基于数值模拟的高瓦斯易自燃综放面合理风量确定方法

叶正亮

（中煤科工集团重庆研究院，重庆市沙坪坝区，400037）

以往高瓦斯工作面进行通风量考察，特别是对满足自燃防治要求的风量上限的考察都是在调风后根据自燃标志气体的变化来判断工作面风量对自燃是否有负面影响，这种方法比较直接，但是往往需要多次调风，一步一步地寻找合适的风量，有一定的滞后性，采空区往往有了自燃征兆后才想起需要再次调风。传统的工作面配风方法只从产量、人员、设备、温度、瓦斯绝对涌出量以及风速验证等角度出发，具有一定的局限性。传统的工作面风量计算方法难以适应这种新的要求，必须通过相应的理论研究，从协调瓦斯排放与自燃矛盾的角度出发，寻找一种新的方法来缓和这种相互制约。

1 高瓦斯易自燃综放面风量影响因素分析

对于U型通风的工作面，采空区漏风主要来源于工作面通风，工作面风量的变化必然导致采空区漏风风流的变化，影响采空区的瓦斯和氧气浓度分布。由于综放开采的特点，综放工作面瓦斯绝对涌出量一般都比较大，为了缓解瓦斯超限的压力，目前综放工作面风量大多在2000 m3／min以上，部分工作面正常回采时工作面风量高达4000 m3／min；工作面通风量的提高又会使采空区自燃带范围扩大，增大了采空区自然发火的危险性。因此，采空区瓦斯涌出和对遗煤自燃的控制要求是高瓦斯易自燃综放面合理风量确定的主要因素。

1.1 采空区瓦斯涌出与工作面风量关系

在不考虑放煤时瓦斯大量涌出的情况下，工作面风量越小，工作面风排瓦斯的能力越弱；而提高风量，采空区内漏风增加，抑制了采空区内瓦斯涌出，工作面边界上的瓦斯浓度分布和采空区上隅角的瓦斯浓度降低间接地减小了工作面瓦斯超限的几率。但是采空区实际情况复杂多变，工作面通风量并不是决定采空区瓦斯涌出量大小的唯一因素，落煤量和时刻在改变的瓦斯涌出强度也是影响采空区瓦斯涌出量的重要因素。工作面瓦斯涌出的不平衡决定了在高瓦斯煤层实际开采过程中通过增加工作面风量风排瓦斯是有限度的，不断地增加工作面通风量并不能彻底解决工作面瓦斯超限问题。

现场一般按照煤层瓦斯绝对涌出量计算工作面满足风排瓦斯要求的风量Q1计算：

式中：Q1——工作面满足风排瓦斯需求风量，m3／min；

QCH4——工作面瓦斯涌出量，m3／min；

K——采煤工作面瓦斯涌出不均衡系数。

1.2 采空区煤自燃与工作面风量关系

采空区遗煤自燃主要原因是由于采空区漏风提供了煤自燃的基本条件。采空区漏风影响着采空区氧浓度的分布，采空区氧浓度分布决定了采空区自燃带的宽度，而工作面通风量和采空区漏风存在一定的关系，因此通过研究工作面通风量与采空区自燃带宽度关系就找出了采空区煤自燃与工作面风量的关系。

采空区自燃带宽度是采空区自燃危险性的外在体现的主要数据，一般认为氧浓度C＜8%为窒息带，因此取氧浓度C≥8%为自燃带的最大宽度。由于采空区环境复杂，不可能随时改变工作面通风量参数来现场观测采空区自燃带的宽度，在这里借助数值模拟的手段来研究不同工作面风量情况下的自燃带最大宽度。建立采空区的3D物理模型如图1所示，采空区走向长度方向为x方向，工作面长度方向为y方向，与采空区走向和工作面方向垂直方向为z方向，风流从进风侧流入工作面和采空区，在工作面回风侧流出；采空区两端的压差等于工作面的通风阻力；采空区的其他3个边界设定为固壁；采空区孔隙率在距离工作面小于100 m时随距离变化符合近似矩形的椭抛线规律，大于100 m时其孔隙率不再随距离而变化，保持恒定值。

选取郭家河煤矿1301工作面为试验工作面，该工作面地质构造简单，平均煤厚为10.9 m，工作面倾向长度240 m，倾向长壁布置，后退式放顶煤开采，全部陷落法管理顶板。煤层自燃倾向性为Ⅰ类，属容易自燃煤层。设置模拟U型通风方式，工作面风量2700 m3／min；工作面两端风压差50～100 Pa；平均推进度2 m／d，已推进200 m，后100 m压实；工作面风流为紊流，采空区风流为层流；瓦斯涌出量13～30 m3／min，采用4个高位钻孔抽放，总流量90 m3／min。

图1 综放面采空区3D物理模型

通过FLUENT软件数值模拟计算得到无抽放回采时1301工作面采空区氧浓度分布如图2所示，图为y＝10 m，y＝115 m，y＝230 m采空区进、中、回侧截面图，其中y＝10 m处截面的氧化带宽度为最大自燃带宽度。

