高抽巷抽采负压对采空区漏风及自燃带的影响

刘佳佳，　王　丹,　高建良

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201； 3.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院， 北京 100083；4.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)



高抽巷抽采负压对采空区漏风及自燃带的影响

刘佳佳1,2,3，王丹1,高建良4

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201； 3.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院， 北京 100083；4.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

为防止遗煤自燃，结合山西某矿9101工作面实际，在抽采负压分别为0、8、12、160、20、24 kPa时，利用计算流体力学软件Fluent，进行数值模拟。结果表明：不同抽采负压对采空区的漏风流场分布及采空区的漏风量均有显著影响。在回风侧采空区其受到高抽巷的影响比进风侧采空区大，导致工作面漏风风速在回风侧差别较大；不同抽采负压条件下采空区自燃带宽度均为中部>进风巷侧>回风巷侧。抽采负压为12 kPa时，采空区自燃带宽度平均值为87 m，为自燃带宽度曲线的“凹点”。12 kPa为临界点，临界点之前抽采瓦斯纯量增速较快，临界点之后抽采瓦斯纯量增速缓慢。综合考虑高抽巷抽采瓦斯纯量和采空区自燃带宽度，9101工作面高抽巷抽采负压确定为12 kPa左右。

采空区； 高抽巷； 自燃带； 数值模拟

0　引　言

瓦斯灾害是煤矿的主要灾害之一。煤层瓦斯抽采是世界主要产煤国家进行瓦斯治理的重要技术手段。众多瓦斯抽采方法中，高抽巷具有抽采效果好、抽采时间长和抽采半径大等显著优点，在煤矿现场越来越普及。高抽巷可分为走向高抽巷和倾向高抽巷，大多数煤矿采用走向高抽巷。目前，国内外学者在高抽巷方面的研究做了许多工作。林海飞等[1-4]针对走向高抽巷的布置最优位置(平距、垂距)进行了研究;高林等[5-6]研究了内错型高抽巷的抽采效果，得到上隅角瓦斯浓度与内错距离呈“V”形关系，内错距离为30 m时效果最优；高保彬等[7]研究了外错型高抽巷的可行性，得到外错型高抽巷可以起到一巷多用的特点；高建良等[8]对有、无高抽巷两种情况下采空区漏风流场进行了研究，得到有高抽巷比没有高抽巷采空区漏风量增加54.7%。

高抽巷一般布置在回风侧采空区裂隙带瓦斯富集区内，从瓦斯抽采的角度来看，通过增加高抽巷抽采负压来提高瓦斯抽采率，但高抽巷的瓦斯抽采势必会增加采空区漏风，会加剧采空区遗煤自燃的可能性，而通过降低高抽巷抽采负压来减小采空区漏风，就会导致工作面及采空区的瓦斯积聚，引起瓦斯事故的发生，一定程度上高抽巷的瓦斯抽采和采空区遗煤自燃是相互制约、相互影响的。在高抽巷位置对采空区遗煤自燃影响方面，肖峻峰等[9]研究了高抽巷布置位置对瓦斯抽采效果和采空区遗煤自燃的影响规律，得到高抽巷布置在顶板40 m时，可以达到抽采瓦斯和防火的要求；冯雪[10]研究了高抽巷层位对采空区自燃危险的影响，发现高抽巷垂距越大，氧化升温带越宽，采空区自燃危险性越高；尹晓雷[11]等研究了高抽巷不同层位对采空区自燃三带范围的影响。在高抽巷抽采负压对采空区遗煤自燃影响方面还存在不同的观点，张玫润等[12]在分析高抽巷与采空区自燃耦合关系的基础上，认为高抽巷抽采负压变化对采空区自燃三带影响很小可以忽略；张俭让等[13]研究了有无高抽巷对采空区瓦斯浓度和氧气浓度的影响，得到高抽巷可以解决上隅角瓦斯积聚问题，认为高抽巷抽采负压会增加采空区氧化升温带的宽度。究竟高抽巷抽采负压对采空区漏风及遗煤自燃的影响如何，尚须进一步深入研究。

笔者结合山西某矿9101工作面的实际情况，在前期确定该工作面高抽巷最优位置的基础上，即最优位置为距离煤层底板垂高40 m，距离回风巷平距30 m，利用计算流体力学软件Fluent针对高抽巷不同抽采负压对采空区漏风及遗煤自燃的影响进行研究。

