基于自然风压的采空区漏风规律研究

云传贵

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

决定矿井通风系统稳定性的重要影响因素之一是自然风压[1-3]，因此了解矿井自然风压变化特点，开展基于自然风压的工作面漏风规律研究，减少因自然风压作用导致采空区的漏风量，将会有助于矿井灾害治理[4-6]。

随着多年的开采，根据区域特征，国内矿井基本划分为两种：开采年限较长的东部区域，气候变化不是非常明显，矿井通风阻力较大，绝大多数步入深部区域开采，自然风压较大；西部区域属于大陆性气候，昼夜温差大，空气湿度小，气温变化明显，后期开发的矿井生产能力较大、煤层埋深较浅、用风量大，而巷道断面大导致矿井通风总阻力较小，东部区域的千米深井自然风压值大于西部区域的矿井，但西部区域的矿井自然风压占矿井总负压的比重不可小觑。

位于山西西北区域的吕梁兴县矿区大气压变化明显，导致进风流气体密度变化很大，而回风井气体密度基本稳定、变化很小，从而使得进、回风井气体密度相差很大，自然风压值变化明显；另外因矿井通风系统空气密度和风量变化较大，导致工作面采空区压差增大，采空区漏风量增大，自然发火现象加剧，严重影响矿井安全生产。为此，科研工作者对自然风压开展了大量研究，赵文彬等[7]以风阻定律为基础，构建漏风模型并开展现场试验，研究工作面邻近采空区漏风规律，为工作面防灭火提供重要指导依据；文虎等[8]在唐家会矿开展试验，研究自然风压对矿井通风系统的影响，试验结果表明：针对鄂尔多斯的特殊气候，可通过适当增加主要通风机负压，同时保证主、副井温差处于5 ℃以上时，确保通风系统稳定可靠；蔡海伦等[9]在会宝岭铁矿利用Ventsim软件研究自然风压对通风系统的影响，指导矿井管理优化通风系统。以上虽然对自然风压进行了一定研究，但未深入研究因自然风压引起的采空区漏风。

本文以山西焦煤西山煤电集团斜沟煤矿为对象，研究自然风压的变化规律及因其导致工作面进风量变化，提出改变进风量实现减小采空区漏风，为斜沟煤矿合理控制和利用自然风压、提高通风系统的经济性和稳定性[10-11]、减小采空区遗煤因工作面漏风而自燃的可能性奠定基础。

1 矿井概况

斜沟煤矿位于山西省吕梁市兴县，该地区夏季和冬季特征明显，全年降水量偏少，多为丘陵地区，偏干旱，早晚温差明显。主采8号、13号煤，共布置有8个井筒，“5进3回”，其中12采区进风主要是1号、2号副斜井(大井区域)及副平硐(小井区域)，由石吉塔沟回风斜井担负回风任务。

斜沟煤矿为低瓦斯矿井，采用抽出式通风，石吉塔沟回风斜井安装有FBCDZ-10-No34型防爆对旋轴流式通风机2台(一用一备)，风量范围为7 200～16 800 m3/min，负压为1 150～4 100 Pa，通风机转速580 r/min，每台通风机选配2台YBF710M2-10隔爆电动机，每台功率800 kW，电压6 kV，同步转速600 r/min，效率94%.

2 自然风压研究

斜沟煤矿12采区主要回采8号煤18205工作面，通过一次采全高回采，工作面长度为264 m，走向长度为2 840 m；工作面南侧为12采区辅助运输下山，东部、西部、南部均为实煤区。

2.1 自然风压实测

根据矿井现场实测，18205工作面风量一部分来自1号和2号副斜井(大井区域)，另一部分来自副平硐(小井区域)，其中来自副平硐的风量只占工作面总风量的11%.所以，重点研究测定斜沟煤矿1号和2号副斜井(大井区域)自然风压，通风系统如图1所示。

图1 18205工作面通风系统图

参考科马洛夫经验公式[12]来核算自然风压，当埋深超过100 m时，自然风压按照公式(1)计算：

(1)

式中：HC为自然风压，Pa；p为大气压力，Pa，通过实测得到；h为矿井开采深度，m；g为重力加速度，m/s2；R为矿井空气常数，取287 J/(kg·K)；T1为进风流平均温度，K；T2为回风流平均温度，K。

