尾巷负压对采空区瓦斯涌出和自然发火影响的模拟研究

程 涛

(山西焦煤汾西矿业集团公司 高阳煤矿， 山西 孝义 032306)

在U型通风的基础上，增加尾巷排放瓦斯，是众多高瓦斯矿井治理瓦斯超限的重要手段[1-2]. 增加尾巷负压，经尾巷截流的漏风流也会增加，从回风上隅角漏出的高浓度瓦斯的漏风流将会减少，回风巷风排瓦斯的压力明显降低，同时尾巷的瓦斯浓度会显著增高。回风巷有较多的人员、机电设备，而尾巷是专用排瓦斯巷，因此尾巷负压适当增高是可行的。但随着尾巷负压的增高，进风测的漏风强度会增加，对自然发火防治形成不利影响[3-4]. 如何消弱甚至消除尾巷负压调整对自然发火防治和瓦斯治理的影响，是值得研究并解决的问题。

1 模型的建立

1.1 采空区空隙率及渗透率

随着工作面向前推进和时间的推移，采空区的空隙率随时发生变化。一般情况下，顶板岩层越坚硬，空隙率越大；矿压越大空隙率越小；作用时间越长，空隙率就越小，反之就越大[5]. 空隙率为：

n=1-1/Kp

式中：

Kp—岩石及煤的碎胀系数。

由Blake-Kozeny公式，多孔介质的渗透率e为：

式中：

Dm—平均调和粒径。

上述公式为FLUENT模拟中内部采用。

1.2 采空区模型的建立和边界条件分析

在石港煤矿11114工作面实际测得的数据的基础上参考文献[6]建立几何模型，数值模拟分析模型的具体参数：计算区域为走向长200 m，倾斜宽为152 m，高为70 m的六面体。采煤工作面的体积为3 m×152 m×2 m，进、回风顺槽的体积为20 m×4 m×2 m，内错尾巷的体积为20 m×2 m×2 m，内错尾巷相对工作面回风顺槽的水平距离、垂直距离分别为30 m、9 m，深入采空区2 m，后高抽巷的体积为70 m×2 m×2 m，高抽巷相对与工作面回风顺槽的水平距离、垂距为60 m. 其中采空区走向取200 m是因为工作面回采到此阶段后，工作面早已顺利度过初采期，各项瓦斯治理、防灭火措施的应用均已常态，本算例研究正常回采期间的火和瓦斯的耦合关系。利用GAMBIT建立工作面三维模型，将坐标原点定在模型底面左后侧的顶点。采场模型见图1，通风参数设置见表1.

图1 采场模型图

表1 11114综放面通风参数设置表

2 尾巷负压对采空区瓦斯涌出和自然发火的影响

为了研究尾巷负压对采空区瓦斯涌出和自然发火的影响，采用保持进风量不变，对尾巷负压进行调节的方法，研究回风巷、尾巷瓦斯浓度和采空区 “三带”的变化规律。为了更直观体现尾巷负压的调节幅度，将其转换为对尾巷风量的调节，即调节回风巷和尾巷的配风比。进风巷的风量取值，参考矿井实际供风量，取1 800 m3/min.

2.1 尾巷负压对采空区瓦斯涌出的影响

对尾巷配风量为600 m3/min、700 m3/min、800 m3/min、900 m3/min、1 000 m3/min的5组数据进行模拟，发现尾巷配风在600～800 m3/min时回风巷和尾巷瓦斯浓度值变化较大，又对650 m3/min、750 m3/min两组尾巷配风量下的风排瓦斯浓度进行了模拟。部分模拟采场瓦斯浓度摩尔云图见图2，风排瓦斯浓度随尾巷负压的变化数据见表2.

图2 采场瓦斯浓度摩尔云图

表2 尾巷负压对风排瓦斯浓度的影响表

1) 从表2可以看到，随着尾巷负压的升高，回风巷、尾巷的配风比的降低，回风巷瓦斯浓度在前期有大幅度的降低，尾巷风量从600 m3/min到700 m3/min虽然只增加了100 m3/min，但回风瓦斯浓度却从0.88%降到了0.51%，0.88%很接近回风瓦斯超限浓度1%，而0.51%则相对安全，这100 m3/min风量的调节确保了工作面的瓦斯浓度控制在安全范围。但随着尾巷负压的继续升高，回风瓦斯浓度变化不是很明显，只有缓慢的降低。

出现这种情况的原因是在尾巷风量600 m3/min时，回风对采空区漏风流的影响强度较大，此时回风的风排瓦斯中除了本工作面的瓦斯外，采空区从上隅角漏风汇流入的瓦斯也占有相当的比例，因此回风瓦斯浓度较高。但在尾巷风量700 m3/min时，尾巷和回风对采空区漏风流的影响强度已经基本相当。随着尾巷负压的继续提高，尾巷对漏风流的截流效果越来越强，相应的在回风流中来自于采空区的瓦斯越来越少，当工作面煤壁和落煤的瓦斯涌出强度不变的情况下，回风瓦斯浓度将不会有大幅的降低。

2) 回风上隅角和回风巷的瓦斯浓度变化规律和原理相同。尾巷风量600 m3/min时，上隅角瓦斯浓度为1.60%，严重超限。当提高尾巷负压，使尾巷风量达到700 m3/min时，瓦斯浓度降到了0.62%. 可见，提高尾巷负压是治理上隅角瓦斯超限的有效手段。

3) 尾巷浓度随尾巷负压的升高出现先升后降的变化趋势，并且瓦斯浓度上升区段的幅度较大，而下降区段的变化幅度相对较小。在瓦斯浓度上升区段，尾巷风量变化100 m3/min，尾巷浓度却从0.98%升到了1.53%，升高了0.55%；在瓦斯浓度下降区段，尾巷风量变化300 m3/min，尾巷浓度却从1.53%降升到了1.25%，平均尾巷每增加100 m3/min风量，尾巷浓度下降0.09%.

