斜溝礦U型通風工作面采空區漏風影響因素研究

高巖

摘 要：本文針對斜溝礦U型通風工作面采空區漏風現象展開研究，詳細解釋了U型通風工作面采空區擴散流動區域和微流動區域的特征及影響因素，同時，借助Surfer8.0軟件中的空間插值法將大量離散型數據進行插值法計算，使得數據在空間上具有相關性，隨后進行建模處理，得到采空區漏風主要分為上隅角漏風區、下隅角漏風區和支架后漏風區三個區，下隅角漏風和支架后漏風對生產影響較小，上隅角漏風造成的煤體自燃會嚴重影響工作面的正常生產。

關鍵詞：U型通風工作面;漏風;因素研究

目前，因為U型通風工作面采空區漏風引起的煤炭自燃造成生產的停滯的事故屢屢發生，針對此現象，國內許多學者已有研究，朱紅青等利用FLUENT軟件研究了漏風引起的煤自燃耗氧及升溫規律，得到煤柱完整的情況下，因為頂煤氧氣濃度充足，煤有自燃傾向，改變漏風強度后，可以散熱作用下降，煤的自燃傾向也降低[1]，李宗翔等基于滲流方程和氣體擴散方程建立了氣體移動彌散數值模型，模擬結果顯示抽放流量后，采空區的氣體涌出量呈現負指數趨勢，同時給出抽放流量的表達式[2]。本文結合已有學者的研究，基于Surfer8.0軟件中的算法，對斜溝礦采空區漏風進行了模擬，并對漏風區進行了詳細的劃分，試驗結果可供后續研究參考。

1 工作面采空區流動特征及影響因素

工作面采空區漏風是遺煤自燃以瓦斯突出的主要原因之一，針對采空區瓦斯含量高的現象，利用高抽巷對采空區瓦斯進行高效的抽采，高壓力雖然解決了瓦斯含量高的現象，但是高負壓造成的巨大壓力差也致使漏風量的增加，漏風量的增加間接的為遺煤自燃提供了充足的氧氣環境。目前，工作面通風U型通風占據主流，因此，對于U型通風方式下工作面各區域的流動特征及影響因素的研究就顯得非常必要。

通風工作面采空區流動區域的劃分如圖1所示，在高壓力的作用下，風流首先經過工作面，因為工作面距離通風設備近且通風阻力小，因此工作面區域內的風速最大，此區域稱為擴散流動區;因為采空區頂板的及時垮落，采空區通風工作阻力大，風量經過長距離的運動，能量有所減少，因此采空區域內的風量能量低，此區域為微流動區。擴散流動區內的風量主要受到進風巷的壓力以及采空區是否壓密因素的影響，進風巷壓力越大，對應工作面的風量也會增加，如若采空區密實，風量損失率下降，流過回風巷道的風量降低;微流動區域主要受到工作面壓力差的影響，因為通風效果的不穩定性，造成工作面通風壓力的差異，因此采空區出現微流動，氣體微流動可用方程1表示：

p1、p 2為氣體在A、B兩點的靜壓，單位為Pa;v1、v2為氣體在A、B兩點的流動速度，單位m/s;Z1、Z2為氣體在A、B兩點的位能，單位m;ρ為氣體的密度，單位kg/m3;h1-2為A、B兩點之間的壓頭損失，單位m;從式中可以看出，當A、B兩點的靜壓發生變化時，便會產生微流動區，微流動區的風量部分流向采空區，部分流向工作面。

采空區氣體的微流動受到工作面、采空區溫度差、濃度差的影響，當頂板垮落后，采空區會有部分煤遺落在采空區，在長時間的氧化作用下，煤體周圍空氣出現熱膨脹現象，從而導致氣體出現微流動現象，可用方程2表示氣體密度變化：

