深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究

高常华 孙 帅 姜明栋

（山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272400）

自然风压对矿井通风系统的影响随开采深度增加越发明显，其对矿井通风的稳定性起到关键作用[1-3]。

新河煤矿属于典型深部开采矿井，自然风压的变化容易导致瓦斯涌出异常和漏风自燃等问题[4]。本文根据实测结果，提出对自然风压进行利用和控制的措施，减少了自然风压对矿井通风系统的不利影响，一定程度上提高了矿井的生产安全性[5-6]。

1 矿井通风概况

矿井目前采用中央并列抽出式通风，矿井主要通风机为GAF23.7-11.8-1 型轴流式风机。掘进工作面采用局部通风机压入式通风，采煤工作面采用单进单回“U”型通风方式。在该通风方式下，井下采空区密闭内外压差受自然风压影响较大，随自然风压变化，各时间段压差正负起伏较大，导致密闭漏风严重，存在遗煤自燃风险。

2 深井大面积采空区漏风规律研究

2.1 测点测定压能布置

针对7312 综放面，具体测定地点是采空区沿途各密闭处。根据730 采区的采空区分布状况和井下情况，共设置3 个监测点，如图1。

图1 采空区沿途密闭内外压能测定点

2.2 各测点压能测定结果与分析

为更准确地反映出采空区内部流场规律，将所测数据进行处理，整理出代表秋冬季气候的两月内各测点压能，计算密闭内外压能差。9 月轨道顺槽密闭内外压差如图2（a），胶带顺槽密闭压差如图2（b），10 月轨道顺槽密闭内外压差如图2（c），胶带顺槽密闭内外压差如图2（d）。

图2 各测点密闭内外压能差

大气压较高（＞112.8 MPa）时，密闭内外压差为负数，有空气流入采空区内的趋势，采空区内氧气浓度高于正常值；大气压较低（＜112.8 MPa）时，密闭内外压差为正数，有采空区内气体外流的趋势，氧气浓度低，在正常值内。由此可知，采空区密闭内外压差受自然风压变化较大。

2.3 自然风压的测定及变化规律

采用间接测量法对煤矿的自然风压进行数据测量。根据实际情况，测定时间选择3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00，这样可以更好地反映自然风压在煤矿秋冬季一天中的变化。自然风压测定结果如图3。

图3 秋冬季一天中不同时段自然风压变化

根据图3 曲线变化，自然风压在3：00～9：00这一时间段先缓慢下降，当时间达到6：00，自然风压快速下降；9：00～15：00，这一时段的自然风压近似呈现线性下降趋势，并在15：00 达到最小；15：00～24：00，自然风压先快速上升，大约在19：00 之后，自然风压的上升速率逐渐下降，处于稳定上升阶段。从零时开始，新河煤矿秋冬季自然风压总体呈现先下降后上升的变化规律。

2.4 深井大面积采空区流场数值模拟研究

在数值模拟过程中，采用SIMPLE 算法求解不可压流场，能够较为精确地求解动量方程。

1）模型构建

针对7312 工作面采空区，利用ANSYS Fluent软件，构建采空区三维数值模型以及分析采空区的流场分布。

各密闭巷道处设置为压力出/入口，巷道区域的边界条件为流体，自主编译UDF 函数进行实现，空气密度选择Boussinesq 假设，选择分离式求解器对模型进行求解。湍流模型为k-ζ 模型，选择SIMPLE 算法对压力速度耦合求解，基于模型网格划分的是混合网格，离散化方法选择二阶格式。

2）模拟结果分析

如图4 为采空区内部流场数值模拟图，由图分析，风流在密闭附近的影响强度较大，在采空区深部影响强度较小。这说明，采空区前段风流速度较快，深部风流速度较小，结果表明进风巷道的风流速度大于回风侧。因此，进风侧的气体交换较为明显，由于密闭内外压差较小，风流速度在采空区内表现并不强烈。采空区后部随着距离的加深，风速逐渐减小直至为零。

