基于數值模擬的高瓦斯易自燃綜放面合理風量確定方法

葉正亮

（中煤科工集團重慶研究院，重慶市沙坪壩區，400037）

以往高瓦斯工作面進行通風量考察，特別是對滿足自燃防治要求的風量上限的考察都是在調風后根據自燃標志氣體的變化來判斷工作面風量對自燃是否有負面影響，這種方法比較直接，但是往往需要多次調風，一步一步地尋找合適的風量，有一定的滯后性，采空區往往有了自燃征兆后才想起需要再次調風。傳統的工作面配風方法只從產量、人員、設備、溫度、瓦斯絕對涌出量以及風速驗證等角度出發，具有一定的局限性。傳統的工作面風量計算方法難以適應這種新的要求，必須通過相應的理論研究，從協調瓦斯排放與自燃矛盾的角度出發，尋找一種新的方法來緩和這種相互制約。

1 高瓦斯易自燃綜放面風量影響因素分析

對于U型通風的工作面，采空區漏風主要來源于工作面通風，工作面風量的變化必然導致采空區漏風風流的變化，影響采空區的瓦斯和氧氣濃度分布。由于綜放開采的特點，綜放工作面瓦斯絕對涌出量一般都比較大，為了緩解瓦斯超限的壓力，目前綜放工作面風量大多在2000 m3／min以上，部分工作面正常回采時工作面風量高達4000 m3／min；工作面通風量的提高又會使采空區自燃帶范圍擴大，增大了采空區自然發火的危險性。因此，采空區瓦斯涌出和對遺煤自燃的控制要求是高瓦斯易自燃綜放面合理風量確定的主要因素。

1.1 采空區瓦斯涌出與工作面風量關系

在不考慮放煤時瓦斯大量涌出的情況下，工作面風量越小，工作面風排瓦斯的能力越弱；而提高風量，采空區內漏風增加，抑制了采空區內瓦斯涌出，工作面邊界上的瓦斯濃度分布和采空區上隅角的瓦斯濃度降低間接地減小了工作面瓦斯超限的幾率。但是采空區實際情況復雜多變，工作面通風量并不是決定采空區瓦斯涌出量大小的唯一因素，落煤量和時刻在改變的瓦斯涌出強度也是影響采空區瓦斯涌出量的重要因素。工作面瓦斯涌出的不平衡決定了在高瓦斯煤層實際開采過程中通過增加工作面風量風排瓦斯是有限度的，不斷地增加工作面通風量并不能徹底解決工作面瓦斯超限問題。

現場一般按照煤層瓦斯絕對涌出量計算工作面滿足風排瓦斯要求的風量Q1計算：

式中：Q1——工作面滿足風排瓦斯需求風量，m3／min；

QCH4——工作面瓦斯涌出量，m3／min；

K——采煤工作面瓦斯涌出不均衡系數。

1.2 采空區煤自燃與工作面風量關系

采空區遺煤自燃主要原因是由于采空區漏風提供了煤自燃的基本條件。采空區漏風影響著采空區氧濃度的分布，采空區氧濃度分布決定了采空區自燃帶的寬度，而工作面通風量和采空區漏風存在一定的關系，因此通過研究工作面通風量與采空區自燃帶寬度關系就找出了采空區煤自燃與工作面風量的關系。

采空區自燃帶寬度是采空區自燃危險性的外在體現的主要數據，一般認為氧濃度C＜8%為窒息帶，因此取氧濃度C≥8%為自燃帶的最大寬度。由于采空區環境復雜，不可能隨時改變工作面通風量參數來現場觀測采空區自燃帶的寬度，在這里借助數值模擬的手段來研究不同工作面風量情況下的自燃帶最大寬度。建立采空區的3D物理模型如圖1所示，采空區走向長度方向為x方向，工作面長度方向為y方向，與采空區走向和工作面方向垂直方向為z方向，風流從進風側流入工作面和采空區，在工作面回風側流出；采空區兩端的壓差等于工作面的通風阻力；采空區的其他3個邊界設定為固壁；采空區孔隙率在距離工作面小于100 m時隨距離變化符合近似矩形的橢拋線規律，大于100 m時其孔隙率不再隨距離而變化，保持恒定值。

選取郭家河煤礦1301工作面為試驗工作面，該工作面地質構造簡單，平均煤厚為10.9 m，工作面傾向長度240 m，傾向長壁布置，后退式放頂煤開采，全部陷落法管理頂板。煤層自燃傾向性為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。設置模擬U型通風方式，工作面風量2700 m3／min；工作面兩端風壓差50～100 Pa；平均推進度2 m／d，已推進200 m，后100 m壓實；工作面風流為紊流，采空區風流為層流；瓦斯涌出量13～30 m3／min，采用4個高位鉆孔抽放，總流量90 m3／min。

圖1 綜放面采空區3D物理模型

通過FLUENT軟件數值模擬計算得到無抽放回采時1301工作面采空區氧濃度分布如圖2所示，圖為y＝10 m，y＝115 m，y＝230 m采空區進、中、回側截面圖，其中y＝10 m處截面的氧化帶寬度為最大自燃帶寬度。

