切顶留巷侧帮孔隙率对工作面采空区漏风规律研究

赵 亮，王 飞，刘红威，焦治平，王俊虎

(1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.山西煤矿安全研究生教育创新中心，山西 太原 030024；3.山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪煤矿，山西 太原 030022)

利用切顶留巷无煤柱开采技术进行回采，面临的主要问题就是采空区管理[1]。由于留巷侧帮段是采空区冒落带，采空区全部暴露在巷道内，形成一种完全开放状态[2]，采空区未能完全封闭，漏风相对严重，采空区内有害气体在负压作用下很容易泄漏到巷道内，增加了对有害气体的管理难度[3]。同时，切顶留巷无煤柱开采技术条件下[4]，工作面通风方式由U型通风变为Y型通风[5]，采空区漏风相对较大，采空区内遗煤在高氧条件下很容易氧化[6]。

近年来，学者们运用CFD软件对采空区漏风规律进行数值模拟研究。裴桂红等[7]通过模拟分析得出采空区漏风及遗煤瓦斯涌出对采场气体流动的影响规律；杨胜强等[8]通过模拟划分出不同漏风量条件下采空区的煤自燃三带区域；刘伟等[9]结合综采工作面U型通风与Y型通风特性，模拟对比分析得出Y型通风方式下采空区漏风特点；高建良等[10]通过模拟得出J型通风工作面不同供风量条件下采空区漏风情况；刘雷政[11]模拟分析得出漏风对近距离上覆采空区煤自燃的影响规律，并对上覆采空区遗煤自燃危险区进行划分；张立国[12]以浅埋深近距离煤层采空区为研究背景，模拟分析得出采空区漏风强度在距工作面水平长度及采空区垂直方向上的变化关系；马砺等[13]以某矿103综采区为研究背景，模拟分析了其采空区漏风规律，并确定了该工作面的合理供风量；梁运涛等[14]通过采空区孔隙率非介质模型模拟得出采空区的流场分布。

本文以杜儿坪煤矿切顶留巷62711工作面为研究背景，运用Fluent软件模拟分析了留巷侧帮堵漏风材料不同孔隙率对该采空区漏风的影响，推导出留巷向采空区漏风量公式同时对切顶留巷采空区漏风氧浓度场进行分析从而降低采空区遗煤自燃的危险性。

1 切顶留巷无煤柱开采技术现场应用

1.1 工作面情况

该工作面设计采高1.9 m，煤岩层倾角为1°～7°，平均2°，可采走向长度1 564 m，切眼长216 m，可采储量83.8万t，采用Y型通风方法。

1.2 切顶留巷无煤柱开采情况

通过在采空区侧定向切顶，切断部分顶板的矿山压力，进而利用顶板岩层压力和顶板部分岩体，实现自动成巷和无煤柱开采，消除或减弱了顶板的周期性压力，实现切顶成巷无煤柱开采。留巷位置为62711工作面轨道巷，留巷长度1 564 m，设计切缝深度6 m。工作面布置及留巷位置如图1所示。

2 切顶留巷工作面采空区漏风流场数值模拟

2.1 数值模拟模型建立及参数设置

1) 物理模型。杜儿坪煤矿的两条进风巷机巷、风巷宽为4.2 m，高2.8 m；沿空留巷与总回风巷夹角为95°，巷宽5.5 m，三维采场物理模型及平面示意图如图2所示。

图1 62711工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采施工位置示意图

图2 网格及物理模型图

2) 数学模型。质量守恒方程见式(1)，动量守恒方程见式(2)，能量守恒方程见式(3)和式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u、v为速度矢量在x、y方向上的分量；μ为动力黏度；p为流体微元上的压力；K为流体的传热系数；ST为流体的传热系数；T为理想气体的热力学温度，K。

2.2 边界假设条件

①假设瓦斯和氧气、氮气构成采空区流体，流体为理想气体且不可压缩，理想状态下各气体组分之间不发生化学反应；②不考虑温度、湿度、井下设备等其他环境因素对流场的影响；③假设采空区孔隙率、碎胀系数是均匀连续分布。

