U+L 通风下采空区漏风规律及气体体积分数分布研究

贾 男

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

采空区漏风导致的遗煤自燃给煤矿的安全生产带来了严重的隐患[1-3]，对不同煤层赋存以及矿井通风情况下的漏风规律以及煤自燃等问题的研究一直被国内外学者广泛关注，尤其在非U 型通风等复杂条件下，采空区漏风通道变得更加多源化，采空区风流流动、气体种类及分布情况变得更加复杂，加大了采空区自燃及有害气体涌出的危险[4-10]。近年来学者们通过现场试验及数值模拟开展了大量关于采空区漏风规律及煤自燃等问题研究，黎经雷等[11]研究了风速对近距离煤层采空区漏风及煤自燃的影响，结果表明风速一定情况下，采空区氧化带范围与采空区发育高度成正比；汪东[12]研究了配风量与采空区漏风及煤自燃的关系，得到了采空区自燃带面积及宽度与风速的朗格缪尔函数关系，并确定了工作面最小推进速度；贺飞等[13]研究了表土层厚度对鄂尔多斯地区浅埋工作面采空区自燃影响，得出采空区自燃区域范围与地表漏风量呈近对数函数关系；李玉福[14]对近距离煤层群防灭火技术进行了研究，建立了自燃预测预报系统，制定了从设计到回采阶段的整套防灭火预案。学者们对各种条件下采空区漏风规律已做了大量的研究[15-16]，但对复杂漏风条件下采空区有害气体分布及涌出规律的研究较少，为此对酸刺沟煤矿U+L 复杂通风条件下上隅角氧气体积分数较低、CO2及N2体积分数较高问题进行研究。

1 采空区束管布置

试验选在酸刺沟矿6 上109 工作面，工作面倾向长度为230 m，煤层平距厚度为11.09 m，采用综采放顶煤开采工艺，工作面回采率为85%，煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，自燃发火期为40～60 d，工作面最大原煤瓦斯含量为4.94 m3/t，回采工作面采用U+L 型通风方式，其中6上109 运输巷和6上111 辅运巷进风，6上109 辅运巷回风，相邻工作面两巷道留设30 m 保护煤柱，为方便井下作业，两巷道每隔200 m 开1 条联络巷道，当联络巷道即将进入采空区前将其进行密封。6上109 工作面由于开采强度大，采空区遗煤多、竖向“三带”发育好，且U+L 型特殊通风方式造成工作面及采空区风流复杂，漏风量大，易造成采空区遗煤自燃。针对上述情况，设计采用沿采空区倾向+走向铺设束管方式监测采空区气体体积分数，研究采空区漏风规律、气体体积分数及“三带”分布情况。

当工作面回采至22#联络巷道时，在工作面后部运输机后方向采空区铺设1 趟束管系统，束管采用φ50 mm 钢管包裹，设置8 个气体采样头，1#～4#和5#～8#采样头之间间距均为30 m，4#和5#采样头之间间距为50 m，采样头安装在钢管外接三通的在花管中，同时在6上109 辅运巷再设置9#～11#3 个测点，测点间距均为30 m，并每天采集上隅角气进行分析。工作面束管布置如图1。

图1 工作面束管布置Fig. 1 Layout of surface bundle pipe

2 试验数据分析

2.1 采空区气体体积分数分布

采空区气体检测过程中未发现有C2H6、C2H4、C2H2等气体，其中检测到的CH4和CO 体积分数均较低，但回风侧存在较高体积分数CO2和N2。针对O2、CO2和N2的体积分数进行分析，各测点的气体体积分数分布如图2～图6。

图2 1#～4#测点O2 体积分数分布Fig. 2 Distribution of oxygen concentration at 1#-4# measuring points

由图2～图4 可以看出，采空区O2体积分数随距工作面距离呈下降趋势，且回风侧的O2体积分数下降速度明显大于进风侧，其中进风侧1#测点距工作面27 m 时，O2体积分数下降到18%，测点进入氧化带，距工作面105 m 时，O2体积分数下降到8%，测点进入窒息带；8#测点距工作面9 m 时，测点进入氧化带，距工作37 m 时，测点进入窒息带，而靠近工作面进风侧煤壁的9#～11#测点的O2体积分数下降速度较其它测点O2体积分数下降较慢，这是由于采空区顶板垮落造成22#联络巷密闭产生裂隙，导致相邻6上111 运输巷中新鲜风流漏入采空区，且由于保留煤柱的支撑作用形成较好的漏风通道，因此O2体积分数下降较慢。

