“U+L”型通風(fēng)綜采面合理擋風(fēng)簾長度確定*
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張學(xué)博1,2，3，張 帆3
（1．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003；2．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室一省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作454003；3．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003）
摘要：合理長度的擋風(fēng)簾可以有效減少工作面漏風(fēng)量，避免瓦斯超限、爆炸等事故發(fā)生，保證工作面安全生產(chǎn)。模擬了有無擋風(fēng)簾時和不同擋風(fēng)簾長度時“U+L”型通風(fēng)綜采面采空區(qū)流場、瓦斯分布及上隅角等地瓦斯情況，驗證了數(shù)學(xué)模型和參數(shù)的適用性，分析了擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力分布及瓦斯分布的影響，確定了“U+L”型通風(fēng)綜采面合理擋風(fēng)簾長度。研究表明：擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力及瓦斯分布都有重要影響，擋風(fēng)簾可以使采空區(qū)內(nèi)特別是擋風(fēng)簾遮擋區(qū)域采空區(qū)壓力下降、瓦斯?jié)舛壬�；隨著擋風(fēng)簾長度的增加，上隅角瓦斯?jié)舛茸兓淮螅擅簷C機尾瓦斯?jié)舛戎饾u降低，滯后橫川瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔荩痪C合分析確定該采面合理擋風(fēng)簾長度為120 m。
關(guān)鍵詞：礦山安全；“U+L”型通風(fēng)；擋風(fēng)簾；滯后橫川；采空區(qū)流場
中圖分類號：X936 doi: 10. 11731/j．issn，1673-193x. 2016. 01. 031
0 引 言
工作面漏風(fēng)會使工作面有效風(fēng)量減少、氣溫升高，加速采空區(qū)等處煤的氧化及采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出，易造成煤炭自燃、有害氣體侵入、瓦斯異常涌出、瓦斯超限或積聚、瓦斯爆炸等事故，降低生產(chǎn)效率，影響作業(yè)人員的身體健康。平煤股份六礦戊8- 22310綜采面為保護層開采工作面，其通風(fēng)系統(tǒng)為“U+L”型，工作面絕對瓦斯涌出量高達48 m 3／min，該綜采面總風(fēng)量2 638 m3/min．利用SF6示蹤氣體測漏風(fēng)技術(shù)測得工作面總漏風(fēng)量1 092 m3/min，工作面漏風(fēng)率高達到41. 4%，這使得工作面在本煤層和高位鉆孔聯(lián)合抽放的情況下，采煤機附近依然出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，機尾瓦斯?jié)舛扰R近超限，工作面粉塵濃度較高；該工作面又位于礦井深部，調(diào)風(fēng)比較困難，這嚴(yán)重影響了工作面的正常回采。懸掛擋風(fēng)簾可以改變工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場及瓦斯分布，有效減少工作面漏風(fēng)量�，F(xiàn)場實踐表明，擋風(fēng)簾越長減少漏風(fēng)效果越好，但擋風(fēng)簾太長可能會導(dǎo)致“U+L”型通風(fēng)工作面滯后橫川等區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸蓿灰虼舜_定合理的擋風(fēng)簾長度對有效減少工作面漏風(fēng)量、保證工作面安全生產(chǎn)有重要現(xiàn)實意義。
