U型通风工作面采空区漏风规律研究

田 垚，杨成昊，孙全吉，常可可，郭增乐

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.潞安集团温庄煤业有限公司，山西 长治 046000)

采空区漏风易导致其内部遗煤自燃并引发二次灾害，严重威胁矿井安全生产。U型通风系统在我国矿井工作面布局中占有较大比重，其工作面与采空区内部存在漏风流入与流出通道，对于全面解决采空区漏风问题还有待进一步的研究[1-3]。因此，查找采空区漏风通道，测定漏风量，对控制采空区自燃的影响具有重要意义。SF6示踪气体测定法是一种可靠的矿井测漏风技术，用于测定采空区漏风通道与漏风量[2-4]。由于采空区内部的复杂性和隐蔽性，对采空区内部的漏风流场进行准确采集和预测十分困难。借助计算流体力学数值模拟方法则可以较好地对其漏风流场进行求解与分析[5，6]。近年来，许多学者利用各类数值模拟软件对采空区漏风进行了相关研究[7，8]。本文采用瞬时释放法在风源位置持续释放SF6气体，通过测定风流中SF6含量，分析漏风通道，估算采空区最小漏风速度与漏风量，并在此基础上采用Ansys-Fluent软件对该采空区漏风规律进行数值模拟研究，旨在为采空区漏风及“三带”划分与漏风量确定提供一种更加准确有效的方法。

1 工作面概况与漏风测定原理

1.1 采空区概况

温庄煤矿15102工作面，平均煤厚5.3m，采用长壁后退式一次采全高综采采煤法进行回采，采高5.2m，采用全部垮落法管理顶板。15102工作面采用U型通风方式通风，配风量1650m3/min。运输巷长1015.00m，断面积16.50m2；回风巷长1031.00m，断面积16.00m2，工作面切眼长236m。

1.2 SF6漏风测定原理

本文采用SF6瞬时释放法进行采空区漏风测定。首先，依据工作面布置情况对采空区漏风通道位置进行判断，并布置SF6释放点与采样点；然后，在进风处释放一定量SF6气体，同时在采样点定时进行气体采样，并分析气样中SF6浓度。根据气样中SF6出现时间及浓度对采空区漏风量与最小漏风速度进行估算[4]，计算公式如下：

式中，V为最小漏风速度，m/s；L为漏风源到漏风汇的直线距离，m；t为从释放SF6气体到检测到SF6气体的取样时间间隔，s。

采空区漏风率计算公式如下：

Q=v·A

(2)

(3)

mSF6=VSF6·ρSF6

(4)

式中，Q为风量，m3/min；v为风速，m/s；A为巷道断面积，m2；ω为SF6体积浓度，10-6；K为漏风率；m为SF6质量，kg。

1.3 采空区漏风测定方案

结合矿井通风网络图和现场巷道布置情况，SF6示踪气体释放点与采样点布置情况如图1所示，基本信息见表1。共设控制点6个，其中1个释放点，5个采样点。

图1 15102工作面SF6释放点与采样点布置图

测定自SF6气体开始释放进行计时。以109.50L/min释放SF6气体(20kg)，持续30min。自释放气体0min时刻起，各采样点进行采样，0～5min内，采样频率为每分钟1次；5～30min，每5min采样一次，30min后，每10min采样一次。采样过程共持续180min。

表1 温庄煤矿15102 工作面SF6释放点与采样点基本信息

2 测定结果与分析

2.1 测定结果

15102工作面SF6示踪气体采样分析结果如图2所示。

图2 各采样点SF6检测结果分析图

2.2 数据分析

1)采样点1 SF6气体浓度在0～5min内持续上升；5～30min内在50×10-6以上，30min后，无SF6。流经采样点1的SF6总量如下：

Q1=v1·A1

(6)

(7)

mSF6-1=VSF6-1·ρSF6

(8)

mSF6-1=v1·A1·u1·ρSF6=19.92kg

(9)

2)采样点5在0～2min内无SF6气体，3～10min内SF6浓度持续上升；10～30min内SF6气体在40×10-6以上，30min后SF6气体浓度逐渐下降，100min后SF6浓度小于1ppm。流经采样点5的SF6质量如下：

mSF6-5=v5·A5·u5·ρSF6=16.67kg

(10)

工作面漏风率K为：

mSF6-工作面=mSF6-1-mSF6-5

(11)

3)结合工作面现场勘查情况，液压支架与采空区交界处煤岩碎块间存在较大空隙。采样点2、3和4在0～30min检测到较高浓度SF6气体为工作面向液压支架与采空区交接处空隙流入风流，30min后SF6气体浓度变化为其他漏风通道漏风所致。工作面向液压支架与采空区空隙处漏风速度为：

4)采样点2在0～2min内无SF6气体，3～15min内SF6浓度持续上升；15～40min内SF6在15×10-6以上。40min后，SF6气体浓度逐渐下降，120min后降至1×10-6以下。因此在30min后采空区漏风流出，到达采样点2处的采空区漏风通道最小漏风速度为：

5)采样点3在0～2min内无SF6气体，3～20min内SF6浓度持续上升；20～50min内SF6在25×10-6以上。50min后SF6气体浓度急剧下降，80min后风流中SF6浓度降至1×10-6以下。因此到达采样点3处的采空区漏风通道最小漏风速度为：

