深井自然風壓及采空區(qū)流場動態(tài)演化規(guī)律研究

高常華 孫 帥 姜明棟

（山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272400）

自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影響隨開采深度增加越發(fā)明顯，其對礦井通風的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用[1-3]。

新河煤礦屬于典型深部開采礦井，自然風壓的變化容易導致瓦斯涌出異常和漏風自燃等問題[4]。本文根據(jù)實測結(jié)果，提出對自然風壓進行利用和控制的措施，減少了自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的不利影響，一定程度上提高了礦井的生產(chǎn)安全性[5-6]。

1 礦井通風概況

礦井目前采用中央并列抽出式通風，礦井主要通風機為GAF23.7-11.8-1 型軸流式風機。掘進工作面采用局部通風機壓入式通風，采煤工作面采用單進單回“U”型通風方式。在該通風方式下，井下采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差受自然風壓影響較大，隨自然風壓變化，各時間段壓差正負起伏較大，導致密閉漏風嚴重，存在遺煤自燃風險。

2 深井大面積采空區(qū)漏風規(guī)律研究

2.1 測點測定壓能布置

針對7312 綜放面，具體測定地點是采空區(qū)沿途各密閉處。根據(jù)730 采區(qū)的采空區(qū)分布狀況和井下情況，共設置3 個監(jiān)測點，如圖1。

圖1 采空區(qū)沿途密閉內(nèi)外壓能測定點

2.2 各測點壓能測定結(jié)果與分析

為更準確地反映出采空區(qū)內(nèi)部流場規(guī)律，將所測數(shù)據(jù)進行處理，整理出代表秋冬季氣候的兩月內(nèi)各測點壓能，計算密閉內(nèi)外壓能差。9 月軌道順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（a），膠帶順槽密閉壓差如圖2（b），10 月軌道順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（c），膠帶順槽密閉內(nèi)外壓差如圖2（d）。

圖2 各測點密閉內(nèi)外壓能差

大氣壓較高（＞112.8 MPa）時，密閉內(nèi)外壓差為負數(shù)，有空氣流入采空區(qū)內(nèi)的趨勢，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度高于正常值；大氣壓較低（＜112.8 MPa）時，密閉內(nèi)外壓差為正數(shù)，有采空區(qū)內(nèi)氣體外流的趨勢，氧氣濃度低，在正常值內(nèi)。由此可知，采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差受自然風壓變化較大。

2.3 自然風壓的測定及變化規(guī)律

采用間接測量法對煤礦的自然風壓進行數(shù)據(jù)測量。根據(jù)實際情況，測定時間選擇3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00，這樣可以更好地反映自然風壓在煤礦秋冬季一天中的變化。自然風壓測定結(jié)果如圖3。

圖3 秋冬季一天中不同時段自然風壓變化

根據(jù)圖3 曲線變化，自然風壓在3：00～9：00這一時間段先緩慢下降，當時間達到6：00，自然風壓快速下降；9：00～15：00，這一時段的自然風壓近似呈現(xiàn)線性下降趨勢，并在15：00 達到最??；15：00～24：00，自然風壓先快速上升，大約在19：00 之后，自然風壓的上升速率逐漸下降，處于穩(wěn)定上升階段。從零時開始，新河煤礦秋冬季自然風壓總體呈現(xiàn)先下降后上升的變化規(guī)律。

2.4 深井大面積采空區(qū)流場數(shù)值模擬研究

在數(shù)值模擬過程中，采用SIMPLE 算法求解不可壓流場，能夠較為精確地求解動量方程。

1）模型構(gòu)建

針對7312 工作面采空區(qū)，利用ANSYS Fluent軟件，構(gòu)建采空區(qū)三維數(shù)值模型以及分析采空區(qū)的流場分布。

各密閉巷道處設置為壓力出/入口，巷道區(qū)域的邊界條件為流體，自主編譯UDF 函數(shù)進行實現(xiàn)，空氣密度選擇Boussinesq 假設，選擇分離式求解器對模型進行求解。湍流模型為k-ζ 模型，選擇SIMPLE 算法對壓力速度耦合求解，基于模型網(wǎng)格劃分的是混合網(wǎng)格，離散化方法選擇二階格式。

2）模擬結(jié)果分析

如圖4 為采空區(qū)內(nèi)部流場數(shù)值模擬圖，由圖分析，風流在密閉附近的影響強度較大，在采空區(qū)深部影響強度較小。這說明，采空區(qū)前段風流速度較快，深部風流速度較小，結(jié)果表明進風巷道的風流速度大于回風側(cè)。因此，進風側(cè)的氣體交換較為明顯，由于密閉內(nèi)外壓差較小，風流速度在采空區(qū)內(nèi)表現(xiàn)并不強烈。采空區(qū)后部隨著距離的加深，風速逐漸減小直至為零。

