基于自然風壓的采空區漏風規律研究

云傳貴

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

決定礦井通風系統穩定性的重要影響因素之一是自然風壓[1-3]，因此了解礦井自然風壓變化特點，開展基于自然風壓的工作面漏風規律研究，減少因自然風壓作用導致采空區的漏風量，將會有助于礦井災害治理[4-6]。

隨著多年的開采，根據區域特征，國內礦井基本劃分為兩種：開采年限較長的東部區域，氣候變化不是非常明顯，礦井通風阻力較大，絕大多數步入深部區域開采，自然風壓較大；西部區域屬于大陸性氣候，晝夜溫差大，空氣濕度小，氣溫變化明顯，后期開發的礦井生產能力較大、煤層埋深較淺、用風量大，而巷道斷面大導致礦井通風總阻力較小，東部區域的千米深井自然風壓值大于西部區域的礦井，但西部區域的礦井自然風壓占礦井總負壓的比重不可小覷。

位于山西西北區域的呂梁興縣礦區大氣壓變化明顯，導致進風流氣體密度變化很大，而回風井氣體密度基本穩定、變化很小，從而使得進、回風井氣體密度相差很大，自然風壓值變化明顯；另外因礦井通風系統空氣密度和風量變化較大，導致工作面采空區壓差增大，采空區漏風量增大，自然發火現象加劇，嚴重影響礦井安全生產。為此，科研工作者對自然風壓開展了大量研究，趙文彬等[7]以風阻定律為基礎，構建漏風模型并開展現場試驗，研究工作面鄰近采空區漏風規律，為工作面防滅火提供重要指導依據；文虎等[8]在唐家會礦開展試驗，研究自然風壓對礦井通風系統的影響，試驗結果表明：針對鄂爾多斯的特殊氣候，可通過適當增加主要通風機負壓，同時保證主、副井溫差處于5 ℃以上時，確保通風系統穩定可靠；蔡海倫等[9]在會寶嶺鐵礦利用Ventsim軟件研究自然風壓對通風系統的影響，指導礦井管理優化通風系統。以上雖然對自然風壓進行了一定研究，但未深入研究因自然風壓引起的采空區漏風。

本文以山西焦煤西山煤電集團斜溝煤礦為對象，研究自然風壓的變化規律及因其導致工作面進風量變化，提出改變進風量實現減小采空區漏風，為斜溝煤礦合理控制和利用自然風壓、提高通風系統的經濟性和穩定性[10-11]、減小采空區遺煤因工作面漏風而自燃的可能性奠定基礎。

1 礦井概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，該地區夏季和冬季特征明顯，全年降水量偏少，多為丘陵地區，偏干旱，早晚溫差明顯。主采8號、13號煤，共布置有8個井筒，“5進3回”，其中12采區進風主要是1號、2號副斜井(大井區域)及副平硐(小井區域)，由石吉塔溝回風斜井擔負回風任務。

斜溝煤礦為低瓦斯礦井，采用抽出式通風，石吉塔溝回風斜井安裝有FBCDZ-10-No34型防爆對旋軸流式通風機2臺(一用一備)，風量范圍為7 200～16 800 m3/min，負壓為1 150～4 100 Pa，通風機轉速580 r/min，每臺通風機選配2臺YBF710M2-10隔爆電動機，每臺功率800 kW，電壓6 kV，同步轉速600 r/min，效率94%.

2 自然風壓研究

斜溝煤礦12采區主要回采8號煤18205工作面，通過一次采全高回采，工作面長度為264 m，走向長度為2 840 m；工作面南側為12采區輔助運輸下山，東部、西部、南部均為實煤區。

2.1 自然風壓實測

根據礦井現場實測，18205工作面風量一部分來自1號和2號副斜井(大井區域)，另一部分來自副平硐(小井區域)，其中來自副平硐的風量只占工作面總風量的11%.所以，重點研究測定斜溝煤礦1號和2號副斜井(大井區域)自然風壓，通風系統如圖1所示。

圖1 18205工作面通風系統圖

參考科馬洛夫經驗公式[12]來核算自然風壓，當埋深超過100 m時，自然風壓按照公式(1)計算：

(1)

式中：HC為自然風壓，Pa；p為大氣壓力，Pa，通過實測得到；h為礦井開采深度，m；g為重力加速度，m/s2；R為礦井空氣常數，取287 J/(kg·K)；T1為進風流平均溫度，K；T2為回風流平均溫度，K。

