大垂距双层采空区流场平衡控制技术

2019-03-20杜春宁宁德义姜文忠

煤矿安全 2019年2期

杜春宁，宁德义，姜文忠

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

大同矿区主采煤层为特厚煤层，资源储量丰富，但其上部采空区众多，且浅部煤层早期的开采方式多为短壁式开采或者以掘代采，采空区留有大量破碎煤体，加之通风管理技术水平较低，漏风严重，极易引发遗煤氧化，形成大范围隐蔽性着火点[1]。在特厚煤层开采过程中，综放面采空区上覆岩层受采动影响产生的裂隙带高度比综采面要高数倍[2]。上部采空区有害气体可以在压差作用下通过裂隙对下部煤层回采工作面产生严重影响[3]。

均压通风是解决工作面角联漏风最有效的办法[4]，近年来众多学者在利用均压通风技术防治工作面外部气体入侵方面做了诸多研究。王海生[5]、吕文陵[6]认为利用工作面均压通风措施提升工作面风流压力可以有效防治采空区有害气体的涌出；在此基础上王志峰[7]认为设置合理的工况点能够平衡工作面与采空区的压差，避免漏风引发的采空区遗煤自燃。陈涛[8]、张明亮等[9]认为火区下方综放面实施均压通风时，合理工况点的设置即可以防止上部火区下泄，又不影响依据CO涌出情况对回采工作面采空区遗煤自燃进行监测。以上研究都利用均压通风技术解决了采空区有害气体异常涌入工作面的问题。但是对位于火区下方的综放面实施均压通风防止有害气体下泄时，合理设置系统的安全调节区间以实现上下采空区间流场的平衡，避免工作面风压过大将采空区瓦斯压入上部火区造成火灾耦合事故缺少研究。因此，对大垂距双层采空区流场平衡控制技术进行研究具有重要意义。

1 双层采空区流场平衡条件

1.1 流场平衡原理

根据达西渗流定律可知2点间风流运动的速度与2点间的压力梯度相关，假设采空区垮落岩石构成的空隙是规则的，那么双层采空区流场内风流速度可表达为[10]：

由式（1）可知：当双层采空区两端的压力相等时，双层采空区间流场内的气体保持静止状态。

假设回采工作面的风压沿进风口到回风口方向上线性递减，则双层采空区间的压差在此方向上也大体呈线性增大趋势，压力平衡面线性降低。合理增大工作面的风压，使压力平衡面完全处于垂距范围内，便可保证双层采空区流场的平衡。

1.2 流场平衡条件分析

工作面上覆岩层周期性垮落致使双层采空区间漏风通道复杂多变，漏风点繁多且难以精确定位[11]。因此，可以抓住漏风汇聚点—回风隅角处的流场压力与上部火区压力保持平衡，便可防治上部火区有害气体下泄和采空区瓦斯压入上部火区[12]。

为研究流场平衡的条件，在工作面回风巷任意位置i处实施斜向上的钻孔与上部火区连通，并连接“U”型水柱计，压差计算图如图1。

图1 压差计算图

则“U”型水柱计显示的压差可表示为：

式中：△pi为 i点“U”型水柱计压差，Pa；pi为回风巷内i点气体压力，Pa；pS为上部火区气体压力，Pa；ρ为井下空气密度，kg/m3；g 为重力加速度，取9.8 N/kg；H为上部煤层与本煤层的间距，m。

2 双层采空区流场平衡控制条件

2.1 回风巷压能损耗

在实际开采过程中，为便于监测上部火区与本工作面之间的压差，观测点不宜变动，一般设置在均压风门外侧一段距离内[14]，并通过气线与风门内侧连接。现将回风隅角处与回风调节风门内侧命名为点A、B，在忽略回风巷漏风条件下，A、B断面间的压能损耗为：

式中：fAB为 A、B 断面间的压能损耗，J/kg；pA为A 断面气体压力，Pa；pB为 B 断面气体压力，Pa；vA为 A 断面风速，m/s；vB为 B 断面风速，m/s；zA为 A点巷道底板标高，m；zB为B点巷道底板标高，m；Q为回风巷内风量，m3/s；α为摩擦阻力系数，N·s2/m4；L为工作面工作面设计开采长度，m；l为工作面推进长度，m；U为回风巷断面周长，m；S为回风巷断面积，m2。