很多學(xué)者對采場瓦斯分布規(guī)律，特別是上隅角等瓦斯容易積聚區(qū)域的瓦斯分布規(guī)律進行了大量研究。李宗翔等運用CFD軟件模擬三維采空區(qū)瓦斯運移及分布的狀態(tài)，并分析了三維采空區(qū)形成的瓦斯分布及上浮態(tài)勢的原因；丁厚成模擬有走向高抽巷條件下采空區(qū)瓦斯分布，確定走向高抽巷合理位置；劉亞軍、張學(xué)博等數(shù)值模擬了“U+L”型通風(fēng)不同橫川間距時采空區(qū)瓦斯分布、上隅角及滯后橫川瓦斯?jié)舛�，確定了合理橫川間距；何磊、楊勝強等對比分析Y型通風(fēng)和U型通風(fēng)條件下的采空區(qū)流場及瓦斯運移特征，得出采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)可消除采空區(qū)向上隅角的集中漏風(fēng)，有效解決了U型通風(fēng)上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷中的瓦斯；劉承宇在采空區(qū)布置測點并數(shù)值模擬U型工作面采空區(qū)氣體分布，得出采空區(qū)氧化危險區(qū)域和最易自燃發(fā)火區(qū)范圍。前人對“U+L”型通風(fēng)綜采面合理擋風(fēng)簾長度的研究較少，本文擬采用數(shù)值模擬手段，通過對“U+L”型通風(fēng)工作面不同擋風(fēng)簾長度時采空區(qū)流場及瓦斯分布的研究，確定合理擋風(fēng)簾長度。
1 “U+L’’型通風(fēng)綜采面采空區(qū)風(fēng)流流動模型的建立
1.1 物理模型的建立
根據(jù)戊8- 22310綜采面實際情況及模擬經(jīng)驗，建立了三維物理模型、確定了模型尺寸，如圖1所示。物理模型以采空區(qū)走向方向為x軸方向，傾向方向為y軸方向，頂板方向為z軸方向；模型尺寸如下：采空區(qū)長、寬、高分別為300 m、188 m、40 m；工作面長、寬、高分別為188 m、4.4 m、2.2 m；進、回風(fēng)巷長、寬、高分別為30 m、4.5 m、3.3 m；木垛支護區(qū)域長、寬、高分別為300 m、2m、3.3 m。
1.2 數(shù)學(xué)模型的建立
假設(shè)采空區(qū)為各項同性多孔介質(zhì)，采空區(qū)氣體為不可壓縮氣體；采空區(qū)氣體流動符合Darcy定律；粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)在Z方向上不發(fā)生變化。根據(jù)以上假設(shè)，采空區(qū)風(fēng)流流動的數(shù)學(xué)模型主要包括質(zhì)量守恒方程、動量( Navier - Stokes)方程和組分傳輸方程。
1.3 綜采面采空區(qū)孔隙率分布
孔隙率是影響采空區(qū)漏風(fēng)流場及瓦斯分布的重要參數(shù)。利用UDEC軟件模擬了采動覆巖結(jié)構(gòu)移動變形破壞情況，得到了上覆巖層下沉量分布，進而得出了綜采面采空區(qū)孔隙率的分布，如圖2所示。
從圖2中可以看出：綜采面采空區(qū)孔隙率分布大致呈“簸箕”狀分布；①走向方向上，由于靠近工作面的部分巖層冒落后自由堆積，處于未壓實狀態(tài)，孔隙率在走向方向上靠近工作面的區(qū)域較大；隨著采空區(qū)的不斷深入，采空區(qū)深部冒落帶破碎巖石逐漸被壓實，孔隙率逐漸減��；當(dāng)采空區(qū)深入至某一區(qū)域，巖石壓實碎脹系數(shù)趨于定值，孔隙率在深部不發(fā)生變化；②傾向方向上，在工作面附近部分巖層自由堆積，孔隙率受煤壁邊界影響較��；在采空區(qū)深部，中間巖層壓實，孔隙率較��；而兩幫巖層受煤壁支撐作用下沉量較小，孔隙率較大。
1.4 邊界條件及模擬參數(shù)的設(shè)置
根據(jù)戊8- 22310綜采面現(xiàn)場實測結(jié)果設(shè)置邊界條件及模擬參數(shù)：①進風(fēng)巷入口設(shè)定為速度入口，風(fēng)速為2. 98 m/s，湍動能為0.044，湍流耗散率為0.006 6；②進風(fēng)巷入口氧氣濃度為21%，瓦斯?jié)舛葹?；③現(xiàn)場測算采空區(qū)瓦斯涌出量為33 m3/min，瓦斯源位置按照實際情況設(shè)置為的上鄰近層及底板遺煤處涌出；④結(jié)合前面得到的采空區(qū)孔隙率分布和C arman公式可得出采空區(qū)滲透率分布，利用C/C++語言編寫采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率、滲透率分布函數(shù)；⑤回風(fēng)巷、尾巷設(shè)定為壓力出口，根據(jù)工作面阻力實測值確定其壓力分別為- 162.7
Pa和- 182.7 Pa。
2 “U+L”型通風(fēng)綜采面采空區(qū)風(fēng)流流動模型的驗證
2.1 采空區(qū)漏風(fēng)流場及瓦斯分布規(guī)律驗證
為了驗證建立數(shù)學(xué)模型的適用性，首先數(shù)值模擬了無擋風(fēng)簾時采空區(qū)漏風(fēng)流場及瓦斯分布，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進行了對比。無擋風(fēng)簾時采空區(qū)流場及瓦斯分布如圖3、圖4所示。
