綜采面鄰空煤柱漏風微循環現象研究

朱帥虎，王金寶

(1.冀中能源集團 峰峰集團梧桐莊礦，河北 邯鄲 056500；2.冀中能源集團 峰峰集團通防部，河北 邯鄲 056500)

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綜采面鄰空煤柱漏風微循環現象研究

朱帥虎1，王金寶2

(1.冀中能源集團 峰峰集團梧桐莊礦，河北 邯鄲 056500；2.冀中能源集團 峰峰集團通防部，河北 邯鄲 056500)

針對綜采面“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風微循環現象，利用MATLAB中的PDE工具進行二維非線性滲流的數值模擬，同時分析研究漏風微循環現象形成的原因，以及漏風微循環對煤炭自燃的影響。研究表明，“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風微循環可以導致采空區內相對壓力和氣體成分的周期性變化，即“采空區喘息”現象。

鄰空煤柱；漏風微循環；采空區喘息；防滅火

采空區是煤炭自燃的重要易發地點。綜采面與相鄰采空區間的煤柱受采動應力的作用而被壓酥破碎時，在采場漏風風壓的作用下，一部分風流就會由綜采面后部采空區經破碎煤柱漏入相鄰已采空區內，這種發生在“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風現象通常被稱為漏風微循環。李宗翔等[1]研究得出了煤柱內漏風流態和氧濃度分布的動態變化過程。郭興明等[2]通過研究得出巷道松散煤體內的漏風流態為層流，其漏風動力主要由風流沿巷道的壓力降、巷道煤柱兩側的壓力差、熱力風壓、巷道起伏引起的動壓差和巷道風流的位壓差構成。朱紅青等[3]分析了巷道煤柱自燃的特點，并采用數值模擬研究了巷道煤柱自然火災火源點及區域溫度場分布。上述研究成果雖然得出了煤柱內漏風流態及其對煤體自燃的影響，但并未將采場、鄰空煤柱及采空區作為一個整體進行漏風微循環的研究。本文結合梧桐莊礦綜采面的生產實際，利用MATLAB中的PDE工具對發生“采場-鄰空煤柱-采空區”之間的漏風微循環現象進行了二維非線性滲流的數值模擬，同時研究分析了漏風微循環現象形成的原因以及漏風微循環對煤炭自燃的影響。

1　梧桐莊礦182401綜采面概況

梧桐莊礦于2003年10月投產，礦井原設計生產能力1.2mt/a，經過2005年擴建后，礦井生產能力為2.1mt/a。其中可采煤層為2#層煤，平均厚度3.18 m。礦井在井下四采區布置有182401采面。該采面回采結束后，梧桐莊礦又在182401已采空區附近布置了182403鄰空綜采面。兩區域以6.2m寬的順槽煤柱相間隔。

182403工作面回采期間，一部分漏風風流會由綜采面運輸順槽、綜采面后部采空區，經壓酥的鄰空煤柱進入182401已采空區，形成“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風微循環，如圖1所示。

2　漏風微循環數值模型的建立

漏風流在破碎煤柱內的流動可以視為氣體在多空隙介質中的穩定滲流流動，可以用多空隙介質流體力學的理論來進行鄰空煤柱漏風微循環風流結構的研究。對于流速較低的漏風流來說，“采場-鄰空煤柱-采空區”間砕煤多空介質的漏風風流可認為服從達西定律；而綜采面順槽內部風流速度較大，應為紊流流動，考慮到漏風壓力與遺煤氧化升溫引起的熱風壓作用，“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風流場可以用Bachmat[1]提出的非線性滲流方程來描述：

(1)

(2)

式中，p為風流壓力；E為多孔介質滲透率張量，m2；n為方向向量；g為重力加速度，9.81m/s2；V為風流滲流速度，m/s；n為孔隙率；d為平均調和粒徑；v為運動粘性系數，對采空區風流，取14.6×10-6m2/s；β為介質顆粒形狀系數；e為多孔介質標量滲透率，m2。

當水平方向的風速與層面漏風相對很小，把層面漏風簡化為有限個源(或匯)后，將“采場-鄰空煤柱-采空區”風流運動視為二維平面滲流[2-4]。則公式(2)可改寫為：

(3)