2.2 流场平衡控制条件分析

由双层采空区流场平衡条件可知，A点的“U”型水柱计压差应满足的条件为：

连接B点与上部火区的“U”型水柱计压差△pB是调节控制系统最为直接的依据，同时也是流场平衡控制效果的直观显现。△pB应满足的调节区间即为双层采空区流场平衡控制条件。由式（2）、式（3）、式（4）可推导出△pB应满足调节区间为：

3 现场应用

3.1 应用背景

同忻煤矿西8101综放工作面回采煤层为近水平煤层，煤厚平均为15 m，与上部14号煤层的垂高为89.6 m。工作面走向长度1 757 m，倾向长度200 m。绝对瓦斯涌出量为24.19 m3/min。西8101综放工作面通风方式为“U+I”型，工作面进风量为2 500 m3/min，顶板瓦斯巷抽放量为800 m3/min，回风巷回风量为1 700 m3/min。进、回风巷断面为5.2 m×3.95 m、顶板瓦斯巷断面为5.2 m×3.95 m，均采用锚杆锚网支护。工作面回采85 m后，上隅角CO体积分数急剧增大，最高可达0.2%，导致工作面暂时停产。

经分析，西8101综放工作面采场上覆岩层垮落所形成的裂隙足以与14号煤层采空区连通。上部采空区有害气体在本工作面通风负压和顶板瓦斯巷抽放负压的共同作用下大量涌入工作面[15]。因此，判定西8101工作面CO体积分数超限为上部老火区有害气体下泄所致。

3.2 构建均压系统

在西8101工作面构建均压通风系统来控制双层采空区的流场平衡（图2）。具体为：进风巷入口处设置3道均压风门，回风巷入口处设置3道调压风门，风门之间的距离均为10 m。将3台2×75 kW对旋轴流局部通风机安装在2101斜巷巷口，并通过630 mm PE管连接至密闭墙内侧。在调节风门外侧距风门3 m处施工连通上部采空区的钻孔，安装“U”型水柱计并将其与调节风门内侧B点连通。

图2 西8101工作面均压通风系统布置图

3.3 工程实际中流场平衡控制条件

西8101工作面为近水平工作面，在忽略回风巷底板高差和回风巷内各断面的风速变化的条件下，回风巷调节风门外侧“U”型水柱计压差△pB应满足的区间可简化为：

工作面回风巷A、B段相关参数见表1。

表1 回风巷A、B段相关参数

将工作面相关参数代入式（7）、式（8）可计算出回风巷调节风门外侧水柱计的压差△pB的调节区间为：（350+0.016l，538+0.016l），l∈(85，1 600)。

即在西8101工作面运行均压通风系统实现本工作面采空区与上部火区流场平衡的期间，将回风巷调节风门外侧“U”型水柱计压差△pB控制在区间（350+0.016l ，538+0.016l），l∈（85，1 600）内，便可防止上部火区下泄和工作面采空区瓦斯压入上部火区，避免灾害的发生。

3.4 应用效果

为考察双层采空区流场平衡控制的效果，利用回风调节风门内侧B点的“U”型水柱计监测控制系统实施后的压差；同时利用上隅角处安装的CO传感器对工作面风流中CO的体积分数进行监测。

监测结果显示：系统运行之后，工作面的CO体积分数迅速降低至安全范围内，并在安全范围内波动。系统运行后，“U”型水柱计压差变化情况如图3。上隅角CO体积分数变化情况如图4。

图3 “U”型水柱计压差的变化

“U”型水柱计显示的压差读数可直观反映系统的运行状况，是对系统进行调节的依据。由图3可以看出，工作面回采过程中调节风门外侧的“U”水柱计压差读数始终满足安全调节区间（350+0.016l，538+0.016l），l∈（85，1 600）。虽然在回采后期工作面风压有所下降，但并未低于安全调节区间的下限。在压差最大、最小时都没有对工作面产生负面影响，说明系统运行的稳定性良好。

图4 上隅角风流中CO体积分数的变化

图4反映了回采工作面上隅角处风流中CO体积分数在控制系统运行后的变化情况。系统启动后回风隅角处CO体积分数快速下降至安全范围内并在安全范围内波动。在895～1 250 m阶段由于回采速度较慢，采空区遗煤的自然氧化比较严重，造成了该阶段CO体积分数有所偏高。但总体而言，工作面的压力范围选取还是非常恰当，在保证工作面CO不超限的同时又监测了采空区遗煤的氧化情况。证明了大垂距双层采空区流场控制技术能够有效防治有害气体的下泄和避免采空区瓦斯压入上部火区。