3 深井大面积采空区漏风防治及自然风压利用

针对新河煤矿深井大面积采空区，采空区自燃是煤炭开采过程中的主要威胁，且由于自然风压引发的采空区呼吸现象，有利于遗煤与氧气的充分接触，因此需要对大面积采空区漏风防治及自然风压利用技术进行研究。

3.1 堵漏风技术

1）巷道喷涂封堵加固技术

对巷道漏风区域，采用SPA 泡沫型快速密闭材料进行封堵。该材料具有如下显著特点：施工方便、迅速、周期短；高分子材料具有塑性，对巷道变形有一定的适应性；隔绝了煤体和井下空气的接触，有效地防治了老空区和巷道的漏风通道。

2）保护煤柱压注高分子材料堵漏风

根据矿井煤层注水情况，注浆终压应为4 MPa，扩散半径为1.5 m 左右。实际注浆时应以煤壁裂隙冒浆为准，且单孔一次注浆量一般不能低于1.0 m3。压注时首先向水箱中加水，然后加入MAB防灭火剂。搅拌均匀后，开启注胶泵压注MAB 溶液，正常情况下以钻孔周围煤体出现挂汗为止。压注结束后，用清水清洗管道。

3.2 自然风压的控制利用

1）自然风压的控制及利用原则

① 尽量利用进排井口之间的高度差，用高度较高的井筒作为排气口；

② 降低井内空气阻力，改善自然通风，采用多个进风口和出风口，在气流向上的季节通过采空区通风；

③ 进风井必须设置水幕或喷水，以增加进排气井之间的温差。

2）基于矿井自然风压的风压—风机匹配

机械风压与自然风压相互作用匹配示意图如图5。通过对新河煤矿自然风压规律进行分析，此煤矿的矿井通风动力，主要是因为冬季期间的自然风压有效地帮助主扇工作。

图5 自然风压与机械风压的匹配示意图

新河煤矿属于受自然风压影响较大的矿井，当自然风压与主通风机共同作用时，帮助矿井通风。实际情况下，通过主扇的风量已经超过矿井要求风量，主扇特性曲线调整为Ⅳ（或比Ⅳ稍大）可以达到省电的目的。

3）基于自然风压变化的相关措施制定

① 合理选择开采方式和通风方式

瓦斯涌出量大以及工作面自然发火期长的区域，上行通风或俯采是最优选择。自然发火期短，瓦斯涌出量小的区域，采煤工作面采用仰采的方式。

② 自然风压反向风流的控制

在自然风压重点影响区域井巷中安设硐室型空气幕。当自然风流出现反向时，可在巷道内安装硐室型空气幕，引射风流，改变风流方向。

开采过程中，及时关闭矿井上部中段的采空区和废弃旧巷道，避免大量自然风流通过采空区和废旧巷道漏入井下，影响风机通风效果和下部污风的排出。

③ 合理安排矿井反风演习

此外，每年在不同季节和不同月份进行反风演习，并按照有关规定进行。这样可以评估自然风压在不同季节对矿井反风能力的效果。

4 结论

通过对新河煤矿实测以及数值模拟，对采空区内部流场规律和深部矿井自然风压的变化规律进行了分析，研究过程中得出以下结论：

1）大气压力较低时，密闭内外呈负压，大气压力较高时，密闭内外呈正压，自然风压的变化导致压能和密闭内外压能差的变化，表明自然风压的确对采空区内部流场规律造成影响。

2）数值模拟结果与所分析的规律接近，在进风巷道处风流速度大，其所影响的采空区范围要比回风侧所影响的采空区范围大，采空区前端风流运动较为剧烈。

3）针对煤矿实际情况，制定了选择开采方式和通风方式、基于矿井自然风压的风压—风机匹配、自然风压反向风流的控制、合理安排矿井反风演习等相关措施。