或者：

(4)

公式(4)中，第一個方程兩邊對y求偏導數，第二個方程兩邊對x求偏導數后再相減，得：

(5)

對于二維平面不可壓縮滲流，其流量應該守恒，因此滿足方程：

(6)

引入流函數ψ，有：

(7)

將公式(7)代入公式(5)，得：

(8)

(9)

公式(9)即為二維平面非線性滲流流函數微分方程。

采用有限元解法求解上述方程即可得到各點處的流函數ψ值，把ψ值相同的點用光滑的曲線連接起來，就得到漏風風流的流線。

3　漏風微循環數值模擬分析

MATLAB中的偏微分方程工具箱(PDEToolbox)為研究和求解空間二維偏微分方程問題提供了一個強大而靈活的環境[5]。此處即采用PDE求解該二維平面非線性滲流問題。

分析可知，公式(9)為非線性橢圓型方程：

(10)

其中，a(ψ)、f(ψ)=0。求解時選擇非線性求解器求解。

兩類邊界條件設置：Dirichlet條件，hψ=r；Neumann條件，n·(c(ψ)ψ)+9ψ=g。

3.1計算區域創建及網格劃分

根據實際漏風情況，將計算區域劃分為182403綜采面后部采空區，煤柱和已采空區三部分。在PDE中以角點方式或中心方式繪制三個矩形區域，如圖2所示。

其中，R1為182403綜采面后部采空區，R2為間隔煤柱，R3為182401已采空區。

對計算區域進行三角形剖分，如圖3所示。

3.2數值模擬結果

選擇非線性求解器求解，繪制流函數等值線。模擬結果如圖4所示。

圖中黑色曲線即為流函數等值線，也就是流線。流線清晰得顯示了漏風微循環的漏風流場中風流的分布情況。

4　漏風微循環產生的原因及其對煤炭自燃的影響

4.1漏風微循環形成的原因

鄰空綜采面與已采空區間的煤柱在鄰空面回采過程中，受采動應力影響遭到破壞，部分地段已被壓酥，在綜采面運輸順槽與已采空區之間形成了漏風通道，通過該通道產生持續的漏風作用，形成了漏風微循環現象。

生產綜采面通風系統壓力分布的波動作用：礦井提升設備占據部分井筒空間，由于粘性以及氣流對井巷壁面和提升設備表面的摩擦作用，使得被排開的空氣不能像在空曠的地方那樣及時順暢地沿提升設備周圍流動，礦井提升設備的頻繁升降運動使井筒內產生較大的活塞風流和瞬態變化的井巷壓力，引發相應的空氣動力學效應，從而導致通風系統風壓和風流的頻繁變化，造成風流的脈動。

季節性大氣壓力波動對礦井通風系統絕對靜壓的影響：冬季氣壓要比夏季氣壓高，大氣壓力降低時，采空區內氣體壓力相對增高，體積膨脹，采空區內氣體就會通過鄰空煤柱裂隙漏入綜采面;反之，風流則通過漏風通道進入采空區。

4.2漏風微循環對煤炭自燃的影響

(1)采空區漏風

鄰空煤柱遭到破壞后，生產面后部采空區、鄰空順槽煤柱及鄰近已采空區三者之間形成了連通漏風通路，呈現出極為復雜的漏風網絡。綜采面運輸順槽內的新鮮風流進入采空區為遺煤氧化供氧，促進氧化過程的發展，當漏風條件適宜、蓄熱達到自燃的程度時就可能引發遺煤自燃發火。在綜采面的生產過程中，采場風流經過后部采空區、鄰空壓酥煤柱向鄰近已采空區內部的漏風相當嚴重，當該區域與綜采面后部采空區“三帶”連通時，會給采空區漏風管理和控制造成很大困難。

(2)采空區喘息現象

“采場后部采空區-鄰空煤柱-已采空區”內部受地表大氣壓、主扇不穩定運行、遺煤氧化熱壓及漏風微循環的影響，內部漏風總量、相對壓力和氣體成分則會出現一種近似于周期性變化的喘息現象，稱為“采空區喘息現象”。

