度变化而变化。为充分掌握采空区内漏风流场变化规律，结合工作面实际回采情况，以一定初始条件和相同边界条件为基准开展数值模拟研究，分析了有、无伪斜条件下采空区漏风流场变化情况，其结果如图4、图5和图6所示。

图4 采空区氧浓度分布云图Fig.4 Cloud diagram of oxygen concentration distribution in goaf

图5 采空区漏风速率等值线图Fig.5 Contours map of air leakage rate in goaf

图6 采空区氧浓度进回风侧氧浓度曲线Fig.6 Curves of oxygen concentration in goaf into and back to the wind side

由图4采空区氧浓度分布云图可以得出，采空区氧浓度整体呈进风侧区域宽、回风侧较窄的分布规律，且从进风侧至回风侧，氧浓度逐渐减小，其减小速率也不断增加。同时可以看出，当氧气质量浓度处于18.8%～23%范围内时，无伪斜工作面两侧氧浓度小于中部，当氧气质量浓度小于18%时，进风侧氧浓度最大。而有伪斜工作面氧浓度受氧气质量浓度影响较小，其整体呈进风侧氧浓度最大的规律。

由图5采空区漏风速率等值线图可以得到，有伪斜、无伪斜工作面中部漏风速率均大于工作面两侧，且其漏风速率下降速率也相同。有伪斜工作面进风侧漏风速率大于回风侧，而无伪斜工作面漏风速率在进回风两侧相同位置基本相同。

由图6采空区氧浓度进回风侧氧浓度曲线可以看出，有伪斜、无伪斜2种工作面回风侧氧浓度曲线变化趋势高度吻合，其同一位置氧浓度大体相同。进风侧氧浓度变化曲线中，在距离工作面35～130 m时，有伪斜工作面氧浓度明显高于无伪斜工作面氧浓度，有伪斜工作面进风侧氧浓度下降速率小于无伪斜工作面。根据氧浓度为8%～18%的自燃“三带”划分标准[1]，无伪斜、有伪斜工作面进风侧氧化升温带分别为40，53 m，有伪斜工作面氧化升温带较无伪斜工作面增大了13 m。通过对不同伪斜长度工作面采空区漏风规律的研究，确定了伪斜长度影响下工作面氧化升温带的变化规律，为预防采空区自燃工作提供了一定的理论依据。

图7 采空区氧浓度立体分布云图Fig.7 Three-dimensional distribution cloud diagram of oxygen concentration in goaf

图8 采空区氧浓度等值线图Fig.8 Contours map of oxygen concentration in goaf

3.2 有无高位钻孔抽放条件下采空区漏风规律研究

正常回采时，(4-5)04工作面的风量平均为1 048 m3/min，此风量下进行采空区立体氧浓度模拟，其模拟云图如图7所示，在与图7(a)相同条件下，2#钻场增加了回风侧的钻孔抽采，其氧浓度如图7(b)所示。根据现场实测点的最小值30 kPa，进行模拟得到抽采负压。如图，由于钻场抽采工作的进行，影响回风侧处的漏风情况，使其明显增大，从空间上看，2#钻场采空区氧浓度在X,Y,Z这3个方向都有不同程度的增大。X方向为工作面倾向，Y方向为工作面立体纵向，Z方向为工作面至采空区的走向。ZY平面上，氧浓度随着Y方向距离的增加，以弧线状在采空区深度方向增加，且当Z为0时，氧浓度宽度在进风侧最小。立体漏风在进风侧向回风侧移动的过程中逐渐减小。

从图8分析可到，有、无钻场对不同距离下进风巷道内氧浓度几乎无影响，该区域采空区氧浓度都达到最大值，随着采空区不断向深部延伸，氧浓度减小速率也不断减小。此外，对于回风侧方向氧浓度，无钻场采空区下降明显。由于抽采工作增大了回风侧的采空区漏风，两巷浮煤较厚导致耗氧量增加，致使相同位置氧浓度情况的进回风两巷均小于采空区内部，因此，2#钻场采空区在进回风两巷氧浓度基本保持一致。

如图9所示，有、无钻场采空区的进回风侧漏风速率都基本保持一致，无钻场抽采采空区漏风速率在靠近回风侧较大。钻场抽采过程中，采空区相同位置漏风速率明显大于无钻场抽采。从2#钻场漏风速率曲线可以看出，由于采空区浮煤内部不同位置风流速率的不同，导致浮煤与采空区风流氧气充分接触，最终采空区漏风速率曲线发生一定弯曲，且其逐渐向采空区深部延伸，且因为上部钻孔的负压抽采方式，导致进、回风侧速率不同，因此随着向采空区深部延伸该趋势逐渐减小。

