Y型通风系统采空区漏风规律相似模拟实验研究

任搴华 赵耀江 周家川

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

1 引言

随着浅部煤炭资源的持续开发，矿井开采强度不断增大，工作面瓦斯涌出超限已成为了制约煤矿安全生产的瓶颈，而采空区瓦斯涌出又是工作面瓦斯涌出的主要来源。在U型通风方式下，经常会造成回采工作面和采空区上隅角瓦斯浓度超限，而用Y型通风系统能有效地解决回风流和上隅角瓦斯浓度超限的问题。然而，Y型通风方式下的采空区靠近进风巷一侧为岩体或煤壁，另一侧为沿空巷，会产生一定量的漏风，而采空区漏风规律对瓦斯运移特征和采空区遗煤自燃有直接关系。因而研究Y型通风系统下采空区漏风规律有重要意义。

2 采空区漏风阻力定律

2.1 Y型通风两源一汇

Y型通风系统有两进一回和一进两回两种类型，本相似模拟实验采用两进一回Y型通风系统，在这种通风方式下，工作面落煤和煤壁涌出的瓦斯可被主进风巷新鲜风流所稀释，并利用采空区沿空留巷向采空区回风道有控制地漏风，使采空区瓦斯从沿空巷直接流入回风道，而副进风巷风流主要用于稀释上隅角瓦斯浓度。在两源一汇情况下，源汇之间的压差决定了漏风方向和漏风量的大小，而源汇之间的压差和漏风量的大小又决定了采空区漏风的影响范围，所以改变源汇之间的压差就相应改变了漏风影响的范围。为防止采空区遗煤自燃，可以用改变压差的方式来控制采空区的漏风方向及漏风量，从而抑制煤的氧化升温。

2.2 漏风阻力定律

漏风量大小和通风网络中有关区段是否易于隔绝是影响采空区遗煤自燃的两个通风因素。如果完全消除漏风则可以使煤炭无法自燃，但在日常生产中难以实现，而只能通过减少漏风和控制漏风量来防止煤炭自燃。通风网络中产生漏风的条件有两个，一是有漏风通道的存在，二是两端必须存在风压差。其漏风压差可由相关巷道的位能求出，漏风量也遵循阻力定律。即：

则：

式中：Δ H——漏风通道两端的压差，P a；

Ql——漏风量，m3／s；

RL——漏风通道的风阻，N·s2／m8；

m——漏风风流的流态指数。当漏风的流态为层流时，m＝1；紊流时，m＝2；过渡流时，1＜m＜2。

式（2）表明，在漏风风流的流态指数一定时，漏风风量与漏风通道两端的压差成正比，和漏风风阻的大小成反比。

3 模型的建立

3.1 采空区实际尺寸

采空区走向长215m，采高2.5m，切眼宽度4.5m，采面长度200m，顶板垮落高度10m，进风巷断面（高×宽）3.8m×2.8m，联络巷断面（高×宽）3.8m×2.8m。

3.2 实验基本假设

（1）将采空区内瓦斯按理想气体对待，煤岩体可假定为多孔介质，渗流过程为等温过程。瓦斯在岩体内渗流符合达西定律，其扩散运动符合菲克定律。

（2）本实验流动介质为空气，采空区风流的流动为有压稳定流，为保证物理现象、初始条件、边界条件相似，实验模型和原型间的相似关系满足几何相似、动力相似和运动相似。

（3）采空区瓦斯分布影响因素主要考虑不同驱动力下漏风流场对瓦斯浓度的影响，为便于分析，本模型考虑在单一驱动力（通风压力）下的采空区漏风。

3.3 实验模型的建立

（1）按1︰50的比例，采空区模型尺寸为4.16m×4.3m×0.2m；区段巷道尺寸为60mm×80mm，工作面倾斜角度为8°，工作面长度为4.0m，断面尺寸为90mm×50mm。

（2）采空区模型底板及域界用不锈钢板焊接而成，巷道用方形和圆形不锈钢管焊接，并且所有连接处采用焊接方式以保证气密性。

（3）采空区模型顶部覆盖8mm厚的有机玻璃并用玻璃胶密封，用胶布在玻璃上贴上方格网，每个方格网中间打孔作为一个测点，并在工作面的上、下隅角分别专设了气体采样点，以便于观测和分析流动情况。测点布置示意图见图1。

图1 测点分布示意图

（4）在模型底板铺设数条供气管道以模拟采空区、工作面和邻近层的瓦斯涌出，瓦斯涌出量可以通过阀门调节来控制。

（5）为真实反应采空区岩体特性，模型采用粒度为1～60mm不等（以便有不同的压实特性）的煤矿废矸破碎后充填采空区，在模型的“O”形圈内和中心压实区分别堆积不同压实特性的破碎废矸以满足冒落带的渗透特性。

（6）实验时，关闭所有联络巷阀门，只开启沿走向采空区深部最后一个阀门，构成“两进一回”Y型通风系统。

4 采空区漏风规律

4.1 能位测定

采空区周围漏风源和漏风汇的能位关系可以通过能位测定来确定，并为整个采空区的漏风流场定性分析提供理论基础。利用通风网络能位图也可以方便地分析通风系统中相邻分支点间的压能关系，借以判断其间的漏风通道是否存在及可能的漏风方向。本实验在某矿共布置11个能位测定点，各点位置如图2所示。

