切頂卸壓沿空留巷“Y”型通風模式下采空區(qū)漏風規(guī)律研究

李艷昌，靖澤浩，賈進章

（1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧阜新 123000；2.遼寧工程技術大學礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧葫蘆島 125000）

引言

曉南礦是遼寧鐵法能源有限責任公司的主產煤礦，為東北地區(qū)提供大量的煤炭資源，為了提高工作面接替效率，采用近年推行的“110工法”，實現(xiàn)切頂卸壓自動成巷?！?10工法”是將“切頂短臂梁”理論應用在煤礦開采上，通過切頂卸壓自動保留原回采巷道，實現(xiàn)無煤柱開采［1］。為了探究此模式下工作面通風線路及采空區(qū)氣體運移規(guī)律［2－6］，國內外學者做了大量分析與研究。在“110工法”的實施背景下，探究“Y”型通風的自然風壓變化規(guī)律對煤礦生產安全至關重要［7－9］?！癥”型通風相比與“U”型通風，能更好地治理上隅角瓦斯超限的問題［10－12］。但在“Y”型通風模式下，采空區(qū)的氣體可能會由于留巷墻體所受壓力較大而從留巷側逸出［13－15］，因此對于沿空留巷“Y”型通風的漏風特性，及其導致的瓦斯超限治理問題還需要進一步研究。本文根據曉南煤礦實施“110工法”的實際應用情況，對其由“U”型通風調整為“Y”型通風后瓦斯超限問題進行分析處理，通過實際測量的相關數(shù)據，同時運用CFD仿真技術進行數(shù)值模擬探究，其結果將提高煤礦生產效率，對于消除煤礦安全生產隱患，解決瓦斯超限問題具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 工程概況

1.1 曉南礦1502工作面簡介

曉南礦位于遼寧省調兵山市，井田范圍長約5.6 km，寬4.2 km，面積為23 km2。其中，N1-1502工作面走向長約1.185 km，傾斜長度0.21 km。煤種為條帶狀光亮型氣煤。煤層均厚約為1.5 m。根據工作面實見資料分析，本工作面內無巖漿巖侵入情況，工作面頂板局部存在古河流沖刷現(xiàn)象。工作面無地熱、沖擊地壓危險。

1.2 瓦斯超限致因分析

N1-1502工作面最初為“U”型通風，配風量為1 200 m3/min，在此條件下，工作面瓦斯?jié)舛?.4%。但當工作面推進至1506工作面切眼處（已與1502運輸順槽貫通）之后，將運輸順槽實施“110工法”沿空留巷，使其作為1506工作面生產巷道，1502工作面的通風模式為“兩進一回式”通風，1506工作面切眼和留巷以及1502運輸順槽作為進風巷道，留巷配風量為800 m3/min，1502運輸順槽配風量為700 m3/min，此時1502工作面通風系統(tǒng)如圖1所示。隨著生產的進行，留巷長度越來越長，在留巷長度為80m時，采空區(qū)漏風已經從“U”型通風系統(tǒng)的點源漏風變?yōu)榫€源漏風，留巷與采空區(qū)相通，作為進風巷道，此時工作面回風順槽上隅角瓦斯?jié)舛瘸揞l繁發(fā)生。

2 模型建立及模擬方法

2.1 物理模型的建立

結合曉南礦實際地質狀況，構建1502工作面通風系統(tǒng)模型，對“Y”型通風模式下的采空區(qū)通風特征和瓦斯分布情況進行模擬探究，建立400 m長，210 m寬，30 m高的采空區(qū)模型，其中巷道斷面為4 m長，3 m高的規(guī)則矩形，如圖2所示。將采空區(qū)作為多孔介質模型來進行研究并作如下假設：

（1）假設瓦斯不可壓縮，瓦斯流動為穩(wěn)態(tài)流動且流動過程為等溫過程；

（2）不考慮井下溫度變化對采空區(qū)瓦斯流動的影響；

（3）由于該試驗工作面范圍內煤層傾角較小，故將整個采空區(qū)煤巖層視為水平處理；

（4）進風流為理想氣體，瓦斯含量為0；

（5）不考慮采煤機和液壓支架等設備的實際形狀，將工作面以及風流流經巷道視為長方體，根據回采工作面實際參數(shù)設置模型參數(shù)。

2.2 邊界條件及計算方法

采用尺寸為1 m的六面體網格對模型進行劃分，其采空區(qū)部分共有2 465 300個網格，工作面和巷道部分共有468 300個網格，風流入口邊界條件設置為速度入口，風流出口邊界條件設置為自由出流，出入口壓力為大氣壓力，入口處瓦斯密度為瓦斯在大氣中的密度。其中瓦斯流動狀態(tài)用納維－斯托克斯方程表示：