出现这种现象的主要原因是，尾巷负压升高的不同阶段，在尾巷风流中，风量和瓦斯纯量的各自变化幅度不相同。该次模拟中尾巷风量有规律的渐增，但风排瓦斯量却变化较大：在尾巷负压增高的前期，尾巷将本应随漏风流到达回风巷的采空区瓦斯大量截流，使风排瓦斯纯量增加，此时风排瓦斯纯量增加幅度大于风量增加幅度时，尾巷浓度升高；在尾巷负压增高的后期，采空区瓦斯漏入回风流的量已经很少，此时尾巷风量增加幅度大于风排瓦斯纯量增加幅度，尾巷浓度降低。

4) 从表2可以发现，在尾巷负压增加的后期，回风巷、尾巷、上隅角的瓦斯浓度都降低，这对瓦斯治理来说，是一个相当理想的状况。在尾巷风量750 m3/min之后，回风巷和上隅角瓦斯浓度基本不变，尾巷浓度降低幅度变缓。因此，出于经济考虑，无需持续增加尾巷负压。11114工作面较合理的尾巷配风在700～800 m3/min，此时回风巷风量为1 100～1 000 m3/min.

2.2 尾巷负压对采空区自然发火的影响

对尾巷配风量从600～1 100 m3/min，每隔100 m3/min设一个参照点，共计对6个不同尾巷风量下的采空区可能自燃带范围进行模拟。所得数据见表3，回风侧可能自燃带范围散点对照图见图3.

表3 不同风量条件下可能自燃带范围模拟数据表

图3 不同尾巷风量下的回风侧可能自燃带散点图

1) 从表3可以看到，尾巷风量从600 m3/min增加到800 m3/min时，整个采空区可能自燃带范围变化不大，其中采空区进风侧和中部范围保持不变，回风侧范围略有增加；当尾巷风量继续增加，进风侧和中部可能自燃带范围缩小，但回风侧可能自燃带范围增幅稍有变大。

随着尾巷负压的提高，尾巷风量的增加，工作面漏入采空区的风量有所增加，采空区的可能自燃带范围也随着增加，回风侧的 “三带”范围应验了这一规律，但在进风侧，大量应随惯性进入采空区深部的漏风流，受尾巷负压作用，被提前拉回，所以会出现进风侧三带范围不增反降的情形。但这一规律并非具有普适性，该算例中尾巷距进风侧倾斜长度仅有20 m，进风侧漏风流受尾巷负压影响程度较大，对于大采长工作面，将会出现整个采空区三带都随尾巷负压增加而增加的情况。

2) 模拟关注了两道(指采空区内进风侧和回风侧)“三带”范围，特别是回风侧的可能自燃带范围。从图3可以看到，两道可能自燃带范围不小，而且随尾巷风量增加，其倾斜方向上的宽度也在增加。可见随着尾巷负压的增加，应特别注意两道的防火。

3) 随着尾巷负压的提高，可能自燃带的范围不论进风侧还是回风侧，都在向工作面方向靠近。这对防治自然发火是很不利的。

4) 回风侧的自然发火危险性随尾巷风量的增加而增大，应以回风侧可能自燃带范围变化情况，来确定考虑自然发火的安全合理尾巷负压(风量)范围。

采空区遗煤的自然氧化通常是当开采时间超过煤的最短自然发火期时即自然发火。按照防治自然发火安全的要求，合理的自燃氧化带宽度极限为：Lmax=v·t，其中,v为平均回采速度，m/d；t为最短自然发火期,天。11114综放面的平均回采速度为v=3.0 m/d,最短自然发火期t=33 d,得到Lmax=99 m.

2.3 尾巷最佳配风范围的确定

1) 从瓦斯治理的角度考虑，11114工作面较合理的尾巷配风在700～800 m3/min.

2) 从防治自然发火的角度考虑，尾巷负压提高之后，进风侧的漏风量增加，增加了采空区的自然发火危险性，但同时这部分漏风流又受到尾巷高负压的吸引，尾巷负压抵消了部分漏风流向采空区深部运动的惯性，因此，最终对采空区“三带”的分布范围变化不大。

3) 因此，11114工作面较合理的尾巷配风在700～800 m3/min，此时回风风量为1 100～1 000 m3/min.

3 结 论

对不同尾巷配风下的采空区瓦斯排放和可能自燃带发展规律进行了模拟研究。得出如下结论：

1) 随着尾巷配风量的增加，回风和上隅角的瓦斯浓度均大幅下降，尾巷浓度先升后降，当尾巷配风量达到一定值之后，回风和尾巷瓦斯浓度同时降低。

2) 由于内错尾巷对采空区漏风流的拖拽作用，随尾巷配风量增加，采空区“三带”范围变化不是特别明显。但采空区回风侧自然发火危险性随尾巷负压增加而增大，出于安全考虑，回风侧可能自燃带范围越小越好，因此尾巷配风量越小越好。

3) 矿井在现场实际中，应通过实测或模拟得出最经济的配风方案，而非盲目的越大越好。

4) 本文研究结果对“一进两回”(即进风顺槽、回风顺槽、内错尾巷)工作面具有一定的参考意义，但如果回采面通风方式不同(如有高抽巷、外错尾巷)，则需要作进一步研究。