1號和2號副斜井(大井區域)自然風壓使用間接法測定。為比較全面準確獲得全年自然風壓的變化規律，減小因天氣變化所產生的誤差，結合1號和2號副斜井(大井區域)的實際情況，選定2017年9月至2018年9月開展測定，每季度選擇9 d，每天定在上午09：00～10：00，地點選在1號和2號副斜井口、副斜井底、石吉塔溝回風斜井口和回風斜井底測定自然風壓。依據實測數據，繪制1號和2號副斜井(大井區域)的全年自然風壓隨著時間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 自然風壓隨時間的變化曲線圖

由圖2可知， 1號和2號副斜井(大井區域)在一年中自然風壓時刻在變，夏季自然風壓最小為15.71 Pa，冬季自然風壓最大為161.05 Pa，整個一年內自然風壓均為正值，根據礦井通風系統情況，除1號和2號副斜井(大井區域)+700 m水平12采區軌道上山以外，自然風壓與機械風壓二者方向一致，有利于礦井通風；1號和2號副斜井(大井區域)+700 m水平12采區軌道上山以內，自然風壓與機械風壓二者方向全年相反，阻礙礦井通風。

2.2 自然風壓影響工作面風量

對于抽出式礦井，自然風壓和主要通風機產生的靜壓要共同克服礦井通風阻力。根據斜溝煤礦礦井通風阻力測定報告，涵蓋18205工作面為主測路線計算獲得的通風阻力只有269.87 Pa，而1號和2號副斜井(大井區域)總負壓值達到560 Pa，自然風壓將明顯影響主要通風機的工況點以及通風系統各分支風量。

目前，礦井所安裝的主要通風機具備風量大、穩定性強等優點，通風機能完全提供18205工作面所需風量，機械風壓與自然風壓作用方向相同，共同作用幫助礦井通風。所以，對于18205工作面，自然風壓的變化將直接影響進風巷風量變化。

圖3為2018年每月上旬、中旬、下旬三旬，選定同一地點多次測定工作面進風量與時間之間的關系。由圖3可知，工作面進風量時刻在發生變化，不斷減小、增大上下反復波動。由于山西呂梁興縣獨特的氣候特點，春秋季時間短、冬夏季時間長，在4月～7月進風量較小，在11月至第二年3月進風量較大。進風量大小受多種因素影響，但整體上全年風量表現為先減小后增大，基本和自然風壓變化規律一致。氣候變化對礦井通風的影響最直觀表現在自然風壓，因氣壓改變形成的壓差會影響風量，所以影響工作面進風量變化的主控因素之一是自然風壓。

圖3 18205工作面進風量變化曲線圖

3 采空區漏風模型構建及特征研究

3.1 構建漏風模型

結合18205工作面實際條件，確定工作面漏風地點是工作面后部采空區。工作面端頭支架選用ZYT12000/26/55D型號，過渡支架選用ZYG12000/26/55D型號，中間支架選用ZY12000/28/64D型號，加強了工作面支護效果，但工作面兩端頭與液壓支架之間留有較大范圍的間隙，是漏風的主要渠道，模型如圖4所示。

圖4 采空區漏風模型圖

從采空區流場角度出發，發現新鮮風流由工作面進風巷途徑工作面進入回風巷的時候，風流一部分通過進風隅角區域流入采空區；由于采空區的漏風，工作面風量逐漸減少，當風流從回風隅角慢慢回流至工作面時，距回風隅角越近，工作面風量越大。壓差和漏風通道的存在是工作面向采空區漏風的重要條件，而順著風流路線壓能在減小，所以在工作面漏風區域一定有分界點，此處漏風方向相反、風量和風速也是最小。

假設采空區內部漏風點的總漏風量漏出為正、漏入為負，那么總漏風量無論是正還是負，總是符合采空區封閉邊界理論上的風量平衡條件[13]，具體見公式(2):

∑Q=Qi+Q0+Qt=0

(2)

式中：∑Q為通過采空區邊界的總風量，m3/s；Qt為采空區內部漏風點的總漏風量，m3/s；Q0為從采空區漏出的風量，m3/s；Qi為沿工作面邊界向采空區漏入的風量，m3/s。