1号和2号副斜井(大井区域)自然风压使用间接法测定。为比较全面准确获得全年自然风压的变化规律，减小因天气变化所产生的误差，结合1号和2号副斜井(大井区域)的实际情况，选定2017年9月至2018年9月开展测定，每季度选择9 d，每天定在上午09：00～10：00，地点选在1号和2号副斜井口、副斜井底、石吉塔沟回风斜井口和回风斜井底测定自然风压。依据实测数据，绘制1号和2号副斜井(大井区域)的全年自然风压随着时间的变化曲线，如图2所示。

图2 自然风压随时间的变化曲线图

由图2可知， 1号和2号副斜井(大井区域)在一年中自然风压时刻在变，夏季自然风压最小为15.71 Pa，冬季自然风压最大为161.05 Pa，整个一年内自然风压均为正值，根据矿井通风系统情况，除1号和2号副斜井(大井区域)+700 m水平12采区轨道上山以外，自然风压与机械风压二者方向一致，有利于矿井通风；1号和2号副斜井(大井区域)+700 m水平12采区轨道上山以内，自然风压与机械风压二者方向全年相反，阻碍矿井通风。

2.2 自然风压影响工作面风量

对于抽出式矿井，自然风压和主要通风机产生的静压要共同克服矿井通风阻力。根据斜沟煤矿矿井通风阻力测定报告，涵盖18205工作面为主测路线计算获得的通风阻力只有269.87 Pa，而1号和2号副斜井(大井区域)总负压值达到560 Pa，自然风压将明显影响主要通风机的工况点以及通风系统各分支风量。

目前，矿井所安装的主要通风机具备风量大、稳定性强等优点，通风机能完全提供18205工作面所需风量，机械风压与自然风压作用方向相同，共同作用帮助矿井通风。所以，对于18205工作面，自然风压的变化将直接影响进风巷风量变化。

图3为2018年每月上旬、中旬、下旬三旬，选定同一地点多次测定工作面进风量与时间之间的关系。由图3可知，工作面进风量时刻在发生变化，不断减小、增大上下反复波动。由于山西吕梁兴县独特的气候特点，春秋季时间短、冬夏季时间长，在4月～7月进风量较小，在11月至第二年3月进风量较大。进风量大小受多种因素影响，但整体上全年风量表现为先减小后增大，基本和自然风压变化规律一致。气候变化对矿井通风的影响最直观表现在自然风压，因气压改变形成的压差会影响风量，所以影响工作面进风量变化的主控因素之一是自然风压。

图3 18205工作面进风量变化曲线图

3 采空区漏风模型构建及特征研究

3.1 构建漏风模型

结合18205工作面实际条件，确定工作面漏风地点是工作面后部采空区。工作面端头支架选用ZYT12000/26/55D型号，过渡支架选用ZYG12000/26/55D型号，中间支架选用ZY12000/28/64D型号，加强了工作面支护效果，但工作面两端头与液压支架之间留有较大范围的间隙，是漏风的主要渠道，模型如图4所示。

图4 采空区漏风模型图

从采空区流场角度出发，发现新鲜风流由工作面进风巷途径工作面进入回风巷的时候，风流一部分通过进风隅角区域流入采空区；由于采空区的漏风，工作面风量逐渐减少，当风流从回风隅角慢慢回流至工作面时，距回风隅角越近，工作面风量越大。压差和漏风通道的存在是工作面向采空区漏风的重要条件，而顺着风流路线压能在减小，所以在工作面漏风区域一定有分界点，此处漏风方向相反、风量和风速也是最小。

假设采空区内部漏风点的总漏风量漏出为正、漏入为负，那么总漏风量无论是正还是负，总是符合采空区封闭边界理论上的风量平衡条件[13]，具体见公式(2):

∑Q=Qi+Q0+Qt=0

(2)

式中：∑Q为通过采空区边界的总风量，m3/s；Qt为采空区内部漏风点的总漏风量，m3/s；Q0为从采空区漏出的风量，m3/s；Qi为沿工作面边界向采空区漏入的风量，m3/s。