1　工作面概况及数值模拟

1.19101工作面概况

9101工作面为91采区的首采工作面，工作面东侧为2#皮带巷，西侧为勘探断层，南侧9102工作面，北侧为绛河保护煤柱，工作面标高285～525 m，工作面回风巷长度1 600 m，运输巷长度为1 400 m，工作面倾斜长度335 m，煤层厚度5.85 m，为一次采煤层全高，工作面日产量15 000 t，采用全部垮落法管理顶板，采空区绝对瓦斯涌出量28.33 m3/min。

1.2采空区的物理模型

根据9101工作面的实际情况建立物理模型，采空区走向长度取300 m、工作面倾斜长度为335 m，进回风巷长度取30 m、宽度为5 m、高度为4 m，工作面宽度为5 m，高度为5 m，高抽巷宽度为4 m，高度为3 m。采空区冒落带高度为23.4 m，裂隙带高度为60 m，由于弯曲下沉带变化很小，模型不考虑采空区弯曲下沉带的影响，建立三维物理模型，如图1所示。

图1　9101工作面采空区的物理模型

Fig. 1Physical model of 9101 working face and gob

1.3采空区的数学模型

由于采空区多孔介质非常不规则，气体流动十分复杂，层流是采空区气体流动的主要流态。采空区流体流动及瓦斯运移符合连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运守恒方程，根据质量守恒定律和渗流定律理论，建立采空区多组分控制方程组通用形式[14]：

(1)

式中：φ——通用变量，代表u、v、w、T等求解变量；

n——多孔介质孔隙率；

Γ——广义扩散系数；

S——广义源项。

对于特定的控制方程φ、Γ、S具有特定的形式。

工作面内为湍流流动区域，符合标准k-ε方程：

(2)

(3)

式中：k——湍动能，m2/s2；

ε——湍动能耗散率，m2/s3；

μ——气体动力黏滞系数，Pa·s；

μt——湍流动力黏滞系数，Pa·s ；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。

μt=ρCk2/ε，

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C1u=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.4边界条件

工作面进风巷为速度入口(Velocity-inlet)，平均风速为2.6 m/s，进风氧气体积分数为21%，瓦斯浓度为0；回风巷为自由出口(Out-flow)；高抽巷出口为压力出口(Pressure-outlet)，高抽巷的抽采负压分别为0、8、12、16、20、24 kPa，工作面与采空区边界为内部边界(Interior)，采空区固壁为无滑移边界条件(u=v=w=0)，采空区瓦斯涌出量为0.47 m3/s，利用C语言编写采空区瓦斯涌出强度和采空区渗透率分布的函数关系。

1.5数值模拟过程

在笛卡尔坐标系下，采用Gambit建模软件建立物理模型并进行非结构化网格划分，定义物理模型的边界条件和初始条件，导入到Fluent解算软件进行数值解算，解算时采用控制容积法对控制方程进行离散，为提高精度，对流项和扩散项采用二阶迎风格式，采用三对角矩阵算法和松弛因子相结合的方法进行迭代计算，速度与压力之间的耦合采用PISO算法[14]。

2　结果分析

2.1高抽巷不同抽采负压对采空区漏风的影响

为了分析高抽巷抽采负压对工作面向采空区的漏风的影响，模拟得到高抽巷不同抽采负压(0、24 kPa，z=2 m)条件下工作面及采空区漏风流线分布，如图2所示。

a　0 kPa

Fig. 2High suction tunnel different vacuum extraction conditions leakage air flow line of gob

由图2可以看出，高抽巷抽采负压对采空区的漏风有明显的影响，高抽巷的瓦斯抽采改变了采空区漏风流线的分布规律，采空区高度z=2 m时，在进风侧采空区抽采负压为0和24 kPa时,采空区漏风流线分布规律基本一致，而在回风侧采空区高抽巷的影响比较明显，高抽巷抽采负压为0 kPa时，工作面向采空区的漏风大部分经过上隅角汇入回风巷中，而抽采负压为24 kPa时，工作面向采空区的漏风大部分留在采空区内部，这是高抽巷增加采空区漏风的直接原因。图3是高抽巷不同抽采负压条件下工作面沿程漏风风速分布。

图3　不同抽采负压下工作面沿程漏风风速分布

Fig. 3Different drainage under negative pressure working face leakage along wind speed distribution