圖2 FLUENT模擬無抽放時1301采空區漏風氧濃度分布

通過改變圖1數學模型中工作面風量參數得到1301工作面無抽放回采時通風量與最大自燃帶之間關系模擬結果如圖3所示。

圖3 不同工作面風量下最大自燃帶寬度數值模擬結果

對模擬試驗結果進行回歸分析，得到在正常回采時1301工作面通風量Q2與最大自燃帶寬度L符合以下的回歸方程（2），回歸相關系數為0.997。

式中：L——最大自燃帶寬度，m；

Q2——正常回采時1301工作面通風量，m3／min。

通過對不同工作面風量情況下采空區自燃 “三帶”數值模擬結果進行回歸擬合，得到工作面風量與最大自燃帶寬度近似符合對數關系，如式（3）所示：

式中：L——采空區最大自燃帶寬度（高瓦斯工作面一般為進風側自燃帶寬度），m；

Q2——滿足自燃防治要求的工作面通風量，m3／min；

A、B——回歸系數。

同時按照自然發火安全的要求，合理的自燃帶寬度應滿足式（4）：

式中：Tmin——煤最短自然發火期，d；

ˉv——工作面平均推進速度，m／d。

將式（4）代入式（3），即得到工作面風量上限值的確定公式（5），反映了煤炭自燃對工作面風量的控風要求。

1.3 工作面合理通風量范圍的確定

按排放瓦斯要求和工作面生產所需供風確定風量下限，從防止采空區自然發火的角度確定風量的上限，即工作面合理通風量Q取值范圍：

式中：Q——工作面合理通風量，m3／min；

Q1——按排放瓦斯要求和工作面生產所需供風確定風量，m3／min；

Q2——從防止采空區自然發火的角度確定的風量，m3／min。

為了評價合理風量范圍的安全性問題，這里引入李宗翔教授的風量極差的概念：

式中：R——合理風量極差值，m3／min。

若R＞0時，工作面風量確定與調整有可選區間，R值越大，安全條件越好；若R≤0時，無可選區間，說明單純以調整通風量的方法在控制瓦斯涌出與防止自然發火之間不能夠協調一致進行，此時必須采取必要的技術措施，如向采空區注氮或提高工作面推進速度來提高Q2值，或者采取如瓦斯抽放等治理措施來減小工作面的瓦斯涌出量，達到降低Q1值的目的。

通過計算，1301工作面在正常回采且平均推進速度3 m／d情況下，風量可調范圍在4020～4365 m3／min之間，極差R為345 m3／min，此時工作面風量滿足排放瓦斯的要求，也有一定的風量調節范圍滿足自然發火防治要求。

2 瓦斯抽放時綜放面風量范圍確定

2.1 抽放對合理風量上下限的影響

當工作面采取了瓦斯抽放措施后，合理風量上下限調節范圍就有所變化。這是由于瓦斯抽放措施會降低工作面的瓦斯涌出量，減小工作面風排瓦斯的壓力，從而使風量調節下限降低；同時抽放措施的實施又會增加采空區的最大自燃帶寬度，從而也降低了風量調節的上限。

1301工作面高位抽放鉆孔位于采空區回風側，4個鉆孔間距20 m，伸入采空區30 m，距底板高度30 m，處于散熱帶中。

通過FLUENT軟件數值模擬計算得到高位鉆孔抽放條件流量90 m3／min情況下，1301工作面采空區氧濃度分布如圖4所示，圖為y＝220 m，200 m，180 m，160 m抽放鉆孔截面圖，從圖4中可以讀出采空區在一定抽放流量條件下最大自燃帶的范圍變化。

圖4 FLUENT模擬高位鉆孔抽放時1301采空區漏風氧濃度場分布

通過改變圖4數學模型中工作面風量參數得到1301工作面在高位鉆孔抽放條件下回采時通風量與最大自燃帶之間關系模擬結果，如圖5所示。

圖5 高位鉆孔抽放條件下不同工作面風量時最大自燃帶寬度數值模擬結果

對模擬試驗結果進行回歸分析，得到高位鉆孔抽放條件下1301工作面通風量Q與最大自燃帶L符合以下的回歸方程，回歸相關系數為0.997。

可以解出：

由于采取了高位鉆孔瓦斯抽放措施，1301工作面瓦斯涌出量降至24 m3／min，由式（1）得出Q1＝2880 m3／min；按照高位鉆孔抽放下的自燃防治要求計算Q2值，由式（9）得Q2＝3660 m3／min。

通過計算，1301工作面在采取高位鉆孔瓦斯抽放條件下（抽放流量90 m3／min）且平均推進速度3 m／d情況下，風量可調范圍在2880～3660 m3／min，極差R為780 m3／min，此時工作面風量滿足排放瓦斯的要求，也有一定的風量調節范圍滿足自然發火防治要求。

