不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究

刘志文 史建设 傅 琦 李文涛 吴春雷

(1.华亭煤业集团有限责任公司东峡煤矿，甘肃省平凉市，744100；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116)

大倾角工作面回采过程中会造成采空区上部岩层垮落，易损坏布置在采空区内的监测设备，增加现场实测研究的难度，且采空区内煤、岩堆积规律复杂，难以从理论角度直接分析风流在采空区内的运移规律[1-4]。因此，在实验室开展相似模拟试验是研究采空区风流场分布的重要方法。相似模拟试验过程直观、观测方便、可人为控制、试验周期短、重复性强，因而具有不可替代的作用。笔者利用相似模拟试验，模拟在不同风量、不同通风方式条件下，大倾角采空区风流运移特点及采空区氧气分布，对指导大倾角采空区的防灭火具有重要的指导意义。

1 采空区自燃“三带”模拟试验系统的构建

1.1 相似原理

相似模拟试验是以相似理论和因次分析为基础的模型试验技术，模型与原型之间必须遵循一定的相似准则，即在几何、运动、动力、边界条件和重要的物理力学参数相似的基础上，研究不同模型之间的相似规律，本试验平台基本参数按照实际工作面1∶50进行制作，遵守相似理论三大定律[5-6]。

1.2 系统主体设计

根据一般工作面实际尺寸，按照1∶50的比例，搭建采空区自燃“三带”相似模拟试验平台进行相似模拟试验，研究风量和风向对采空区氧气(O2)浓度及自燃“三带”分布的影响，定性得出漏风在采空区的主要影响区域，为采空区的防灭火提供一定的指导。试验系统原理如图1所示。

1-CH4气瓶，2-CH4减压阀；3-CH4流量计； 4-N2气瓶；5-N2减压阀；6-有机玻璃外壳； 7-传感器；8-巷道模型；9-煤层模型；10-旋转机构； 11-注气口；12-空气流量计；13-流量积算仪；14-真空泵； 15-控制器；16-变送器；17-计算机图1 试验系统原理

为了研究采空区内风流运移规律及O2浓度分布特点，传感器分别布置在距工作面300 mm、550 mm和1150 mm水平，分上、中、下3层布置，距底板高度分别为70 mm、150 mm和250 mm，并在底板铺设每隔100 mm开有小孔的 12 mm橡胶管路，用来注入氮气(N2)，相关参数及传感器布置位置及方式如图2所示。

图2 传感器分布

2 试验过程及结果

2.1 试验工作面概况

东峡煤矿37220-1大倾角综放工作面为西翼采区首采面，该工作面煤层为特厚易自燃煤层，工作面平均倾角52°，工作面走向长度1036 m，倾斜长度59.2 m，采用综合机械化放顶煤采煤法开采，采高2.6 m，放顶高度7.2 m。工作面采用U型通风方式，设计供风量490 m3/min，实际供风量750 m3/min。

2.2 试验过程

调节平台角度至52°，控制通风机风量为3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min进行模拟矿井通风试验，3组风量分别对应工作面实际风量为490 m3/min、750 m3/min和900 m3/min，试验过程如图3所示。

连接好系统各个管路，向采空区注入N2，待控制柜O2浓度读数稳定在8%后，停止注入N2，静置12 h以上，待各传感器读数稳定后，调节平台倾角至52°，打开真空泵，分别调节流量至3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min，观察并记录O2浓度变化情况。

图3 试验过程

2.3 试验结果及分析

2.3.1 风量对采空区O2浓度分布的影响

为了研究不同风量下大倾角工作面采空区O2浓度的分布，在采取下行通风方式时，分别选取3.9 L/min、6 L/min、7.2 L/min作为工作面通风量，传感器监测的O2浓度变化情况如图4所示。

(1)在不同配风量条件下，回风巷侧1号、 4号、7号传感器组最大O2浓度分别为12.8%、12%、11.6%，均为下层传感器，1号、4号上层最大O2浓度分别为12.4%和11.9%，中层传感器O2浓度介于上、下两层之间。

图4 下行通风不同风量O2浓度

(2)工作面配风量不断增大时，1号、4号、7号传感器组O2浓度上升速率和最大值也增大，且距工作面较近的1号传感器组的O2浓度最大值比距工作面较远的7号传感器组大。

(3)随着风量的增大各传感器O2浓度增大，但增大幅度比上行通风时增大幅度小，且上、中、下层浓度最大值差别不大。

风量为3.9 L/min时，风流动能较小，在自然风压和沿程阻力的影响下，动能迅速下降，受工作面负压作用，向回风巷方向流动，因此回风巷侧O2浓度变化较小。

风流向回风巷流动过程中，动能随着距工作面距离的增大而减小，向采空区深部带入O2减小，使距工作面较远的7号传感器组的O2浓度小于距工作面较近的1号传感器组。

下行通风时，风流流动方向与自然风压方向相同，增大了风流的动能，使风流快速向回风巷侧流动，使得传感器组各层之间O2浓度最大值差别较小。

2.3.2 风向对采空区氧气浓度分布的影响

为了研究大倾角工作面条件下，上、下行通风对采空区O2浓度分布的影响，笔者选取工作面风量为7.2 L/min试验数据为研究对象，大倾角工作面上、下行通风条件下O2传感器变化曲线如图5所示。