图2 FLUENT模拟无抽放时1301采空区漏风氧浓度分布

通过改变图1数学模型中工作面风量参数得到1301工作面无抽放回采时通风量与最大自燃带之间关系模拟结果如图3所示。

图3 不同工作面风量下最大自燃带宽度数值模拟结果

对模拟试验结果进行回归分析，得到在正常回采时1301工作面通风量Q2与最大自燃带宽度L符合以下的回归方程（2），回归相关系数为0.997。

式中：L——最大自燃带宽度，m；

Q2——正常回采时1301工作面通风量，m3／min。

通过对不同工作面风量情况下采空区自燃 “三带”数值模拟结果进行回归拟合，得到工作面风量与最大自燃带宽度近似符合对数关系，如式（3）所示：

式中：L——采空区最大自燃带宽度（高瓦斯工作面一般为进风侧自燃带宽度），m；

Q2——满足自燃防治要求的工作面通风量，m3／min；

A、B——回归系数。

同时按照自然发火安全的要求，合理的自燃带宽度应满足式（4）：

式中：Tmin——煤最短自然发火期，d；

¯v——工作面平均推进速度，m／d。

将式（4）代入式（3），即得到工作面风量上限值的确定公式（5），反映了煤炭自燃对工作面风量的控风要求。

1.3 工作面合理通风量范围的确定

按排放瓦斯要求和工作面生产所需供风确定风量下限，从防止采空区自然发火的角度确定风量的上限，即工作面合理通风量Q取值范围：

式中：Q——工作面合理通风量，m3／min；

Q1——按排放瓦斯要求和工作面生产所需供风确定风量，m3／min；

Q2——从防止采空区自然发火的角度确定的风量，m3／min。

为了评价合理风量范围的安全性问题，这里引入李宗翔教授的风量极差的概念：

式中：R——合理风量极差值，m3／min。

若R＞0时，工作面风量确定与调整有可选区间，R值越大，安全条件越好；若R≤0时，无可选区间，说明单纯以调整通风量的方法在控制瓦斯涌出与防止自然发火之间不能够协调一致进行，此时必须采取必要的技术措施，如向采空区注氮或提高工作面推进速度来提高Q2值，或者采取如瓦斯抽放等治理措施来减小工作面的瓦斯涌出量，达到降低Q1值的目的。

通过计算，1301工作面在正常回采且平均推进速度3 m／d情况下，风量可调范围在4020～4365 m3／min之间，极差R为345 m3／min，此时工作面风量满足排放瓦斯的要求，也有一定的风量调节范围满足自然发火防治要求。

2 瓦斯抽放时综放面风量范围确定

2.1 抽放对合理风量上下限的影响

当工作面采取了瓦斯抽放措施后，合理风量上下限调节范围就有所变化。这是由于瓦斯抽放措施会降低工作面的瓦斯涌出量，减小工作面风排瓦斯的压力，从而使风量调节下限降低；同时抽放措施的实施又会增加采空区的最大自燃带宽度，从而也降低了风量调节的上限。

1301工作面高位抽放钻孔位于采空区回风侧，4个钻孔间距20 m，伸入采空区30 m，距底板高度30 m，处于散热带中。

通过FLUENT软件数值模拟计算得到高位钻孔抽放条件流量90 m3／min情况下，1301工作面采空区氧浓度分布如图4所示，图为y＝220 m，200 m，180 m，160 m抽放钻孔截面图，从图4中可以读出采空区在一定抽放流量条件下最大自燃带的范围变化。

图4 FLUENT模拟高位钻孔抽放时1301采空区漏风氧浓度场分布

通过改变图4数学模型中工作面风量参数得到1301工作面在高位钻孔抽放条件下回采时通风量与最大自燃带之间关系模拟结果，如图5所示。

图5 高位钻孔抽放条件下不同工作面风量时最大自燃带宽度数值模拟结果

对模拟试验结果进行回归分析，得到高位钻孔抽放条件下1301工作面通风量Q与最大自燃带L符合以下的回归方程，回归相关系数为0.997。

可以解出：

由于采取了高位钻孔瓦斯抽放措施，1301工作面瓦斯涌出量降至24 m3／min，由式（1）得出Q1＝2880 m3／min；按照高位钻孔抽放下的自燃防治要求计算Q2值，由式（9）得Q2＝3660 m3／min。

通过计算，1301工作面在采取高位钻孔瓦斯抽放条件下（抽放流量90 m3／min）且平均推进速度3 m／d情况下，风量可调范围在2880～3660 m3／min，极差R为780 m3／min，此时工作面风量满足排放瓦斯的要求，也有一定的风量调节范围满足自然发火防治要求。