梧桐莊礦在生產過程中通過現場監測，獲得了182401工作面采空區發生“采空區喘息現象”時的監測數據，如表1和圖5所示。

采空區出現這種“喘息現象”的原因主要有：采空區有自燃傾向性的遺煤與漏風流中的O2發生氧化反應后溫度升高，致使空氣密度減小、體積膨脹，促使采空區氣壓向壓力增大的正壓方向發展[6]，當采空區空氣壓力大于巷道內通風壓力時，采空區氣體便向井巷中外漏，即“呼氣”；另一方面，隨著采空區丟煤氧化過程的繼續，O2濃度迅速減少，當采空區漏風風量不能滿足采空區丟煤氧化所需的O2含量時，氧化過程停止，溫度下降，壓力下降，采空區氣壓向負壓狀態變化，最終低于井巷通風壓力，巷道內空氣通過漏風風道向采空區緩慢漏入，即“吸氣”，從而使采空區O2濃度升高，丟煤又開始新的氧化過程，即出現新的丟煤氧化周期。如此周期性的變化，就像人在呼吸一樣，故稱為“采空區喘息現象”；另外，當地表大氣壓力發生周期性變化，以及主扇不穩定運行的時候，也會

表1　182401采空區2～3月份相對壓力變化情況(-表示采空區出氣，+表示進氣)

造成“采空區喘息現象”的發生。

為防止發生“采空區喘息現象”，必須做好堵漏風與采場均壓調控方面的技術工作，從根本上防止因“采空區喘息”而引發的遺煤自燃發火現象。

5　結論

鄰空煤柱受采動應力影響遭到破壞，在綜采面和采空區之間形成了漏風通道。部分風流由綜采面經破碎煤柱進入采空區，形成了“采場-鄰空煤柱-采空區”間的漏風微循環。漏風微循環會引起“采空區喘息”現象并加劇遺煤自燃，給采空區漏風管理和防滅火工作帶來很大困難。

[1]JACOB BEAR.Dynamics of fluids in porous media[M].American：Elsevier Publishing Company，1972.

[2]丁廣驤，邸志乾.二維采空區非線性滲流流函數方程及有限元解法[J].煤炭學報，1993，18(2)：19-25.

[3]李宗翔.采空區遺煤自燃過程及其規律的數值模擬研究[J].中國安全科學學報，2005，15(6)：15-19.

[4]劉星魁，杜學勝，趙新濤.沿空側煤柱耗氧-升溫的三維數值模擬[J].遼寧工程技術大學學報，2014，33(9)：1206-1211.

[5]陸君安，尚 濤，謝 進，等.偏微分方程的MATLAB解法[M].武漢：武漢大學出版社，2001.

[6]張國樞.通風安全學[M].北京：中國礦業大學出版社，2011.

(責任編輯王利君)

Research on air leakage micro-circulation in coal pillar near goaf for comprehensive mechanical mining face

ZHU Shuai-hu1,WANG Jin-bao2

(1.Wutongzhuang Coal Mine, Jizhong Energy Fengfeng Group Co.Ltd, Hebei Handan, 056500, China;2.The Department of Ventilation and Fire Prevention, Jizhong Energy Fengfeng Group Co.Ltd., Hebei Handan, 056500, China)

As a two dimensional nonlinear transfusion model, the “stope-neighboring pillars-goaf” micro-circulation phenomenon was numerically simulated with PDE tools in MATLAB. The formation of the phenomenon and its influence on coal spontaneous combustion was also studied. The results show that the “stope-neighboring pillars-goaf” micro-circulation causes the periodic variation of relative pressure and gas composition in mining face goaf, which is called “goaf gasp”. The research gives a theoretical significance for large-area fire prevention and extinguishing.

neighboring pillar, air leakage micro-circulation, goaf gasp, fire prevention and extinguishing

2016-04-15

國家自然科學基金資助項目(51074168)

朱帥虎(1986-)，男，山東泰安人，博士，安全工程師，從事通風與安全方面的研究。

1673-9469(2016)03-0085-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.018

TD713

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