图5 不同风向条件下O2浓度

(1)下巷道侧的1号、4号、7号传感器组O2浓度在上行通风时要高于下行通风，且差值较大；但采空区中部的2号、5号、8号传感器组O2浓度在下行通风时要高于上行通风，且差值较小。

(2)同一传感器组下层O2浓度均比中层O2浓度高，靠近工作面的O2浓度均比远离工作面的O2浓度高。

(3)在上行通风时，下巷道侧靠近工作面的1号下层O2浓度升高幅度最大，由起始的7.7%上升到20%；同样，在下行通风时，下巷道侧靠近工作面的1号下层O2浓度升高幅度最大，由起始的7.8%上升到12.8%。

(4)上行通风和下行通风时采空区O2浓度的分布范围有很大差别，上行通风时，7号传感器组O2浓度分别为下层16.1%、中层14.3%；下行通风时，在7号传感器组O2浓度分别为下层11.6%、中层11.3%，可以看出上行通风时，风流对采空区O2浓度影响范围更远。

(5)在上行通风时，7号传感器中层O2浓度为14.3%，8号传感器中层O2浓度为7.9%；而在下行通风时，7号传感器中层O2浓度为11.3%，8号传感器中层O2浓度为8.4%。因此，在风流影响高度上，上行通风对采空区下巷道侧O2浓度的影响大于下行通风，下行通风对采空区中部O2浓度的影响大于上行通风。

2.4 采空区自燃“三带”分布及风流影响范围

2.4.1 采空区自燃“三带”分布

通过对试验数据的分析，使用Matlab绘制出在52°倾角及不同风量条件下，采空区立体自燃“三带”分布情况。由于在不同风量条件下，自燃“三带”分布仅表现在范围上的差别，因此，仅选取6 L/min风量条件下进行研究，图中均以进风巷尾部作为坐标原点，图中0.1和0.18分别表示O2浓度10%和18%，上、下行通风条件下采空区自燃“三带”分布如图6和图7所示。

图6 上行通风条件下采空区自燃“三带”分布

图7 下行通风条件下采空区自燃“三带”分布

(1)在上行通风条件下，距底板70 mm位置，风流受沿程阻力和自然风压的双重作用，向采空区深部流动，在进风巷侧形成约600 mm宽的氧化带；风流在向回风侧流动过程中，动能急剧降低，从而使氧化带靠近工作面，且宽度减小，在回风巷侧形成宽度约160 mm的氧化带，氧化带整体宽度为150～900 mm；随着距底板距离的增大，氧化带范围以进风巷为中心逐渐缩小。

(2)在下行通风条件下，距底板70 mm位置，风流在工作面压差和自然风压作用下，沿倾向方向流动，由于初始动能较大，且流动过程中受遗煤阻碍，使部分风流快速向采空区深部流动，分别在进、回风巷侧形成宽度为150 mm和1100 mm的氧化带；随着距底板距离的增大，氧化带范围以回风巷为中心逐渐缩小。

2.4.2 采空区风流影响范围

受遗煤阻碍时风流运移情况如图8所示。风流在采空区流动时，受遗煤的阻碍，向阻力小的区域流动，在无其他力的干扰情况下，风流慢慢偏离初始运动方向，向采空区深部流动，且动能降低；初始动能越大，风流所能影响的范围越远；随着风量的升高，风流初始动能增大，进入采空区深部的距离增大，工作面与采空区压差△H也增大，压差对采空区风流影响的范围增大，导致风流到达采空区回风巷内壁后，向采空区深部流动的距离减小。

图8 受遗煤阻碍时风流运移示意

图9 上、下行通风风流影响区域示意

在距底板70 mm高度，大倾角工作面采空区风流影响范围如图9所示，图中空白区域为风流能够影响的区域，风流主要影响区域为下巷道侧采空区，上行通风比下行通风风流的影响范围大，风流影响范围由下巷道至上巷道以此递减；上行通风时，风流影响范围在采空区中部迅速减小，而下行通风时，风流影响范围缓慢减小。

3 结论

(1)工作面风量逐渐增大的过程中，风流对采空区O2浓度的影响范围逐渐增大，风流动能增大，风流进入采空区的深度以及能够影响的高度也增大。

(2)由于大倾角工作面上下巷道高差较大，自然风压在不同风向时，对风流的影响较大，导致风流主要影响区域均为采空区下巷道侧。

(3)上、下行通风条件下自燃“三带”都主要分布在下巷道侧，因此，应加强对下巷道侧采空区的监控力度，确保煤矿安全生产。