由圖3可以看出，沒有擋風(fēng)簾時工作面全程向采空區(qū)漏風(fēng)，漏入風(fēng)流一小部分直接由橫川排出，另一大部分漏入采空區(qū)，然后在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)沿木垛支護區(qū)域進入橫川流出，這與筆者利用SF6示蹤氣體測漏風(fēng)技術(shù)現(xiàn)場實測工作面采空區(qū)漏風(fēng)分布規(guī)律相一致。
由圖4可以看出：①沿采空區(qū)頂板方向，瓦斯?jié)舛戎饾u升高，瓦斯上浮效果明顯；這主要是因風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)不同引起風(fēng)流密度變化所導(dǎo)致；含瓦斯風(fēng)流一旦與漏入的新風(fēng)交匯時，因兩風(fēng)流的密度不同必然會出現(xiàn)運動的變化，出現(xiàn)瓦斯上浮運動以及瓦斯上浮的分布；②沿采空區(qū)走向方向，瓦斯?jié)舛戎饾u升高；③沿采空區(qū)傾向方向，從進風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，靠近工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛认壬吆蠼档�，這主要是由工作面漏風(fēng)分布引起的。從工作面下隅角至上隅角漏風(fēng)量逐漸減少，這使得瓦斯?jié)舛戎饾u升高；但是在滯后橫川附近大量瓦斯被排走，使得滯后橫川附近瓦斯?jié)舛容^低。模擬結(jié)果符合采空區(qū)瓦斯一般分布規(guī)律。
2.2 上隅角等地瓦斯?jié)舛闰炞C
上隅角、采煤機機尾和滯后橫川數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，如表1所示。
由表1可知，上隅角、采煤機機尾和滯后橫川瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果比較一致，相對誤差均不超過10 %。由以上對數(shù)值模擬結(jié)果的理論分析和現(xiàn)場實測對比，可以驗證本文所采用的數(shù)值模擬方法、所建立的數(shù)學(xué)物理模型及選取參數(shù)的適用性。
3 “U+L”型通風(fēng)綜采面合理擋風(fēng)簾長度確定及現(xiàn)場應(yīng)用
3.1 擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力分布及瓦斯分布的影響
3.1.1 擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力分布的影響
擋風(fēng)簾的作用是減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，而壓差是造成漏風(fēng)的主要原因。因此，本文首先分別對有無擋風(fēng)簾兩種不同情況下工作面采空區(qū)的壓力分布進行模擬分析，得出的采空區(qū)壓力分布如圖5所示。
由圖5可看出，有無擋風(fēng)簾兩種情況下工作面采空區(qū)壓力分布差別較大。無擋風(fēng)簾時，沿傾向方向工作面壓力大致成線性遞減趨勢；有擋風(fēng)簾時，采空區(qū)壓力整體變小，擋風(fēng)簾遮擋區(qū)域采空區(qū)壓力下降較大。
3.1.2 擋風(fēng)簾對采空區(qū)瓦斯分布的影響
對有無擋風(fēng)簾兩種情況下采空區(qū)瓦斯分布也進行了模擬分析，得出了采空區(qū)瓦斯分布如圖4和圖6所示。
由圖4、圖6可以看出：①無擋風(fēng)簾時，沿采空區(qū)走向方向瓦斯?jié)舛瘸手饾u增大的趨勢；工作面附近采空區(qū)瓦斯?jié)舛认鄬^低，這是由于工作面全程向采空區(qū)漏風(fēng)，工作面附近瓦斯隨漏風(fēng)運移至滯后橫川排走；②有擋風(fēng)簾時，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量減少，采空區(qū)內(nèi)被漏風(fēng)帶走的瓦斯量也減少，采空區(qū)高濃度瓦斯比無擋風(fēng)簾時更靠進工作面；在下隅角附近，擋風(fēng)簾的存在有效減少了采空區(qū)漏風(fēng)，所以靠近進風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛容^無擋風(fēng)簾時大。因此，擋風(fēng)簾對采空區(qū)瓦斯分布也有重要影響。
3.2 合理擋風(fēng)簾長度確定及現(xiàn)場應(yīng)用
擋風(fēng)簾越長減少漏風(fēng)效果越好，但擋風(fēng)簾太長可能會導(dǎo)致“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)中滯后橫川等處瓦斯?jié)舛瘸�。為了確定該工作面擋風(fēng)簾的合理長度，以下模擬對比分析了不同擋風(fēng)簾長度情況下滯后橫川、上隅角瓦斯?jié)舛�。�?shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。