图3 5#～8#测点O2 体积分数分布Fig. 3 Distribution of oxygen concentration at 5#-8# measuring points

图4 9#～11#测点及上隅角O2 体积分数分布Fig. 4 Distribution of oxygen concentration at 9#-11# measuring points and upper corner

图5 采空区8#测点CO2 及N2 体积分数分布Fig. 5 Concentration distribution of carbon dioxide and nitrogen at 8# measuring points in goaf

图6 回风隅角CO2 及N2 体积分数分布Fig. 6 Concentration distribution of carbon dioxide and nitrogen in the corner of return air

由图4 和图6 可以看出，回风隅角处O2体积分数偏低，最低达到12%，随着工作面推进，回风隅角O2体积分数呈上升趋势，CO2和N2体积分数呈下降趋势，其中CO2体积分数最高达到1.5%，N2体积分数最高达到86%，分析原因为6上107 工作面采空区遗煤由于长期缓慢氧化消耗了O2并生成了大量CO2，造成采空区中存在高体积分数的CO2和N2，在通风负压的作用下，相邻采空区高体积分数CO2和N2通过20#联络巷密闭的裂缝进入回采工作面采空区并由回风侧及上隅角涌出，但随着工作面回采，20#联络巷密闭逐渐深入采空区，密闭处通风负压降低，相邻采空区漏入回采工作面的高体积分数CO2和N2量不断减小，回风隅角O2体积分数逐渐升高，CO2和N2体积分数逐渐降低。

由图5 可以看出，8#测点CO2和N2体积分数整体呈上升趋势，其中CO2体积分数最高可达11%，这是由于采空区遗煤不断氧化消耗O2并产生CO2，使CO2和N2比例提高，且原煤中含有的CO2随着开采及采空区顶板垮落等应力作用发生解吸，使采空区CO2体积分数升高。

2.2 采空区“三带”划分

根据采集数据绘制的采空区“三带”分布如图7。

图7 采空区“三带”分布Fig. 7 Distribution of three zones in goaf

整个工作面采空区“三带”范围：靠入风侧散热带最长，范围为0～25 m，氧化带也最长，范围为25～110 m，窒息带为距工作面110 m 以外；靠回风侧散热带最短，范围为0～7 m，氧化带也最短，范围为7～35 m，窒息带为距工作面35 m 以外；其余各地点散热带在0～25 m 范围变化，氧化带在7～110 m 范围变化，窒息带在大于35 m 和110 m 范围，由于最短发火期为40 d，因此生产过程中采煤机割煤速度不得小于2.13 m/d。

3 密闭封堵及效果

经现场观测，109 工作面联络巷密闭受采空区顶板垮落应力影响产生了大量裂隙，尤其是在帮顶结合处裂隙发育较明显，针对密闭裂隙漏风问题，对密闭进行重新优化设计，密闭原设计厚度为4 m，两侧砌筑0.8 m 厚混凝土，中间采用黄土填充，现设计密闭墙厚度为4.8 m，两侧混凝土厚度增加到0.9 m，混凝土中间下部填充黄土，在帮顶结合处填充0.3 m 的胶凝材料，胶凝材料选用罗克休，其具有膨胀硬化快、抗压抗冲击性能强、让压效果好、封堵严密等优点，在密闭墙体上预留2 个注浆管，上部注浆管用于充填帮顶结合处，靠下部的注浆管用于充填靠密闭前方采空区顶板位置处，使顶板和密闭顶板有效结合，防止裂隙生成，密闭优化设计如图8，经密闭封堵后的上隅角O2及CO2体积分数分布如图9。

图8 密闭优化设计Fig. 8 Closed optimization design

从图9 可以看出，经密闭优化封堵后，上隅角CO2体积分数降到0.25%以下，O2体积分数提高到16%以上，且随着工作面距联络巷距离的增加，O2体积分数呈逐渐上升趋势，CO2体积分数呈逐渐下降趋势，说明采取的漏风治理措施有效。

4 采空区数值模拟

4.1 采空区风流流线

联络巷密闭封堵及密闭有漏风裂隙2 种情况下采空区风流分布如图10 和图11。

图9 回风隅角O2 及CO2 体积分数分布Fig. 9 Concentration distribution of oxygen and carbon dioxide in the corner of return air