6)采样点4在0～2min内无SF6气体，3～20min内SF6浓度持续上升；20～60min内SF6在10×10-6以上；70～90min SF6气体浓度再次上升，90～120min内保持稳定；120min时SF6气体浓度再次上升，在120～160min在5×10-6以上；160～180min时SF6气体浓度略有下降。采样点4存在第3条漏风通道。到达采样点4处的3条采空区漏风通道最小漏风速度为：

15102工作面漏风通道进行推断[7，8]，如图3所示。

图3 15102工作面采空区漏风通道示意图

3 数值模拟分析

本文结合示踪气体测漏风结果，采用计算流体力学数值模拟软件ANSYS 15.0 FLUENT对U型通风采空区漏风进行数值模拟验证[9-11]。

3.1 物理模型及边界条件

本文依据温庄煤矿15102工作面实测情况进行建模，采空区物理模型如图4所示，模型参数见表2。采空区渗透率依据经验公式(20)进行设定[12]，采用UDF自定义函数设置[13-15]，采空区孔隙率分布如图5所示。

式中，n为采空区内孔隙率；x为采空区长度方向(x轴)坐标；L为工作面长度，m；Y为采空区某点高度方向(y轴)的坐标值，当y为负值时取正号，y为正值时取负号，m。

1—主进风巷；2—液压支架区；3—工作面；4—副进风巷；5—沿空留巷图4 15102工作面Y型通风物理模型

图5 采空区孔隙率变化空间分布图

表2 采空区模型参数

3.2 数值模拟结果分析

1)15102工作面采空区风流流线呈U形分布，由工作面进风侧流入采空区，一定深度后在向工作面回风侧方向偏转，由回风侧流出。模拟结果显示，15102工作面总进风量为1565.66m3/min，工作面漏风量为229.70m3/min，工作面漏风K=14.67%，与现场漏风通道测定结果相符。

图6 采空区风流速度分布云图

2)采空区速度分布。采空区内速度分布数值模拟结果如图6所示。漏风主要集中在工作面下隅角处(-120m至-100m)区域，形成高压区域，漏风由工作面流向采空区，速度较高，最大风速达到0.25m/s。在-100m至-90m区域，存在一个风速较低区域，风速几乎为0m/s，为风流流出形成湍流造成。沿工作面正方向，风速逐渐降低，在0m处风速降至最低，为0.0822m/s。沿工作面正方向风速变大，在上隅角处风速达到0.1501m/s。各监测点巷道对应风速与漏风速度实际测定结果与数值模拟结果对比如图7所示。数值模拟结果与现场实测结果保持一致。

图7 现场实测与数值模拟结果对比图

3)采空区氧浓度分布及三带划分。采空区的氧浓度数值模拟结果如图8所示。

图8 采空区氧浓度云图

采空区煤自燃与漏风强度关系密切，漏风为采空区供给氧气，并促进对流换热。研究表明，氧气体积浓度大于18%时定义为采空区散热带，氧气体积浓度大于8%小于18%时定义为采空区氧化带，氧气体积浓度小于8%时定义为采空区窒息带[12]。采空区下部氧浓度高于上部，采空区上部氧浓度较高区域面积大于下部。

采空区Z=0m、Z=16.3m和Z=30m模拟结果，不同高度上的三带划分结果例见表3。随采空区高度增加，散热带范围逐渐减小直至消失，在Z>16.3m后，散热带完全消失。随高度增加，氧化带最大宽度先增大后减小在Z=16.3m位置氧化带最宽为32m；随高度增加，回风巷附近氧化带边界向工作面中部收缩。窒息带范围随高度增加而逐渐扩大。因此，在采空区下隅角采空区上部更容易发生自燃。

表3 采空区自燃三带分布 m

采用积分法对采空区不同高度区域氧化带面积进行计算，结果如图9所示。

图9 采空区氧化带面积随高度变化曲线

采空区高度增加，其氧化带面积先增大，在16.3m处达到最大，然后略有缩小。这是因为风流由工作面流入采空区，氧气扩散浓度降低，散热带转化为氧化带，同时采空区上部岩层较为疏松，孔隙率较大氧更易气扩散，氧化带边界扩大；一定高度后，氧气供给不充分，氧化带边界收缩，面积变小。

4 结 论

1)采用SF6示踪气技术，对温庄煤矿15102型通风工作面采空区进行漏风测定。U型通风方式下采空区工作面漏风率约为16.31%；该采空区内部存在多条漏风通道，其中液压支架与采空区交界处的漏风速度较大，最大漏风速度可达0.66m/s；其他采空区漏风通道速度相对较小，其速度在0.032～0.128m/s之间。

2)结合现场实测数据，采用Ansys-Fluent软件对U型通风采空区漏风进行数值模拟验证，模拟结果与实测结果一致；采空区内漏风流线呈U形分布，由工作面进风侧流入采空区，一定深度后向回风侧偏转并流出；U型通风系统采空区漏风主要为工作面下隅角区域，更易发生自燃。

3)U型通风系统采空区三带呈条状分布，进风侧散热带与氧化带宽度大于回风侧，自燃危险性更大。散采空区高度增加逐渐缩小并消失，采空区上部区域无散热带；氧化带范围随高度增加先增大再减小，窒息带范围随高度增加逐渐扩大。本文通过现场实测与数值模拟的方法对更加准确预测采空区自燃具有一定指导意义。