由圖6、圖7可看出：①不同長度擋風(fēng)簾情況下采空區(qū)瓦斯分布及滯后橫川瓦斯?jié)舛扔休^大差別，擋風(fēng)簾遮擋區(qū)域附近采空區(qū)瓦斯?jié)舛认鄬^高；②隨著擋風(fēng)簾長度的增加，工作面漏風(fēng)量逐漸減少，采空區(qū)高濃度瓦斯區(qū)域也呈增大趨勢，特別是安設(shè)擋風(fēng)簾的進風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大面積的高濃度瓦斯區(qū)域。
由表2可看出：①隨著擋風(fēng)簾長度的增加，上隅角瓦斯?jié)舛茸兓淮螅贿@主要是由于“U+L”型通風(fēng)中尾巷的存在改變了采空區(qū)流場，使得上隅角不再是采空區(qū)漏風(fēng)流出的匯點，主要漏風(fēng)經(jīng)尾巷的滯后橫川流出，故擋風(fēng)簾的長度變化對上隅角處風(fēng)速影響不大；②隨著擋風(fēng)簾長度的增加，滯后橫川瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔荩粨躏L(fēng)簾越長，工作面漏風(fēng)量越少，采空區(qū)內(nèi)被漏風(fēng)帶走的瓦斯也越少，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛日w變大，這使得在滯后橫川涌出的瓦斯?jié)舛纫沧兇螅?#9314;隨著擋風(fēng)簾長度的增加，工作面風(fēng)量逐漸增加，有效沖淡了采煤機附近積聚的瓦斯，使得采煤機附近瓦斯?jié)舛戎饾u降低。
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定滯后橫川瓦斯?jié)舛炔荒艽笥?. 5%，擋風(fēng)簾長140 m時滯后橫川瓦斯?jié)舛雀哌_2. 45%，臨近超限；結(jié)合現(xiàn)場試驗確定該工作面擋風(fēng)簾合理長度為120 m。為確保擋風(fēng)簾效果，須按以下要求懸掛擋風(fēng)簾：擋風(fēng)簾頭部布置在距工作面下隅角不少于2m的進風(fēng)巷處，尾部布置在工作面距下隅角120 m處，擋風(fēng)簾與擋風(fēng)簾搭接處重疊長度不少于0.2 m，呈一直線吊掛；擋風(fēng)簾上部懸掛在支架頂部，下部固定至支架底部，并確保擋風(fēng)簾緊貼支架。懸掛120 m擋風(fēng)簾后，經(jīng)現(xiàn)場實測工作面風(fēng)量增加550 m3/min左右，采煤機機尾瓦斯?jié)舛冉禐?. 63%，滯后橫川瓦斯?jié)舛葹?. 30 %，有效避免了采煤機附近瓦斯積聚等問題，保證了工作面的安全生產(chǎn)，目前該采面已經(jīng)順利回采結(jié)束。
4 結(jié)論
本文根據(jù)多孔介質(zhì)滲流理論，基于CFD平臺模擬了有無擋風(fēng)簾時和不同擋風(fēng)簾長度時“U+L”型通風(fēng)綜采面采空區(qū)流場、瓦斯分布及上隅角、滯后橫川內(nèi)瓦斯情況，分析了擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力分布及瓦斯分布的影響，確定了“U+L”型通風(fēng)綜采面合理擋風(fēng)簾長度。通
過研究得到以下結(jié)論：
1)擋風(fēng)簾對采空區(qū)壓力及瓦斯分布都有重要影響。擋風(fēng)簾可以使采空區(qū)壓力整體降低，擋風(fēng)簾遮擋區(qū)域采空區(qū)壓力下降較明顯；擋風(fēng)簾可以使采空區(qū)高濃度瓦斯更靠進工作面，擋風(fēng)簾遮擋區(qū)域采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@升高。
2)不同長度擋風(fēng)簾情況下采空區(qū)瓦斯分布有較大差別。隨著擋風(fēng)簾長度的增加，采空區(qū)高濃度瓦斯區(qū)域呈增大趨勢，特別是安設(shè)擋風(fēng)簾的進風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大面積的高濃度瓦斯區(qū)域，可以考慮抽采進風(fēng)側(cè)附近的采空區(qū)高濃度瓦斯。
3)隨著擋風(fēng)簾長度的增加，“U+L”型通風(fēng)綜采面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓淮�，滯后橫川瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔荨?
4)綜合分析確定該采面最佳擋風(fēng)簾長度為120 m，并在現(xiàn)場進行了成功應(yīng)用，保證了工作面的順利回采。
