“Y“型和“U”型通風采空區(qū)數(shù)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(jīng)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(shù)的不斷發(fā)展成熟，“Y”型通風系統(tǒng)也得到了發(fā)展。相對“U”型通風，“Y”型通風方式下采空區(qū)漏風發(fā)生變化，造成采空區(qū)流場改變，而且增大采空區(qū)漏風量，使采空區(qū)內(nèi)氧濃度更高，影響范圍也更大，增加了采空區(qū)自然發(fā)火的危險性。因此，對兩種通風方式下的采空區(qū)自燃三帶的研究為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供了基礎(chǔ)，也為礦井的高效生產(chǎn)提供了指導[1].

1 采空區(qū)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(shù)，通風系統(tǒng)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(shè)置參數(shù)，見表1.

1.2 模擬參數(shù)及條件

采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對62711工作面采空區(qū)的實際情況進行數(shù)值模擬，同時假設(shè)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(shù)值模擬。兩種通風方式下的進風量相同。為了方便分析數(shù)據(jù)，將采空區(qū)各邊界分別命名為Γ1～Γ4，并在模型內(nèi)z=0 m截面上設(shè)置若干監(jiān)測點，其中Rx1～Rx3監(jiān)測點組沿采空區(qū)走向等距排列，Ry0～Ry3監(jiān)測點組沿采空區(qū)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(qū)監(jiān)測點布置圖

1.3 物理模型的建立

結(jié)合62711工作面實際情況以及采空區(qū)頂板冒落的特點，構(gòu)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(qū)氣體氧濃度分布特征分析

兩種通風方式下采空區(qū)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(qū)氧氣濃度較高，尤其在Γ3側(cè)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(qū)域。“Y”型通風方式下采空區(qū)氧氣濃度分布特征為沿走向在Γ1側(cè)分布窄而在Γ2側(cè)分布寬，在Γ2側(cè)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(qū)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(cè)(Γ1側(cè))新風帶入采空區(qū)的大部分氧氣集中在該范圍內(nèi)。

圖4 “U”型通風采空區(qū)氧氣體積分數(shù)分布圖

圖5 “Y”型通風采空區(qū)氧氣體積分數(shù)分布圖

3 采空區(qū)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(jié)果見圖6，圖7. 從圖6，7可以看出，“U”型通風采空區(qū)自燃帶在Γ2側(cè)分布最廣，最大寬度為142 m，其范圍沿工作面向Γ1側(cè)逐漸縮小。“Y”型通風采空區(qū)自燃帶范圍遠大于“U”型，但離工作面較遠，在Γ2側(cè)最廣，從138～357 m，寬度為219 m，在Γ1側(cè)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(jié)果見圖8，圖9. 兩種通風方式下采空區(qū)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(cè)最近。“Y”型通風自燃帶在Γ1和Γ2兩側(cè)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(qū)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(qū)域結(jié)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(qū)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(jié)果，該劃分方法更能反映出采空區(qū)自燃危險性，為防火工作面提供更加有力的參考依據(jù)。“U”型通風方式下，采空區(qū)自燃危險區(qū)域主要集中在進風隅角附近的采空區(qū)，而“Y”型通風則分布較廣，自燃帶在皮帶巷側(cè)深入采空區(qū)深部。

圖10 “U”型通風下復合判據(jù)劃分圖

圖11 “Y”型通風下復合判據(jù)劃分圖

采空區(qū)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(qū)自燃危險區(qū)域在Γ2側(cè)分布為68～320 m，而在Γ1側(cè)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(qū)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(shù)給采空區(qū)防滅火工作面帶來了壓力，必須采取相應(yīng)的采空區(qū)防滅火措施對采空區(qū)煤自燃災(zāi)害進行預防。

表2 采空區(qū)自燃帶位置及寬度對比表

4 結(jié) 論

分別對“U”型和“Y”型通風系統(tǒng)下的采空區(qū)漏風、自燃三帶進行數(shù)值模擬分析，結(jié)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(tǒng)下的采空區(qū)漏風，降低遺煤自燃的條件，保證工作面的安全生產(chǎn)。