2.3 边界条件的设置

①速度入口边界：模型的机巷、风巷设为Velocity-inlet，初始进风风量分别为970 m3/s、1 106 m3/s；②出口边界：把回风巷出口设置为out-flow；③壁面边界：把采空区深部、模型上部、底部设置为Wall固壁边界；④交界面边界：把进风巷与工作面的交界面设置为interior边界；⑤堵漏风材料面边界：堵漏风材料面的边界采用多孔跳跃介质边界；⑥源项边界：冒落带三区瓦斯源项、裂隙带瓦斯源项设置见表1。

表1 模型各区域的瓦斯源项表

3 切顶留巷工作面采空区流场模拟结果分析

两进一回Y型通风方式是在原U型通风系统的机巷附加风巷进风，机巷进风的作用是稀释工作面煤壁涌出的瓦斯，风巷进风的作用是稀释工作面上隅角瓦斯积聚，稀释沿空留巷瓦斯浓度。但是机巷和风巷双巷同时进风的Y型通风系统，使沿空留巷回风风量加大的同时，也由于负压作用增大了采空区的漏风量。

3.1 切顶留巷采空区漏风流场模拟结果

为控制切顶留巷无煤柱开采下沿空留巷侧的采空区漏风，工作面推进时自切眼处对采空区进行阶段性封堵，封堵方式为向切顶留巷侧喷涂堵漏风材料。封堵漏风材料能够有效封堵切顶留巷侧裸露的煤岩体，抑制采空区与沿空留巷之间的气体流动。

同时为了明确切顶留巷侧堵漏风材料孔隙率对采空区漏风流场的影响，选取同类型7种孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)的漏风流场情况。切顶留巷Y型通风方式工作面采空区漏风流线模拟结果如图3所示。

由图3可知，留巷正帮段材料孔隙率为0时，风巷向工作面的风流较弱，孔隙率为1时，由于负压较大，风巷风流向采空区的漏风量最大；在孔隙率0.1～0.5范围内，不同孔隙率的共同特征是：①在湍流风流由风巷进到工作面过程中，会出现风流经转弯处的情形，风流支点受离心力作用，在外侧形成减速增压区，过了转弯处，因为流速较大和转弯处曲率半径较小，在惯性作用下工作面内侧出现涡流区，这是采空区漏风的一个主要原因；②孔隙率越大留巷向采空区漏风距离越长，在靠近工作面0～100 m处向采空区漏风量较大，工作面向采空区的漏风主要集中在上隅角、下隅角附近。因此，在实际生产中，应加强风巷靠近工作面的堵漏措施。

图3 不同孔隙率下工作面采空区漏风流线

3.2 切顶留巷侧不同孔隙率堵漏风材料下工作面向采空区漏风量结果分析

通过对沿空留巷正帮段阶段性的喷涂堵漏风材料研究得出，在不同孔隙率下堵漏风材料对采空区漏风量的差异，图4为堵漏风材料在不同孔隙率下工作面采空区漏风量变化示意图。由图4可知，工作面向采空区的最大漏风量由孔隙率为1时的0.125 m3/min向孔隙率为0时的0.052 m3/min依次减少。不同孔隙率下工作面向采空区漏风量在整体上：由于机巷进风垂直射入采空区，故在0～20 m附近工作面向采空区漏风量呈急剧下降趋势；然后又由于机巷风流在工作面拐弯处由于离心力作用呈现先增大一段距离，随着机巷向风巷压力的减小漏风量下降，故在20～55 m处漏风量呈抛物线式；最后由于风巷新鲜风在流入留巷段时有一部分风流在拐弯处由于惯性作用流入工作面故在距离风巷67 m附近工作面向采空区漏风量又急剧上升，但由于风巷风流在拐弯不是垂直射入采空区，因此漏风量没有0～20 m处的多。

