Y型通風相鄰采空區自燃三帶模擬技術研究

喬志剛，馬文斌

(西山煤電集團 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

采空區遺煤自燃一直是我國煤炭開采過程中面臨的重大問題之一，而消除采空區安全隱患[1]，保證井下開采的順利進行就成為煤礦開采的研究對象[2]. 切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術使相鄰兩個工作面之間沒有保護煤柱，上一工作面開采后形成的采空區會與下一工作面溝通，工作面的新鮮風流將有一部分漏入上一工作面老空區，而上一個工作面采完后采空區遺留的大量破碎的浮煤在適合的氧環境中經過長期的氧化[3-4]，煤溫不斷升高，最終突破臨界溫度發生自燃，給工作面安全生產帶來隱患。因此，有必要對兩進一回“Y”型通風方式下相鄰采空區自燃危險區域進行研究，為后續工作面采空區防火工作提供依據，保證后續工作面的正常推進。

1 采空區物理模擬的建立

為了分析“Y”型通風方式下相鄰采空區各場的分布情況，根據杜兒坪礦62711工作面實際情況，同時假設該工作面已經回采完畢，且下一工作面供風量及其他參數與62711工作面相同，設定皮帶巷進風1 013 m3/min，軌道巷進風425 m3/min，沿空留巷回風。設定相鄰工作面采空區尺寸為401 m×221.2 m×42 m，其中62711采空區尺均為431 m×220.2 m×40 m. 工作面尺寸為216 m×5.5 m×2.8 m. 軌道巷和皮帶巷尺寸均為31 m×4.3 m×2.9 m，沿空留巷為40 m×4.2 m×2.8 m. 工作面采空區物理模型示意圖見圖1.

圖1 工作面采空區物理模型圖

為了方便分析數據，將采空區各邊界分別命名為Γ1～Γ8，Γ5為皮帶巷(62711工作面切頂形成的巷道)與老空區的交界。在模型內z=0 m截面上設置若干監測點，其中Rx1～Rx6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2.

圖2 采空區監測點布置圖

2 對采空區瓦斯以及自燃帶的影響

2.1 采空區漏風分析

相鄰工作面回采期間采空區整體風壓等值面和z=0截面上風壓等值線見圖3，該圖反映出工作面開采時本工作面采空區和上一工作面老空區壓力分布和漏風流場。從圖3a)可以看出，風壓在皮帶巷處最高，在老空區側延伸并逐漸降低，由于沿空留巷出口負壓作用，在回采工作面采空區側沿工作面逐漸降低。結合圖3b)可以發現，老空區存在很大范圍的漏風，主要集中在皮帶巷附近，由于新工作面的皮帶巷是上一工作面沿空留巷，因此與老空區直接相連，切頂形成的巷幫較破碎，這就為皮帶巷向老空區漏風提供了條件。新鮮風流由皮帶巷全程向老空區漏入，在風壓作用下最終經由工作面采空區流入沿空留巷。

皮帶巷風速隨巷道深度的變化及擬合曲線見圖4，從圖4可以分析出皮帶巷向老空區的漏風規律。皮帶巷風速與巷道長度呈線性關系，將皮帶巷各點風速進行擬合，得到下式：

u′=a-bx

(1)

式中：

u′—皮帶巷風速，m/s；

x—皮帶巷距離，m；

a—常數，取4.20；

b—皮帶巷漏風速率，m/s，取1.41×10-3.

對式(1)進行求導可得出單位長度皮帶巷漏風速率為1.41×10-3m/s，對應漏風量為1 m3/min.

圖4 皮帶巷風速圖

2.2 采空區自燃“三帶”分布特征

按氧濃度對自燃“三帶”進行劃分。有相鄰采空區時，在皮帶巷大面積漏風下，皮帶巷附近的老空區出現了寬41 m的自燃帶，距皮帶巷15～56 m. 而自燃帶最大寬度則由原來的219 m減小至112 m，減少了107 m，最小寬度由70 m減小至63 m，減少了7 m. 自燃帶距工作面由原來的30 m變為20 m，整體向工作面移動了10 m，見圖5. 從圖5中可以分析出，由于皮帶巷到老空區存在大面積漏風，距皮帶巷較近的老空區存在自燃帶，而工作面后方采空區內自燃帶寬度則減小，并且離工作面變近。

按采空區漏風強度對自燃“三帶”進行劃分，并與沒有相鄰采空區的情況做對比，見圖6. 有相鄰采空區時，老空區距皮帶巷5～14 m處存在寬9 m的自燃帶。自燃帶最大寬度為196 m，減少了6 m，最小寬度為39 m，減少了21 m，距工作面距離由原來的30 m減少至20 m.

按復合標準對自燃“三帶”進行劃分，并與沒有相鄰采空區的情況做對比，見圖7. 有相鄰采空區時，皮帶巷附近的老空區存在57 m的自燃危險區域，距巷道5～62 m. 工作面采空區自燃危險區域在Γ2側最寬，為76～214 m，寬度為138 m，減少了114 m，與工作面距離縮短了8 m. 自燃危險區域在靠近沿空留巷側逐漸變窄甚至消失，因為此處漏風風速較大，不滿足自燃危險判定條件，而位置變為90 m，縮短了10 m.

圖5 依據氧濃度劃分自燃“三帶”圖

圖6 依據風速劃分自燃“三帶”圖

圖7 復合判據劃分自燃“三帶”圖

根據劃分結果看，由于老空區直接和皮帶巷相接，大面積的漏風致使皮帶巷附近出現較寬的自燃危險區域，工作面后方采空區內的自燃危險區域寬度雖一定程度上有所減少，但是向工作面前移10 m，一旦出現自燃高溫點對工作面回采威脅更大，采空區自燃帶位置及寬度對比結果見表1.

表1 采空區自燃帶位置及寬度對比表

綜上所述，在后續工作面回采時，應對皮帶巷采取嚴格的封堵措施，減少漏風量，同時采取相應的防滅火措施，消除自然發火危險。

3 結 論

1) 基于杜兒坪礦62711工作面開采情況，采用fluent數值模擬對其開采相鄰工作面期間的漏風、三帶進行數值模擬，建立了采空區松散煤體滲流流場數學模型，并根據62711工作面下一相鄰工作面回采期間皮帶巷及沿空留巷漏風特性，分析出老空區和采空區內的各物理場及自燃“三帶”分布特征，為下一工作面預防遺煤自燃災害提供理論依據。

2) 在62711工作面下一相鄰工作面回采期間，由于新工作面的皮帶巷與老空區直接相連，切頂形成的巷幫較破碎，皮帶巷與老空區之間存在很大范圍的漏風，致使距皮帶巷5～62 m出現寬57 m的自燃危險區域，工作面后方采空區內的自然危險區域最大寬度雖減少了114 m，但向工作面前移了10 m.因此，在下一工作面回采時，應對皮帶巷實行嚴格的封堵措施，同時采取相應的防滅火措施，消除自然發火危險。