式中：μ為瓦斯動力黏度，Pa·s；P為瓦斯壓力，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

采空區(qū)瓦斯流量控制方程表示如下：

式中：k為多孔介質的滲透率，m2；n為孔隙率。

黏性阻力系數(shù)的計算公式為：

式中：α為滲透率，等于黏性阻力系數(shù)的倒數(shù)；ε為孔隙率。

慣性阻力系數(shù)的計算公式為：

式中：D P為平均顆粒直徑長度，m；C2為慣性阻力系數(shù)。

采空區(qū)孔隙率的計算公式為：

式中：K P為采空區(qū)平均碎脹系數(shù)，是指將整個冒落高度內不同巖性矸石作為一個研究對象時的碎脹系數(shù)。受頂板巖性和工作面壓力及厚度等賦存條件的影響，Kp呈現(xiàn)出指數(shù)衰減規(guī)律，以滯后工作面距離為自變量的擬合經驗公式為基礎進行編程；將其編寫成UDF導入至Fluent求解器中，求得相應數(shù)值。

通過現(xiàn)場測定取值耦合計算可得相關數(shù)值，將參數(shù)設置整理如表1所示。

表1 模型參數(shù)設置Table 1 Model parameters setting

3 問題治理研究及效果分析

為了解決采空區(qū)漏風嚴重，瓦斯超限的技術難題，在現(xiàn)有條件的限制下，曉南煤礦決定采用通過調整通風模式的治理措施，2020年1月初通風方法由“兩進一回式”調為“一進兩回式”，即從1502工作面運輸槽送風，一部分回風通過工作面回風槽回風；一部分通過留巷經1506工作面切眼回風，此時工作面瓦斯?jié)舛瘸迒栴}有所緩解，上隅角瓦斯?jié)舛仍跈z修時期降至0.4%，生產時期0.6%，但瓦斯?jié)舛冗_到0.8%仍然偶有發(fā)生，需要進一步采取措施進行瓦斯治理。針對1502工作面的瓦斯超限問題，提出2種方案并進行模擬分析，一種方案是改變工作面通風方式，由現(xiàn)行的“一進兩回”變?yōu)椤皟蛇M一回”，與留巷初始時的“一進兩回”不同，此時的通風方式進風巷為回風順槽運輸順槽，回風巷為沿空所留巷道；另外一種方案是加大埋管抽采的管道直徑，增加抽采量。針對這2種方案進行模擬分析治理效果，尋求最可行的治理方案。

3.1 漏風規(guī)律對比

圖3為模擬不同留巷長度時，工作面的漏風結果，其中正負值分別表示向采空區(qū)漏入和漏出，可以看出，在留巷長度到達10 m之前，風流由采空區(qū)漏出，在長度超過10 m之后，風流流向采空區(qū)，且隨著留巷長度的增加，2種通風方式的漏風量均呈遞增趨勢，“一進兩回式”更為嚴重，最高值可達123.86 m3/min?！皟蛇M一回式”漏風較少且增長趨勢緩慢，整體趨勢類似于“一進兩回式”，但整體漏風量更小，且更為穩(wěn)定。

圖3 不同通風模式下采空區(qū)的漏風情況Fig.3 Air leakage in goaf under different ventilation modes

圖4為不同通風模式下采空區(qū)瓦斯分布云圖，可以看出，通風模式的調整對工作面回風隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^為明顯，“兩進一回式”Y型通風較“一進兩回式”Y型通風時的采空區(qū)回風隅角處的瓦斯?jié)舛壬杂芯彍p，采空區(qū)的瓦斯涌出由采空區(qū)涌出變?yōu)檠匮乜樟粝锵锏烙砍?，不會在局部集中涌出，從而使回風順槽處的瓦斯?jié)舛鹊靡越档?，另外運輸順槽的進風量可以對采空區(qū)瓦斯涌出進行沖淡與稀釋，進一步降低瓦斯?jié)舛取?/p>

圖4 不同通風模式下采空區(qū)瓦斯分布云圖Fig.4 Cloud diagram of gas distribution in goaf under different ventilation modes

3.2 不同抽采管徑大小對瓦斯?jié)舛葘τ绊?/h3>

在現(xiàn)有的瓦斯抽采情況下，回風平巷及上隅角瓦斯體積分數(shù)如圖4（a）所示。可以看出，新鮮風進入1502運輸順槽后，隨著煤壁、碎煤等瓦斯涌出，風流中瓦斯?jié)舛仍黾?，經工作面時部分高瓦斯?jié)舛蕊L流隨采空區(qū)漏風現(xiàn)象流入采空區(qū)，并逐步向冒落帶方向流動，最終積聚在采空區(qū)上隅角，導致上隅角發(fā)生瓦斯積聚。瓦斯抽放的速率不足以緩解瓦斯?jié)舛仁悄壳暗氖滓獑栴}，而對瓦斯抽采效果起關鍵影響的因素即瓦斯抽采埋管管徑的大小，因此分別對不同尺寸埋管管徑的抽放效果進行模擬研究。如圖5所示。