图2 能位点布置图

图中x轴表示沿倾向距副进风巷的距离，y轴表示沿走向距工作面的距离。进风巷口采空区附近为1号能位点，副进风巷口采空区附近为2号能位点，采空区沿空巷与回风巷联络点为11号能位点，在测点距近风巷侧13m，距工作面13.5m为3号能位点，为方便起见以下能位点用测点坐标（x，y）表示，4号能位点（13m，40.5m），5号能位点（13 m，67.5 m），6号能位点（13 m，94.5 m），7号能位点（13m，121.5m），8号能位点（13 m，148.5 m），9号能位点（13 m，175.5 m），10号能位点（13m，202.5m）。以1号测点为基准值，各测点能位相对值见图3。

图3 各测点能位图

从图3中可以看出：1号能位点和2号能位点为两个漏风源，一个漏风汇，最终在11号测点汇合。由于各能位点有压差，为漏风提供了动力，在综采工作面进风口处风压最大，而在沿空巷与采空区之间的联络巷出口处风压较小，且呈现向采空区走向深部递减趋势，由于两端存在较大的风压梯度，使得风流较为集中地从尾巷流出，直接流入沿空巷。同时1号能位点和2号能位点也存在压差，漏风流线有从靠近进风侧向靠近回风侧移动的趋势，在只考虑漏风的影响下沿倾向靠近沿空巷瓦斯浓度较大。

4.2 示踪气体实验

示踪技术是应用示踪剂来研究气体（或液体）流动的踪迹及其规律，特别是对人员不易到达地点的气体流动的研究具有独特优越性。井下实测一般采用S F6作为示踪气体，本实验为便于实施采用彩色烟雾弹作为示踪气体，在具体操作时，先启动风机，待流动状态稳定后，测定气流在采空区的静压、沿工作面全程的风量变化、气流温度和湿度、大气压力、风机静压以及巷道内压差和风量等相关参量，待到整个系统完全稳定后将彩色烟雾弹放置风流进风口处，将示踪气体释放，等到示踪气体随风流进入到采空区后，用照相机将示踪气体的整个运动过程及状态拍摄下来。其运动过程及状态特征照片如图4所示。

图4 两进一回Y型通风方式漏风示踪气体流动趋势图

在图4（a）中，靠右边为采空区进风侧一端，靠左边为回风侧，该时刻所示风流有沿工作面倾向流动的趋势，即向回风侧一端流动，这是由于下隅角进风口处风压较大，上隅角附近风压较小，两端存在压差。在图4（b）中，上端所示为采空区深部，下端为工作面，从图中可看出风流从主进风巷进风口经采空区有沿工作面走向（采空区深部）流动的趋势。因为靠近工作面处（包括上下隅角）风压比沿空巷出口处风压大，再加上副进风巷向上隅角漏风，所以风流仍然向采空区深部流动，上隅角瓦斯浓度也因此而降低。由图4（c）、4（d）中可明显看出，经过一段时间后，示踪气体所示风流沿工作面走向（采空区深部）流动，沿工作面倾向（回风侧一端）流动。实验结果表明，在两进一回Y型通风条件下，由于工作面进风口处附近和沿空巷出口处附近风压梯度最大，中间压差梯度小、漏风量小，从而形成了两个进风巷向沿空巷的漏风通道。

4.3 采空区瓦斯浓度分布

经反复测定，相似模拟采空区各测点瓦斯浓度等值图见图5。

从图5中可以看出：沿工作面走向采空区深部瓦斯浓度较大，靠近工作面瓦斯浓度和变化幅度较小，并随采空区深度的增加而增加，在162c m处浓度急剧变大，最终到252c m处趋于稳定；沿工作面倾向靠近沿空巷瓦斯浓度较大，并有从进风侧到回风侧逐渐增大趋势，即漏风流线方向与瓦斯浓度梯度方向基本一致，因此在压差和浓度梯度的共同作用下，采空区瓦斯较均匀地直接流向沿空巷。沿煤层底板竖直向上方向，测点瓦斯浓度在模拟采空区的顶端达到最高值。表1为最顶端测点组所得瓦斯浓度结果。

图5 相似模拟采空区各测点瓦斯浓度等值图

表1 相似模拟采空区瓦斯浓度数据

5 结论

（1）通过采用能位测定、示踪实验等技术，分析了采空区瓦斯浓度分布变化情况。在两源一汇的Y型通风方式下，风流从主进风巷进风口经采空区向沿工作面走向（采空区深部）流动。由于下隅角进风口处风压较大，上隅角附近风压较小，两端存在压差，风流有向沿工作面倾向流动的趋势，但上隅角风压又比沿空巷出口处风压大，再加上副进风巷向上隅角漏风，所以风流总体向采空区深部流动，由于工作面进风口处附近和沿空巷出口处附近风压梯度最大，中间压差梯度小，漏风量小，从而形成了两个进风巷向沿空巷的漏风通道。

（2）如前所述，在两进一回Y型通风方式下，采空区漏风流线指向采空区内部，上隅角瓦斯通过漏风通道流向沿空巷，副进风巷向采空区漏风又稀释了上隅角瓦斯浓度，从而有效地解决了上隅角瓦斯积聚问题。

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