“Y“型和“U”型通風采空區數值模擬分析

馬文斌

(西山煤電集團 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

采用“U”型通風方式經常會造成工作面或上隅角瓦斯超限，隨著切頂成巷無煤柱開采技術的不斷發展成熟，“Y”型通風系統也得到了發展。相對“U”型通風，“Y”型通風方式下采空區漏風發生變化，造成采空區流場改變，而且增大采空區漏風量，使采空區內氧濃度更高，影響范圍也更大，增加了采空區自然發火的危險性。因此，對兩種通風方式下的采空區自燃三帶的研究為采空區遺煤自然發火提供了基礎，也為礦井的高效生產提供了指導[1].

1 采空區物理模型的建立

1.1 工作面概況

某礦62711工作面開采2#煤，為不易自燃煤層。走向長1 642 m，傾向長210 m，平均采高1.9 m，采用無煤柱開采技術，通風系統采用“Y”型通風方式，即皮帶巷進風1 002 m3/min(1.43 m/s)，軌道巷進風420 m3/min(0.60 m/s)，沿空留巷回風，針對62711工作面的實際情況，對62711物理模型設置參數，見表1.

1.2 模擬參數及條件

采用FLUENT數值模擬軟件對62711工作面采空區的實際情況進行數值模擬，同時假設該工作面為“U”型通風方式(即皮帶巷進風，軌道巷回風)，也對其進行了數值模擬。兩種通風方式下的進風量相同。為了方便分析數據，將采空區各邊界分別命名為Γ1～Γ4，并在模型內z=0 m截面上設置若干監測點，其中Rx1～Rx3監測點組沿采空區走向等距排列，Ry0～Ry3監測點組沿采空區傾向等距排列，具體布置見圖1.

表1 工作面物理模型表

圖1 采空區監測點布置圖

1.3 物理模型的建立

結合62711工作面實際情況以及采空區頂板冒落的特點，構建物理模型，見圖2，圖3.

圖2 “Y”型通風物理模型圖

圖3 “U”型通風物理模型圖

2 采空區氣體氧濃度分布特征分析

兩種通風方式下采空區氧氣濃度分布情況對比見圖4，圖5. 由圖4，5可以看出，“Y”型通風方式下采空區氧氣濃度較高，尤其在Γ3側工作面后0～50 m，且沿傾向覆蓋了整個工作面長度，對比而言，“U”型通風則只從工作面中部覆蓋到進風隅角(80～220 m)，且在進風隅角附近形成氧氣濃度較高的三角區域。“Y”型通風方式下采空區氧氣濃度分布特征為沿走向在Γ1側分布窄而在Γ2側分布寬，在Γ2側最遠能延伸至250 m，這是因為皮帶巷和軌道巷進風量的不均衡導致的，皮帶巷作為工作面主要進風巷，風量大，向采空區的漏風多，漏風速率較大，氧氣分布廣。漏風主要集中在工作面后方0～50 m，漏風沿傾向漏入沿空留巷，因此在沿空留巷側(Γ1側)新風帶入采空區的大部分氧氣集中在該范圍內。

圖4 “U”型通風采空區氧氣體積分數分布圖

圖5 “Y”型通風采空區氧氣體積分數分布圖

3 采空區自燃“三帶”分布特征

兩種通風方式按氧濃度劃分出的自燃“三帶”結果見圖6，圖7. 從圖6，7可以看出，“U”型通風采空區自燃帶在Γ2側分布最廣，最大寬度為142 m，其范圍沿工作面向Γ1側逐漸縮小。“Y”型通風采空區自燃帶范圍遠大于“U”型，但離工作面較遠，在Γ2側最廣，從138～357 m，寬度為219 m，在Γ1側寬度最窄為70 m，范圍為30～100 m. 相比較而言，“Y”型通風自燃帶分布廣，寬度大，最大寬度比“U”型寬77 m.

圖6 “U”型通風下氧濃度分布圖

圖7 “Y”型通風下氧濃度分布圖

兩種通風方式按風速劃分出的自燃三帶結果見圖8，圖9. 兩種通風方式下采空區自燃帶形狀都是兩頭寬中間窄，“Y”型通風自燃帶寬度大于“U”型，其與工作面距離分布不均勻，在Γ1側最近。“Y”型通風自燃帶在Γ1和Γ2兩側最寬，為202 m，比“U”型通風自燃帶最大寬度的180 m寬22 m，在采空區中部最窄，為60 m，比“U”通風寬25 m. 可見，在風速條件下劃分的自燃帶范圍差距較小。

圖8 “U”型通風下風速云圖

圖9 “Y”型通風下風速云圖

按復合標準劃分出的自燃危險區域結果見圖10，圖11. 從圖10，11可以看出，按復合標準劃分出的自燃危險區域范圍比其他兩種方法都大，這是氧濃度和風速劃分指標取交集的結果，該劃分方法更能反映出采空區自燃危險性，為防火工作面提供更加有力的參考依據。“U”型通風方式下，采空區自燃危險區域主要集中在進風隅角附近的采空區，而“Y”型通風則分布較廣，自燃帶在皮帶巷側深入采空區深部。

圖10 “U”型通風下復合判據劃分圖

圖11 “Y”型通風下復合判據劃分圖

采空區自燃帶位置及寬度對比見表2. 從表2分析可知，“Y”型通風下采空區自燃危險區域在Γ2側分布為68～320 m，而在Γ1側100 m位置處寬度降至0 m，這是由沿空留巷附近風速較大引起的。對比“U”型通風，“Y”型通風自燃危險區域最大寬度增大171 m，與工作面距離平均增加40 m，因此，切頂留巷技術給采空區防滅火工作面帶來了壓力，必須采取相應的采空區防滅火措施對采空區煤自燃災害進行預防。

表2 采空區自燃帶位置及寬度對比表

4 結 論

分別對“U”型和“Y”型通風系統下的采空區漏風、自燃三帶進行數值模擬分析，結果表明：在相同的進風情況下，Y型通風方式比U型通風方式下的自燃帶最大寬度增大了171 m，與工作面的距離平均增加40 m，因此必須減少“Y”型通風系統下的采空區漏風，降低遺煤自燃的條件，保證工作面的安全生產。