7种不同孔隙率堵漏风材料下工作面向采空区漏风量最低时距机巷长度值见表2。 由表2可知，不同孔隙率下工作面向采空区漏风量最低点随孔隙率的变大在距机巷10～25 m以及145～180 m处呈线性变化。

图4 工作面向采空区漏风量分布

表2 不同孔隙率下漏风量最小值距机巷长度

3.3 切顶留巷侧不同孔隙率堵漏风材料下留巷向采空区漏风量结果分析

7种不同孔隙率下留巷向采空区漏风量如图5所示。由图5可知，孔隙率为1时留巷向采空区漏风量最大，不同孔隙率下留巷向采空区漏风量的共同特征是：留巷靠近工作面走向方向，留巷向采空区漏风量都呈减小趋势；当不喷涂堵漏风材料时，留巷向采空区漏风量最大，喷涂堵漏风材料可以有效地减小留巷向采空区漏风强度。以图5中数据为依据，采用最小二乘法拟合留巷段长度与留巷向采空区漏风量之间的关系，选用三项多项式拟合曲线方程。在距风巷30～120 m处不同孔隙率漏风曲线相交后采空区向留巷漏风量增大。留巷长度和漏风量满足条件见表3。

图5 留巷向采空区漏风量分布

3.4 采空区漏风氧浓度场分析

分别对留巷侧帮段不同孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)条件下采空区漏风氧浓度场进行模拟计算。如图6所示，富氧区在工作面后采空区100 m，风巷200 m区域是采空区漏风流流经的地方，采空区孔隙率较大，采空区漏风路径由62711工作面风巷进入采空区未充分压实侧，一部分沿采空区边缘向采空区深处流动，大部分沿工作面后垮落区(100 m左右范围内)向沿空留巷侧移动，汇通机巷进风漏风流，沿空留巷墙内侧孔隙及采空区流动，最终沿空留巷墙裂隙流出汇集回风巷，在沿空留巷侧O2浓度较大，符合Y型通风采空区漏风流动方向。当留巷侧帮段堵漏风材料孔隙率为0时，风流最开始只从风巷和材料巷漏入采空区，随着留巷侧帮堵漏风材料孔隙率由0向1变化过程中，留巷向采空区漏风量增大，由文献[15]可知，氧浓度体积分数在10%～18%之间为自燃带，会导致采空区遗煤自燃，沿空留巷Y型通风方式下漏风整体比U型通风漏风大，留巷侧帮段堵漏风材料孔隙率为1时由于留巷侧帮完全裸露在采空区导致留巷、工作面的漏风流在负压增大情况下漏向采空区风流最多，采空区自燃带(氧浓度体积分数在10%～18%之间)面积最大。但在孔隙率为0.5～0.1时，由于留巷侧帮段堵漏风材料孔隙率变小，导致留巷向采空区的漏风流强度减弱，采空区自燃三带面积变小，留巷侧帮段堵漏风材料为0时由工作面向采空区漏风强度明显减弱，采空区自燃“三带”的面积也变小。

图6 不同孔隙率采空区垂直方向上氧浓度分布

4 结 论

1) 沿空留巷Y型通风与传统的U型通风相比，在靠近留巷处流场由于负压增大以及惯性作用出现涡流区，风巷采空区漏风量大，可能导致采空区遗煤自燃，因此需要加强对采空区此段距离的监测。

2) 在留巷侧帮段喷涂堵漏风材料的孔隙率为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0情况下，一部分风流漏入采空区，且下隅角附近漏风量较大，此后随至下隅角距离的增大，漏风量变小，在上隅角附近漏风量急剧增大。沿空留巷向采空区的漏风量随距工作面距离的增大而逐渐减小，不同孔隙率下载靠近工作面0～100 m处漏风整体较大，应着重进行采取堵漏措施和监控，为井下安全生产提供保证。

3) 在留巷侧帮段喷涂堵漏风材料的孔隙率为0、0.1、0.2、0.3、0.4时明显采空区留巷自燃带减小，因此进行切顶留巷侧帮段堵漏风可以减小自燃危险性。