图9 采空区漏风速率等值线图Fig.9 Contours map of air leakage rate in goaf

图10 采空区两巷氧浓度曲线Fig.10 Curves of oxygen concentration in two goaf lanes

从图10中的氧浓度对比图分析发现，进风侧采空区相同位置处有无钻场抽采卸压瓦斯对氧气浓度分布规律影响不大。2种情况下，同样出现了在距离工作面60 m范围内氧浓度急剧下降的趋势，并在距离工作面73 m之外接近于0%的变化规律，无钻场抽采的采空区相同位置处氧浓度超过有钻场的最多3%左右。相反，在回风侧采空区两者的数值变化呈现明显的不同。在距离工作面80 m的范围内，有钻场抽采瓦斯的采空区氧浓度比无钻场的最多超出7%。无钻场抽采的采空区在距工作面约28 m位置其氧浓度就下降至5%，远小于有钻场抽采时的50 m。

综上所述，高位钻场抽采瓦斯对采空区进风侧氧浓度分布影响不大，对回风侧采空区氧浓度起到明显的增益作用。增大氧浓度5%以上的区域22m距离，形成了立体式漏风通道，极大地增大了采空区遗煤氧化范围。

3.3 不同抽采负压下采空区漏风规律

根据矿井实际施工钻孔参数及抽放负压，选用抽放负压条件为30，80 kPa模拟2#钻场的采空区漏风流场。由图11～图12可以看出，在不同抽采负压条件下2#钻场的氧气浓度分布及扩散距离有适当变化，当抽放负压增大时，采空区立体漏风随之增大。

根据图13可以看出，随着抽采负压增大，回风侧漏风速率明显增大。在抽采负压为80 kPa条件下，2#钻场漏风曲线相较于抽采负压为30 kPa时更为复杂，并且在倾向60 m范围内漏风曲线存在偏向工作面的变化趋势。

根据采空区自燃“三带”危险区域判定准则[1]划分采空区自燃“三带”：其中漏风风速大于0.004 m/s的区域为散热带，漏风风速为0.004～0.001 6 m/s的区域为氧化带；窒息带为采空区内漏风风速小于0.001 6的区域。根据图13可以发现，当2#钻场抽采负压为30 kPa时，氧化升温带位于进风侧距离工作面20～45 m，回风侧距离工作面18～40 m。当2#钻场抽采负压为80 kPa时，氧化升温带位于进风侧距离工作面24～60 m范围，回风侧距离工作面30～68 m范围。

图11 采空区立体氧浓度Fig.11 The cubic oxygen concentration in the goaf

图12 采空区氧浓度等值线Fig.12 Oxygen concentration contour lines in the goaf

图13 采空区漏风速率等值线Fig.13 Contour lines of air leakage rate in goaf

图14 2#钻场不同抽放负压下氧浓度Fig.14 Oxygen concentration curves under different pumping negative pressures in drilling field 2#

由图14(a)可知，在采空区进风侧距离工作面18～110 m时，2#钻场抽采负压为80 kPa条件下的氧浓度均大于30 kPa，当距工作面距离为53 m时氧浓度差最大为4.4%。由图14(b)可知，同样在采空区回风侧距离工作面0～110 m时，2#钻场抽采负压为80 kPa条件下的氧浓度更大，当距工作面距离为37 m时氧浓度差最大为7%。总之，2#钻场的钻孔抽采负压由30 kPa增大至80 kPa时，工作面采空区漏风流场向采空区回风侧偏移，在采空区回风侧漏风速率及氧浓度较大，但漏风流场宽度差异较小。

综上所述，2#钻场在30，80 kPa抽采负压的条件下，采空区中的漏风流场整体向回风侧加大并与其相当，漏风速率及氧浓度分布在局部区域回风侧较大。增大抽采负压，2#钻场的采空区漏风流场同样正比增加，但其宽度基本不变。

4 结 论

1)伪斜能明显提高进风侧离工作面35～130 m内采空区氧浓度，并减缓氧浓度衰减速度。受伪斜影响，工作面进风侧氧化升温带增加13 m，达到53 m。高位钻场抽采下的回风侧漏风明显，30 kPa抽采负压下，相同位置的采空区氧浓度相差最大达到约7%。由于受到高位钻孔抽采的影响，有立体式漏风通道在采空区中形成，该通道导致浮煤氧化的范围增大。

2)2#钻场抽采负压提高，采空区中的漏风流场由于抽采负压的提高产生整体向回风侧延伸的现象。进风侧与回风侧的漏风流场范围大致相当，但在局部地区，漏风速率与氧浓度回风侧较大。增大抽采负压，2#钻场的采空区漏风流场同样正比增加，但其宽度基本不变。

3)通过开展倾斜高瓦斯煤层不同条件下的采空区漏风规律，分析有无伪斜、高位钻孔抽放以及不同抽采负压等因素对采空区漏风的影响，得到伪斜、高位钻孔抽放以及抽采负压对于采空区氧气浓度的分布影响规律。可对倾斜高瓦斯煤层的煤火灾害防治提供一定参考。