圖5 不同埋管管徑下采空區(qū)CH4體積分數(shù)分布云圖Fig.5 Cloud diagram of CH4 volume fraction distribution in goaf under different pipe diameters

由圖5可知，當鉆孔直徑為50 mm時，此時瓦斯體積分數(shù)過高致使上隅角發(fā)生瓦斯積聚，危及生產安全。當鉆孔直徑為100 mm時，工作面瓦斯?jié)舛扔兴鶞p少，而當鉆孔直徑為300 mm時采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉档?.4%以下，瓦斯積聚問題可得到基本解決。

如模擬所示，改變工作面的通風方式和加大抽采管道直徑均可解決瓦斯超限問題，但考慮到現(xiàn)有工作面的條件限制，曉南礦決定采用大管徑抽采這一方案。因此，基于模擬數(shù)據和現(xiàn)場實際情況，曉南礦通過技術研究決定在保留原有的瓦斯抽采系統(tǒng)的情況下，另外增設一套井下臨時瓦斯抽采泵站系統(tǒng)，即在回風順槽向采空區(qū)方向設計施工20個超大直徑鉆孔對回順側采空區(qū)進行埋管抽采，鉆孔直徑300 mm，鉆孔間距10 m，鉆孔長度30 m，布置位置如圖6所示，通過在1502工作面回風順槽向采空區(qū)方向布置測點，在檢修期間進行瓦斯?jié)舛葯z測。瓦斯?jié)舛确植记€如圖7所示。

圖6 1502工作面一進二回式通風系統(tǒng)圖Fig.6 One inlet and two return ventilation system diagram of 1502 working face

圖7 工作面實測瓦斯?jié)舛确植记€圖Fig.7 Distribution curve of measured gas concentration in working face

可以看出，在工作面前20 m內的瓦斯?jié)舛瘸蔬f減趨勢；隨后在20～150 m內的瓦斯?jié)舛瘸蔬f增趨勢。但整體瓦斯?jié)舛缺３衷?.3%以下，已符合我國有關煤炭開采的安全規(guī)定，可保證煤炭開采的順利進行，解決了瓦斯超限的問題，與Fluent的模擬結果基本一致。

4 結論

為銜接后續(xù)1506工作面生產，曉南礦N1-1502工作面開采中后期實施“110工法”，運輸順槽進行切頂卸壓沿空留巷，針對工作面通風模式發(fā)生變化以及回風隅角瓦斯超限的問題，進行了工作面通風模式的調整和增設瓦斯抽采的治理措施，主要內容如下：

（1）N1-1502工作面工作面由開采初期的“U”型通風經實施“110工法”后變?yōu)椤皟蛇M一回式”的通風模式，采空區(qū)呈開放狀態(tài)，工作面兩端壓差過高，采空區(qū)漏風嚴重，瓦斯超限困擾生產，因此曉南礦相關技術人員通過研究討論決定將作面通風模式進行調整為“一進兩回式”通風模式。

（2）運用CFD仿真技術模擬不同通風模式下采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫约安煌窆芄軓较鲁椴上峦咚钩薜闹卫硇Ч贸鼋Y論：在工作面配風量等因素不變的情況下，“兩進一回式”通風模式漏風量98.79 m3/min，漏風情況相較于“一進兩回式”有明顯改善，工作面回風隅角的瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.43%以下，瓦斯積聚問題基本得到解決，但要對現(xiàn)有的通風模式進行改變，做出的調整較多，實施難度較大；在現(xiàn)有的“一進兩回式”通風模式下，當采用管徑為50 mm的埋管抽采時瓦斯?jié)舛冗^大，危及生產，隨著埋管管徑的增大，瓦斯?jié)舛瘸蔬f減趨勢，在管徑達到300 mm時，采空區(qū)整體瓦斯?jié)舛冉档?.4%以下，解決了瓦斯超限的問題。

（3）權衡瓦斯治理方案后，決定在現(xiàn)有的“一進兩回式”通風模式下增設瓦斯抽采泵站系統(tǒng)對采空區(qū)回順側進行埋管抽采，增加瓦斯抽采量，在實施300 mm管徑的抽采方案后，瓦斯抽采泵站系統(tǒng)純瓦斯抽采量能穩(wěn)定4.47 m3/min以上，回風隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%以下，未再發(fā)生因瓦斯超限的停產狀態(tài)，有效地提高了生產的安全性。