3 深井大面積采空區(qū)漏風防治及自然風壓利用

針對新河煤礦深井大面積采空區(qū)，采空區(qū)自燃是煤炭開采過程中的主要威脅，且由于自然風壓引發(fā)的采空區(qū)呼吸現(xiàn)象，有利于遺煤與氧氣的充分接觸，因此需要對大面積采空區(qū)漏風防治及自然風壓利用技術(shù)進行研究。

3.1 堵漏風技術(shù)

1）巷道噴涂封堵加固技術(shù)

對巷道漏風區(qū)域，采用SPA 泡沫型快速密閉材料進行封堵。該材料具有如下顯著特點：施工方便、迅速、周期短；高分子材料具有塑性，對巷道變形有一定的適應性；隔絕了煤體和井下空氣的接觸，有效地防治了老空區(qū)和巷道的漏風通道。

2）保護煤柱壓注高分子材料堵漏風

根據(jù)礦井煤層注水情況，注漿終壓應為4 MPa，擴散半徑為1.5 m 左右。實際注漿時應以煤壁裂隙冒漿為準，且單孔一次注漿量一般不能低于1.0 m3。壓注時首先向水箱中加水，然后加入MAB防滅火劑。攪拌均勻后，開啟注膠泵壓注MAB 溶液，正常情況下以鉆孔周圍煤體出現(xiàn)掛汗為止。壓注結(jié)束后，用清水清洗管道。

3.2 自然風壓的控制利用

1）自然風壓的控制及利用原則

① 盡量利用進排井口之間的高度差，用高度較高的井筒作為排氣口；

② 降低井內(nèi)空氣阻力，改善自然通風，采用多個進風口和出風口，在氣流向上的季節(jié)通過采空區(qū)通風；

③ 進風井必須設置水幕或噴水，以增加進排氣井之間的溫差。

2）基于礦井自然風壓的風壓—風機匹配

機械風壓與自然風壓相互作用匹配示意圖如圖5。通過對新河煤礦自然風壓規(guī)律進行分析，此煤礦的礦井通風動力，主要是因為冬季期間的自然風壓有效地幫助主扇工作。

圖5 自然風壓與機械風壓的匹配示意圖

新河煤礦屬于受自然風壓影響較大的礦井，當自然風壓與主通風機共同作用時，幫助礦井通風。實際情況下，通過主扇的風量已經(jīng)超過礦井要求風量，主扇特性曲線調(diào)整為Ⅳ（或比Ⅳ稍大）可以達到省電的目的。

3）基于自然風壓變化的相關(guān)措施制定

① 合理選擇開采方式和通風方式

瓦斯涌出量大以及工作面自然發(fā)火期長的區(qū)域，上行通風或俯采是最優(yōu)選擇。自然發(fā)火期短，瓦斯涌出量小的區(qū)域，采煤工作面采用仰采的方式。

② 自然風壓反向風流的控制

在自然風壓重點影響區(qū)域井巷中安設硐室型空氣幕。當自然風流出現(xiàn)反向時，可在巷道內(nèi)安裝硐室型空氣幕，引射風流，改變風流方向。

開采過程中，及時關(guān)閉礦井上部中段的采空區(qū)和廢棄舊巷道，避免大量自然風流通過采空區(qū)和廢舊巷道漏入井下，影響風機通風效果和下部污風的排出。

③ 合理安排礦井反風演習

此外，每年在不同季節(jié)和不同月份進行反風演習，并按照有關(guān)規(guī)定進行。這樣可以評估自然風壓在不同季節(jié)對礦井反風能力的效果。

4 結(jié)論

通過對新河煤礦實測以及數(shù)值模擬，對采空區(qū)內(nèi)部流場規(guī)律和深部礦井自然風壓的變化規(guī)律進行了分析，研究過程中得出以下結(jié)論：

1）大氣壓力較低時，密閉內(nèi)外呈負壓，大氣壓力較高時，密閉內(nèi)外呈正壓，自然風壓的變化導致壓能和密閉內(nèi)外壓能差的變化，表明自然風壓的確對采空區(qū)內(nèi)部流場規(guī)律造成影響。

2）數(shù)值模擬結(jié)果與所分析的規(guī)律接近，在進風巷道處風流速度大，其所影響的采空區(qū)范圍要比回風側(cè)所影響的采空區(qū)范圍大，采空區(qū)前端風流運動較為劇烈。

3）針對煤礦實際情況，制定了選擇開采方式和通風方式、基于礦井自然風壓的風壓—風機匹配、自然風壓反向風流的控制、合理安排礦井反風演習等相關(guān)措施。