式中，ρ為氣體密度，單位kg/m3;氣體壓力用p表示，單位Pa;M 為氣體分子量;R 為氣體常數，J/（kg·K）;T 為氣體熱力學溫度，K;濃度差引起的氣體微流動主要受到采空區漏風的影響，漏風造成氣體形成濃度差，濃度高的氣體會自動流向濃度低的區域，微流動區域因此形成，當漏風量非常大時，微流動區域內氣體流速會隨之增加，流動區域也會增大。

2 工作面采空區相似模擬分析

為了進一步得到工作面采空區漏風的具體分布情況，對采空區進行了相似模擬，以斜溝礦U型通風為背景，利用Surfer8.0軟件中的空間插值法將大量離散型數據進行插值法計算，使得數據在空間上具有相關性，隨后進行建模處理，建模過程中首先進行網格的劃分，得到采空區氦氣濃度變化云圖2，從圖中可以看出，三角區氦氣濃度是最高的區域，且進風一側處的濃度最大，進風側三角區因為煤層因為整體結構被破壞，強度下降導致煤層松散度的下降，當采空區達到72m后，該區域的氦氣濃度依然可以檢測到，而回風一側在采空區達到43m左右后，氦氣濃度基本為0，因此可以得到，進風側的氧氣濃度也要高于回風側的氧氣濃度，歸結原因是上下隅角水平方向漏風影響范圍的不同;在支架后方的區域，圖中黑色區范圍內，氦氣最高濃度達到接近40%，主要集中于上隅角區域，在采空區為10-50m之間，上下隅角范圍內的氦氣濃度基本相同，由此可以看出，下隅角漏風并未流經上隅角區域，因此，工作面附近有毒有害氣體的含量不會因此增加，可以正常安全的生產;當采空區深度超過36m時，氦氣濃度范圍值在18%-20%之間，采空區內地氣體經過上隅角隨后進入工作面。

氣體運用是基于三維空間實現，當采空區高度為9m時，垂直層面中部氦氣濃度整體高于兩側的氦氣濃度，且下隅角氦氣濃度略高于上隅角的氦氣濃度，當垂直高度達到50m時，采空區漏風依然會影響氣體濃度。

綜合上述分析，采空區漏風主要分為上隅角漏風區、下隅角漏風區和支架后漏風區，上隅角漏風區主要受到上隅角內壓力的影響，下隅角漏風區主要因為三角煤較為松散，因此漏風量較大，支架后漏風區主要集中在工作面中部及靠上部位，大量的風量經過工作面后經過上隅角會重新返回至工作面。三個區域內的漏風各有不同，其中，上隅角因為采煤遺留殘煤的原因，在充足氧化作用下，極易發生自燃，因此也最危險，對工作面的威脅最大;下隅角漏風也會發生煤自燃現象，但是因為其距離工作面較遠，且漏風量小，因此可以認為控制;支架后漏風區最不易發生自燃現象，因為采煤的原因，通風效果較好，此區域內的漏風強度大于煤自燃極限漏風強度，自燃條件達不到。

3 結論

①U型通風工作面采空區流動區域主要分為擴散流動區和微流動區兩部分，擴散流動區內的風量主要受到進風巷的壓力以及采空區是否壓密因素的影響，微流動區受工作面壓力差、采空區溫度差、濃度差等因素的影響;②相似模擬中，得到采空區漏風主要分為上隅角漏風區、下隅角漏風區和支架后漏風區三個區。上隅角漏風區為煤自燃提供了充足的氧氣和條件，距離工作面近，對礦井生產威脅最大，下隅角漏風雖然會造成煤的自燃，但是可以人為控制住，支架后漏風不會為煤自燃提供條件。

參考文獻：

[1]朱紅青，劉鵬飛.沿空巷破碎煤體自燃耗氧及升溫特征數值模擬[J].煤炭科學技術，2011，039（011）：63-66.

[2]李宗翔，孫學強，賈進章.Y形通風采空區自燃與有害氣體排放的數值模擬[J].安全與環境學報，2005（06）：110-114.