图10 密闭封堵采空区风流流线Fig. 10 Air flow line of closed sealing goaf

图11 密闭漏风采空区风流流线Fig. 11 Air flow streamline in closed air leakage goaf

由图10 和图11 可以看出，当密闭封堵完好时，风流主要是由进风侧漏入采空区并由回风侧漏出，由于工作面后方采空区顶板垮落压密不严实，因此采空区横向和纵向存在大量缝隙空间，风流一部分漏入采空区深部，另一部分漏入采空区上部，最后汇集到回风侧漏出，进风侧少量风流由于遇到阻力发生逆向偏转，并由靠近进风侧巷道采空区流出工作面。当密闭存在裂隙时，除进风侧存在向采空区漏风之外，在通风负压作用下相邻采空区通过密闭裂隙向回采工作面采空区也存在漏风，由于在相同通风条件下多了1 条漏风通道，因此进风侧漏入采空区的风量和范围均减小。

4.2 采空区氧气体积分数分布

联络巷密闭封堵及密闭有漏风裂隙2 种情况下采空区O2体积分数分布如图12～图15。

图12 密闭封堵采空区底板O2 体积分数分布Fig. 12 Distribution of oxygen concentration in the floor of closed stope

图13 密闭封堵采空区O2 体积分数分布Fig. 13 Distribution of oxygen concentration in closed stope

图14 密闭漏风采空区底板O2 体积分数分布Fig. 14 Distribution of oxygen concentration inthe floor of closed air leakage goaf

图15 密闭漏风采空区O2 体积分数分布Fig. 15 Distribution of oxygen concentration in closed air leakage goaf

由图12～图15 可以看出，当密闭封堵完好时，进风侧氧气体积分数明显大于回风侧，采空区O2体积分数随距工作面距离增加呈逐渐降低趋势，靠近进风巷道侧氧化带范围为40～132 m，靠近回风巷道侧氧化带范围为20～40 m，沿采空区垂直方向O2体积分数呈下降趋势，这是因为采空区瓦斯上浮，使靠近顶板处瓦斯高于底板处，相应O2体积分数为靠近底板处偏高。当密闭存在裂隙时，采空区O2体积分数整体低于密闭完好时的采空区O2体积分数，且氧化带范围减小，进风巷道侧氧化带范围为32～120 m，回风巷道侧氧化带范围为12～30 m，这是由于在相同通风负压下增加1 条漏风通道使工作面漏入采空区的风量减小，同时邻近采空区低氧体积分数气体进入回采工作面采空区并由回风侧涌出，造成采空区氧化带范围减小，采空区整体O2体积分数降低，且上隅角O2体积分数偏低，模拟得出“三带”范围与现场试验得出的结果基本一致。

4.3 采空区风压分布

联络巷密闭封堵及密闭有漏风裂隙2 种情况下采空区风压分布如图16 和图17。

图16 密闭封堵采空区底板压力分布Fig. 16 Pressure distribution of the bottom plate in the closed stope

图17 密闭漏风采空区底板压力分布Fig. 17 Pressure distribution of the floor in the closed air leakage goaf

由图16 和图17 可以看出，进风侧风压明显高于回风侧，符合风流运动规律，进风侧风流进入采空区遇到阻力后形成1 个高压中心，一部分风流进入采空区深部，另一部分风流发生逆向偏转流向工作面，当密闭存在裂隙时，在密闭处形成1 个小高压中心，风流由密闭流入采空区并由回风侧流出。

5 结 论

1）在通风负压作用下，采空区联络巷密闭存在裂隙漏风，相邻采空区高体积分数N2和遗煤氧化产生的高体积分数CO2通过密闭裂隙漏入回采工作面采空区导致采空区及回风隅角整体O2体积分数偏低，CO2及N2体积分数偏高，O2体积分数最低达到12%，CO2及N2体积分数最高达到1.5%和86%，随着工作面回采，回风隅角O2体积分数逐渐升高，CO2及N2体积分数逐渐降低。

2）受采空区遗煤氧化及原煤CO2解吸影响，采空区CO2及N2体积分数随距工作面距离增大而增加。

3）采取密闭封堵措施后，上隅角CO2体积分数降到0.25%以下，O2体积分数提高到16%以上。

4）通过现场试验以及数值模拟方式得到的采空区“三带”范围基本一致，进风侧氧化带的范围为25～110 m，氧化带最长，回风侧氧化带的范围为7～35 m，氧化带最短，进风侧O2体积分数整体高于回风侧，为防止自然发火，确定采煤机割煤速度不得小于2.13 m/d。