从图3可以看出，在高抽巷不同抽采负压条件

下，随着抽采负压的增加，工作面漏风风速在进风侧差别较小，这主要由于高抽巷距离进风侧较远，对进风侧的影响也较小；随着抽采负压的增加，由于高抽巷布置在回风侧，受到高抽巷的影响较大，导致工作面漏风风速在回风侧差别较大。为了定量分析不同抽采负压条件下工作面向采空区漏风量的差别，通过对工作面和采空区交界面进行积分可得，高抽巷抽采负压分别为0、8、12、16、20、24 kPa时，工作面向采空区的漏风量为0.79、1.43、1.57、1.84、2.04、2.25 m3/s，随着抽采负压的增加，工作面向采空区的漏风量也逐渐增加，最终会导致采空区遗煤自燃的危险性增加。

2.2高抽巷不同抽采负压对采空区自燃三带的影响

高抽巷不同抽采负压条件下采空区漏风有明显差别，而采空区漏风对遗煤自燃有重要的影响。z=2 m时，分别模拟高抽巷不同抽采负压条件下对采空区氧气浓度分布的影响，如图4所示。

a　0 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　b　8 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　c　12 kPa

d　16 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　e　20 kPa　　　　　　　　　　　　　　　　f　24 kPa

从图4可以看出，高抽巷不同抽采负压对采空区氧气体积分数分布规律的影响比较明显，抽采负压越小，采空区氧气浓度10%和18%的等值线越靠近工作面，随着抽采负压的增加，这两条氧气体积分数等值线逐渐运移到采空区深部；随着距离煤层底板越高，工作面向采空区的漏风也相对减少，采空区氧气气体积分数10%和18%等值线越靠近工作面，高浓度氧气更接近工作面，这与现场的实际情况相符。

采空区自燃三带的划分主要有三种指标即采空区氧气体积分数，采空区漏风风速分布和温升率。其中最常用的是采空区氧气气体积分数划分指标，在采空区自燃三带氧气体积分数划分标准中，氧气体积分数≥18%为散热带，在10%≤氧气体积分数<18%为自燃带、氧气体积分数<10%为窒息带，为了进一步定量分析高抽巷抽采负压与采空区自燃三带之间的关系，根据上述标准可以得出不同抽采负压下采空区自燃三带范围，如表1所示。

表1高抽巷不同抽采负压采空区自燃三带范围

Table 1High suction tunnel different vacuum extraction conditions three-band range of gob

抽采负压/kPa采空区宽度/m散热带/m自燃带/m窒息带/m0进风巷侧0～102102～226>226回风巷侧0～22～18>188进风巷侧0～135135～274>274回风巷侧0～8484～130>13012进风巷侧0～153153～292>292回风巷侧0～100100～135>13516进风巷侧0～158158～310>310回风巷侧0～104104～140>14020进风巷侧0～161161～338>338回风巷侧0～105105～142>14224进风巷侧0～179179～340>340回风巷侧0～106106～144>144

结合图4和表1可以看出，高抽巷不同抽采负压对采空区自燃带分布有重要的影响，不同抽采负压条件下采空区自燃带宽度中部最大进风巷侧>回风巷侧，由于采空区进风巷侧受新鲜风流携带高浓度氧气的原因，采空区内部进风巷侧的自燃带宽度明显比回风巷侧自燃带宽度大。高抽巷抽采负压分别为0、8、12、16、20、24 kPa时，采空区进风巷侧自燃带的宽度分别为124、139、139、152、157、161 m，回风巷侧自燃带的宽度分别为16、46、35、36、37、38 m，随着抽采负压的增加，采空区自燃带宽度逐渐增大，当抽采负压为12 kPa时，采空区自燃带宽度平均值为87 m，该值为采空区自燃带宽度曲线的“凹点”。如图5自燃带宽度曲线所示，比抽采负压分别为8、16、20、24 kPa时，采空区自燃带平均宽度92.5、94、97、99.5 m都要小，因此，从控制采空区遗煤自燃角度分析，抽采负压为12 kPa时，采空区自燃危险性最小。

2.3抽采负压对高抽巷瓦斯抽采与采空区自燃的对比

高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃是相互影响的，因此,如何能够兼顾瓦斯抽采和抑制采空区自燃，对高抽巷抽采负压的选择至关重要。通过对高抽巷不同抽采负压条件下抽采钻孔出口模拟数据的监测，结合采空区自燃带分布规律，得到抽采负压对高抽巷抽采瓦斯纯量Q与采空区自燃带宽度b的影响，如图5所示。