3.2 計算漏風量

當其他漏風沒有的條件下即Qt=0，在理論上沿著工作面邊界漏入、漏出的風量幾乎為相等，同時工作面漏風的出、回風量呈現對稱的[11-12]。當Qt≠0時，采空區內部存在漏風，但在工作面與采空區二者之間存在漏風進出平衡點，此點風速最小。當風流通過工作面后部采空區的漏入、漏出區域時，在斷面積一定的條件下，隨著風量變化風速先降低后增大。當Qt=0時，工作面中部存在平衡點，以平衡點為分界線，風速與測點到進風口之間(即原點)的距離所形成的曲線投影到橫坐標形成的面積(即風速投射面積)相等，呈現對稱分布；當Qt≠0時，風速投射面積與Qt的正負有直接關系，風量大的區域風速大，風速投射面積自然就大。

用S1表示風流漏入采空區一側的風速投射面積(單位為m2/s，[m]×[m/s]=[m2/s])，用S2表示風流漏出采空區一側的風速投射面積，二者之差表示投射面積增加量，同時回采段風量增加值Qz用Q1與Q2的差值表示，投射面積增加量與回采段風量增加值二者具有一致性的比例關系[13-14]。如果Qz和Sz已知，那么投射面積風量權重可用公式(3)表示：

(3)

式中：Δ為漏入、漏出采空區的風量在單位風速投射面積上風量所占的百分比，%.

以投射面積風量權重Δ計算得到工作面與采空區之間的漏入、漏出風量，具體見公式(4)：

Qi=S1Δ，Q0=S2Δ

(4)

受到自然風壓波動影響，進風巷風量Q1的變化，導致進入工作面的風流速度的改變，采空區漏風量也在改變。

為進一步得到工作面漏風與自然風壓之間的關系，選在設備檢修期間開展風速測定，因為此時利于觀測操作，可更加準確進行風表讀數[15-16]。選擇在夏至與冬至前后3 d，從進風隅角開始每間隔2 m定點測定，以便獲得相對準確的數據，具體如圖5所示。同一地點的斷面積測量3次，并取平均值。測定時前后5 m范圍禁止職工行走，盡量保證測點較多，并且準確描述每個測點的情景，在備注中填寫特殊說明，例如采煤機距離測點的距離、支架移動情況以及煤壁片幫情況等都會影響風速測定，備注之后開始修正，以增加數據的真實性。根據現場實測風速數據繪制風速分布曲線，如圖6所示。

圖5 18205工作面測點布置圖

圖6 18205工作面風速分布圖

冬季：v(x)=0.000 82x2-0.27x+1.31，R2為0.96；

夏季：v(x)=0.000 83x2-0.027x+1.06，R2為0.97。

分析相關系數較大，接近于1，表明擬合效果較好。因為在數據測定、匯總處理中存在誤差，把現場多次實測風速和擬合風速對比分析，得到誤差區間均小于5%，表明擬合風速與實際風速基本符合。

另外，圖6還體現了以工作面支架為分界線的風速與漏風分布情況，具體數據見表1。

表1 風速與漏風分布規律

3.3 分析漏風規律

分析工作面的漏風規律，發現工作面回風一側具有較大強度的漏風，原因是8號煤上鄰近層已經回采完畢，形成采空區，在開采8號煤工作面時形成了雙重疊加采空區，進而產生復合采空區；復合采空區具有復雜的漏風通道，覆巖形成無數的裂隙裂縫渠道擴展到地表方向；在工作面負壓通風的作用下，一部分風流運移至工作面生產區域，同時提高采空區漏風量，但因采空區面積較大，漏風量不大，說明漏風情況不是很明顯。

夏季因煤炭市場需求較低，工作面推進速度緩慢，為了防止采空區遺煤自燃，采取向采空區注氮氣的防滅火措施，在測定風量時，實測風量數據比實際漏出風量大；冬季因自然風壓大、進風量大的原因，采空區漏入風量比夏季大，導致風流在采空區內流動速度加快，采空區流場分布面積增大。所以，在礦井實際生產期間需合理利用和控制自然風壓，改變工作面進風量，減小采空區流場分布面積，防止采空區遺煤自燃。

4 結 語

1) 斜溝煤礦自然風壓曲線全年處于不斷變化中，自然風壓在夏季最小，冬季最大。根據礦井通風系統實際條件，自然風壓全年均為正，作用方向與機械風壓一致，有利于礦井通風。

2) 自然風壓的改變對工作面進風量產生巨大影響，礦井全年風量變化規律是先減少后增大，基本與自然風壓的變化特點相一致。

3) 采用計算風速投射面積間接獲得漏風量及漏風分布規律，冬季采空區漏入風量比夏季大，導致風流在采空區內流動速度加快，采空區流場分布面積增大。