2.2 工作面推进速度与工作面风量的合理关系

式中：Vmin——工作面极限推进速度，m／d；

Q＊——工作面合理风量极限值，Q＊＝Q2＝Q1。

通过式（10）代入不同的推进速度分别计算得到1301工作面在无抽放和高位钻孔瓦斯抽放情况下工作面推进速度与工作面合理控风上限关系，如图6和图7所示。

采空区自燃 “三带”的相对位置是随时间变化的，在空间上是向工作面方向移动的。工作面通风量和采空区最大自燃带宽度密切相关，而最大自燃带宽度又决定着工作面极限推进速度。将式（9）变形可以得到：

图6 无抽放情况下不同推进速度对工作面控风要求

根据图6可以得到当¯v＝2.76 m／d时，Q2＝Q1＝4020 m3／min，说明在工作面没有采取任何瓦斯治理措施的情况下，工作面推进速度必须保持在2.76 m／d以上，工作面风量确定才有可调范围，兼顾瓦斯排放与自然防治的要求。

根据图7可以得到当¯v＝2.32 m／d时，Q2＝Q1＝2880 m3／min，说明工作面采取了高位钻孔瓦斯抽放治理措施的情况下，工作面推进速度必须保持在2.32 m／d以上，工作面风量确定才有可调范围，兼顾瓦斯排放与自然防治的要求。

图7 高位钻孔抽放条件下不同推进速度对工作面控风要求

2.3 模拟计算结果在现场调风中的应用

通过前文分析知道通过调整工作面通风量可以协调瓦斯排放和自燃防治要求。在一定程度上，推进速度决定了工作面的合理供风上限。根据模拟计算结果和工作面实际推进速度进行了对比分析，见表1。

从表1可以看出，1301工作面在回采初期推进速度相对较低，风量配备稍微偏高，所以在前期出现CO浓度上升现象，但是随着工作面稳定推进，风量配备基本合理，再加上各种有效措施的采取，工作面回风流中CO浓度趋于稳定，总体看来，1301工作面的平均推进速度和风量配备有利于将自燃带迅速甩入窒息带，为防止采空区浮煤自燃提供了有利的条件。

表1 工作面实际推进速度下模拟计算合理风量与实际风量对比表

2.4 瓦斯抽放时综放面合理风量范围分析

通过模拟计算知道，在确定合理调风范围的同时必须考虑瓦斯抽放对风量上下限的共同影响。这是由于瓦斯抽放虽然对自燃有负面影响，增加了自燃带范围，但同时也解决了一定瓦斯问题，降低了最小风量的要求，而风量降低同时又缩短了自燃带的长度，在这个过程中要看哪个因素影响自燃带的作用更大。

同时，高瓦斯工作面极限推进速度确定必须考虑瓦斯抽放和缩小风量哪个因素对采空区自燃带的影响更大。通过模拟计算结果可以看到，在同等风量条件下，由于高位钻孔瓦斯抽放使自燃带范围扩大，对工作面推进度提出了更高的要求，但是通过适当调风措施，又可以减小瓦斯抽放对采空区自燃带的负面影响，使工作面极限推进速度降低。可以根据推进速度来确定满足自燃防治要求风量的理论上限，也可以根据工作面风量来确定极限推进速度，对现场调风和确定工作面推进速度具有一定指导意义。

3 结论

（1）对高瓦斯易自燃煤层开采时工作面风量合理范围进行了讨论。以满足风排瓦斯要求的风量为下限，以一定推进速度内采空区不发火的风量作为上限，并引入风量范围极差（R）的概念来评价合理范围的安全性。其中，下限风量主要和工作面实际瓦斯涌出量相关，上限风量与工作面实际推进速度有关，当采取措施降低工作面瓦斯涌出或增加工作面推进速度，风量极差越大，安全情况越好。在采取瓦斯抽放措施时必须考虑其对风量上下限同时产生影响。

（2）对高瓦斯工作面极限推进速度公式进行了推导。工作面通风量和采空区自燃带宽度密切相关，而自燃带宽度又决定着工作面最小推进速度。工作面极限推进速度确定必须考虑瓦斯抽放和缩小风量哪个因素对采空区自燃带的影响更大。当R＝0时，此时算出的工作面风量值刚好可以满足瓦斯排放和自燃防治要求，为合理风量的极限值，此时对应的工作面推进速度即为极限推进速度。

（3）通过对1301工作面模拟计算结果和工作面实际推进速度进行对比分析，数值模拟计算分析的结果可以给现场及时合理的调风带来一定的指导意义。在实际工作中，应该根据不同时期瓦斯涌出强度和推进速度合理调风协调瓦斯和自燃两种灾害防治要求，为瓦斯和自燃综合防治创造良好的条件。

［1］张国枢，戴广龙.煤炭自燃理论与防治实践 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2002

［2］叶正亮.双指标划分采空区自燃 “三带”的数值模拟 ［J］.煤矿安全，2012（3）

［3］叶正亮.高位钻孔瓦斯抽放采空区自燃 “三带”的数值模拟 ［J］.中国煤炭，2012（7）

［4］李宗翔.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与自燃耦合研究［D］.辽宁工程技术大学，2007