3.2 计算漏风量

当其他漏风没有的条件下即Qt=0，在理论上沿着工作面边界漏入、漏出的风量几乎为相等，同时工作面漏风的出、回风量呈现对称的[11-12]。当Qt≠0时，采空区内部存在漏风，但在工作面与采空区二者之间存在漏风进出平衡点，此点风速最小。当风流通过工作面后部采空区的漏入、漏出区域时，在断面积一定的条件下，随着风量变化风速先降低后增大。当Qt=0时，工作面中部存在平衡点，以平衡点为分界线，风速与测点到进风口之间(即原点)的距离所形成的曲线投影到横坐标形成的面积(即风速投射面积)相等，呈现对称分布；当Qt≠0时，风速投射面积与Qt的正负有直接关系，风量大的区域风速大，风速投射面积自然就大。

用S1表示风流漏入采空区一侧的风速投射面积(单位为m2/s，[m]×[m/s]=[m2/s])，用S2表示风流漏出采空区一侧的风速投射面积，二者之差表示投射面积增加量，同时回采段风量增加值Qz用Q1与Q2的差值表示，投射面积增加量与回采段风量增加值二者具有一致性的比例关系[13-14]。如果Qz和Sz已知，那么投射面积风量权重可用公式(3)表示：

(3)

式中：Δ为漏入、漏出采空区的风量在单位风速投射面积上风量所占的百分比，%.

以投射面积风量权重Δ计算得到工作面与采空区之间的漏入、漏出风量，具体见公式(4)：

Qi=S1Δ，Q0=S2Δ

(4)

受到自然风压波动影响，进风巷风量Q1的变化，导致进入工作面的风流速度的改变，采空区漏风量也在改变。

为进一步得到工作面漏风与自然风压之间的关系，选在设备检修期间开展风速测定，因为此时利于观测操作，可更加准确进行风表读数[15-16]。选择在夏至与冬至前后3 d，从进风隅角开始每间隔2 m定点测定，以便获得相对准确的数据，具体如图5所示。同一地点的断面积测量3次，并取平均值。测定时前后5 m范围禁止职工行走，尽量保证测点较多，并且准确描述每个测点的情景，在备注中填写特殊说明，例如采煤机距离测点的距离、支架移动情况以及煤壁片帮情况等都会影响风速测定，备注之后开始修正，以增加数据的真实性。根据现场实测风速数据绘制风速分布曲线，如图6所示。

图5 18205工作面测点布置图

图6 18205工作面风速分布图

冬季：v(x)=0.000 82x2-0.27x+1.31，R2为0.96；

夏季：v(x)=0.000 83x2-0.027x+1.06，R2为0.97。

分析相关系数较大，接近于1，表明拟合效果较好。因为在数据测定、汇总处理中存在误差，把现场多次实测风速和拟合风速对比分析，得到误差区间均小于5%，表明拟合风速与实际风速基本符合。

另外，图6还体现了以工作面支架为分界线的风速与漏风分布情况，具体数据见表1。

表1 风速与漏风分布规律

3.3 分析漏风规律

分析工作面的漏风规律，发现工作面回风一侧具有较大强度的漏风，原因是8号煤上邻近层已经回采完毕，形成采空区，在开采8号煤工作面时形成了双重叠加采空区，进而产生复合采空区；复合采空区具有复杂的漏风通道，覆岩形成无数的裂隙裂缝渠道扩展到地表方向；在工作面负压通风的作用下，一部分风流运移至工作面生产区域，同时提高采空区漏风量，但因采空区面积较大，漏风量不大，说明漏风情况不是很明显。

夏季因煤炭市场需求较低，工作面推进速度缓慢，为了防止采空区遗煤自燃，采取向采空区注氮气的防灭火措施，在测定风量时，实测风量数据比实际漏出风量大；冬季因自然风压大、进风量大的原因，采空区漏入风量比夏季大，导致风流在采空区内流动速度加快，采空区流场分布面积增大。所以，在矿井实际生产期间需合理利用和控制自然风压，改变工作面进风量，减小采空区流场分布面积，防止采空区遗煤自燃。

4 结 语

1) 斜沟煤矿自然风压曲线全年处于不断变化中，自然风压在夏季最小，冬季最大。根据矿井通风系统实际条件，自然风压全年均为正，作用方向与机械风压一致，有利于矿井通风。

2) 自然风压的改变对工作面进风量产生巨大影响，矿井全年风量变化规律是先减少后增大，基本与自然风压的变化特点相一致。

3) 采用计算风速投射面积间接获得漏风量及漏风分布规律，冬季采空区漏入风量比夏季大，导致风流在采空区内流动速度加快，采空区流场分布面积增大。