图5　抽采瓦斯纯量与采空区自燃带宽度变化

Fig. 5Gas drainage scalar and gob width variation

从图5可以看出，随着抽采负压的增加，高抽巷抽采瓦斯纯量逐渐增加，抽采负压小于12 kPa前，高抽巷抽采瓦斯纯量增速较快，抽采负压超过12 kPa后，高抽巷抽采瓦斯纯量增速率缓慢，从瓦斯抽采的角度，高抽巷抽采负压为12 kPa左右比较合理；综上所述，综合考虑高抽巷抽采瓦斯纯量和采空区自燃带宽度，确定9101工作面高抽巷最优的抽采负压约为12 kPa。

3　结　论

(1)高抽巷瓦斯抽采改变了采空区漏风流场分布和漏风汇的位置，采空区z=2 m高度上，进风侧采空区不同抽采负压条件下采空区漏风流场分布规律差别不大，而在回风侧采空区高抽巷瓦斯抽采对漏风流场分布规律的影响更明显。

(2)随着抽采负压的增加，工作面漏风风速在进风侧差别较小，而工作面漏风风速在回风侧差别较大。高抽巷抽采负压分别为0、8、12、16、20、24 kPa时，工作面向采空区的漏风量分别为0.79、1.43、1.57、1.84、2.04、2.25 m3/s，随着抽采负压的增加，采空区的漏风量也逐渐增加，最终会导致采空区遗煤自燃的危险性增加。

(3)不同抽采负压条件下采空区自燃带宽度，中部最大,进风巷侧次之，回风巷侧最小,当高抽巷抽采负压为12 kPa时，采空区自燃带宽度平均值为87 m，比抽采负压分别为8、16、20、24 kPa时的采空区自燃带宽度平均值都要小。

(4)随着抽采负压的增加，高抽巷抽采瓦斯纯量和逐渐增加，抽采负压小于12 kPa前，高抽巷抽采瓦斯纯量增速较快，抽采负压超过12 kPa后，高抽巷抽采瓦斯纯量增速缓慢。因此，综合考虑高抽巷抽采瓦斯纯量和采空区自燃带宽度，确定9101工作面高抽巷最优的抽采负压在12 kPa左右。

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(编辑徐岩)

Numerical simulation of drainage negative of high alley pumping effect on the goaf air leakage and spontaneous combustion zone

LIUJiajia,WANGDan1,GAOJianliang4

(1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China；2. Hunan Key Lab of Coal Safety Mining Technology， Hunan University of Science & Technology， Xiangtan 411201, China；3. School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China；4. School of Safety Science & Engineering, Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003, China)

This paper is aimed at preventing the spontaneous combustion of residual coal by studying Face High suction tunnel drainage negative pressure on Gob Spontaneous Combustion and influence using computational fluid dynamics software Fluent, combined with No 9101 in a Shanxi mine. The results show that the negative pressure of 0, 8, 12, 16, 20, 24 kPa in the drainage is the condition favorable to using a physical model and numerical simulation; different drainage negative pressure has a significant impact on the goaf leakage air flow field distribution and the mined-out area air leakage; Gob Spontaneous Combustion widths under different drainage negative pressure are central>inlet side lane >return airway side; in the case of negative pressure drainage of 12 kPa, an average Gob width is 87 m, referred to as the “pits” of the spontaneous bandwidth curve. An increase in the suction drainage pressure is accompanied by a gradual increase in the net gas drainage scalar of the high pumping lane is, but there occurs a threshold of 12 kPa preceded by a faster growth of the net gas drainage scalar and followed by a slower faster growth of the net gas drainage scalar. The comprehensive consideration of the net gas drainage scalar of high pumping lane and the bandwidth of goaf points to the conclusion that the optimal suction drainage pressure of high pumping lane is about 12 kPa in the 9101 working face.

goaf; high alley pumping; spontaneous combustion zone; numerical simulation

2016-06-07

煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助项目( 201502)；国家自然科学基金项目(51474219；51174079)

刘佳佳(1985-)，男，河南省焦作人，讲师，博士研究生，研究方向：矿山通风理论及技术、瓦斯灾害防治，E-mail：liujiajia8803@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.003

TD712.6

2095-7262(2016)04-0362-06

A