2.2 工作面推進速度與工作面風量的合理關系

式中：Vmin——工作面極限推進速度，m／d；

Q＊——工作面合理風量極限值，Q＊＝Q2＝Q1。

通過式（10）代入不同的推進速度分別計算得到1301工作面在無抽放和高位鉆孔瓦斯抽放情況下工作面推進速度與工作面合理控風上限關系，如圖6和圖7所示。

采空區自燃 “三帶”的相對位置是隨時間變化的，在空間上是向工作面方向移動的。工作面通風量和采空區最大自燃帶寬度密切相關，而最大自燃帶寬度又決定著工作面極限推進速度。將式（9）變形可以得到：

圖6 無抽放情況下不同推進速度對工作面控風要求

根據圖6可以得到當ˉv＝2.76 m／d時，Q2＝Q1＝4020 m3／min，說明在工作面沒有采取任何瓦斯治理措施的情況下，工作面推進速度必須保持在2.76 m／d以上，工作面風量確定才有可調范圍，兼顧瓦斯排放與自然防治的要求。

根據圖7可以得到當ˉv＝2.32 m／d時，Q2＝Q1＝2880 m3／min，說明工作面采取了高位鉆孔瓦斯抽放治理措施的情況下，工作面推進速度必須保持在2.32 m／d以上，工作面風量確定才有可調范圍，兼顧瓦斯排放與自然防治的要求。

圖7 高位鉆孔抽放條件下不同推進速度對工作面控風要求

2.3 模擬計算結果在現場調風中的應用

通過前文分析知道通過調整工作面通風量可以協調瓦斯排放和自燃防治要求。在一定程度上，推進速度決定了工作面的合理供風上限。根據模擬計算結果和工作面實際推進速度進行了對比分析，見表1。

從表1可以看出，1301工作面在回采初期推進速度相對較低，風量配備稍微偏高，所以在前期出現CO濃度上升現象，但是隨著工作面穩定推進，風量配備基本合理，再加上各種有效措施的采取，工作面回風流中CO濃度趨于穩定，總體看來，1301工作面的平均推進速度和風量配備有利于將自燃帶迅速甩入窒息帶，為防止采空區浮煤自燃提供了有利的條件。

表1 工作面實際推進速度下模擬計算合理風量與實際風量對比表

2.4 瓦斯抽放時綜放面合理風量范圍分析

通過模擬計算知道，在確定合理調風范圍的同時必須考慮瓦斯抽放對風量上下限的共同影響。這是由于瓦斯抽放雖然對自燃有負面影響，增加了自燃帶范圍，但同時也解決了一定瓦斯問題，降低了最小風量的要求，而風量降低同時又縮短了自燃帶的長度，在這個過程中要看哪個因素影響自燃帶的作用更大。

同時，高瓦斯工作面極限推進速度確定必須考慮瓦斯抽放和縮小風量哪個因素對采空區自燃帶的影響更大。通過模擬計算結果可以看到，在同等風量條件下，由于高位鉆孔瓦斯抽放使自燃帶范圍擴大，對工作面推進度提出了更高的要求，但是通過適當調風措施，又可以減小瓦斯抽放對采空區自燃帶的負面影響，使工作面極限推進速度降低。可以根據推進速度來確定滿足自燃防治要求風量的理論上限，也可以根據工作面風量來確定極限推進速度，對現場調風和確定工作面推進速度具有一定指導意義。

3 結論

（1）對高瓦斯易自燃煤層開采時工作面風量合理范圍進行了討論。以滿足風排瓦斯要求的風量為下限，以一定推進速度內采空區不發火的風量作為上限，并引入風量范圍極差（R）的概念來評價合理范圍的安全性。其中，下限風量主要和工作面實際瓦斯涌出量相關，上限風量與工作面實際推進速度有關，當采取措施降低工作面瓦斯涌出或增加工作面推進速度，風量極差越大，安全情況越好。在采取瓦斯抽放措施時必須考慮其對風量上下限同時產生影響。

（2）對高瓦斯工作面極限推進速度公式進行了推導。工作面通風量和采空區自燃帶寬度密切相關，而自燃帶寬度又決定著工作面最小推進速度。工作面極限推進速度確定必須考慮瓦斯抽放和縮小風量哪個因素對采空區自燃帶的影響更大。當R＝0時，此時算出的工作面風量值剛好可以滿足瓦斯排放和自燃防治要求，為合理風量的極限值，此時對應的工作面推進速度即為極限推進速度。

（3）通過對1301工作面模擬計算結果和工作面實際推進速度進行對比分析，數值模擬計算分析的結果可以給現場及時合理的調風帶來一定的指導意義。在實際工作中，應該根據不同時期瓦斯涌出強度和推進速度合理調風協調瓦斯和自燃兩種災害防治要求，為瓦斯和自燃綜合防治創造良好的條件。

［1］張國樞，戴廣龍.煤炭自燃理論與防治實踐 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2002

［2］葉正亮.雙指標劃分采空區自燃 “三帶”的數值模擬 ［J］.煤礦安全，2012（3）

［3］葉正亮.高位鉆孔瓦斯抽放采空區自燃 “三帶”的數值模擬 ［J］.中國煤炭，2012（7）

［4］李宗翔.高瓦斯易自燃采空區瓦斯與自燃耦合研究［D］.遼寧工程技術大學，2007