趙 亮，王 飛，劉紅威，焦治平，王俊虎

(1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024；3.山西焦煤集團有限責(zé)任公司杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

利用切頂留巷無煤柱開采技術(shù)進(jìn)行回采，面臨的主要問題就是采空區(qū)管理[1]。由于留巷側(cè)幫段是采空區(qū)冒落帶，采空區(qū)全部暴露在巷道內(nèi)，形成一種完全開放狀態(tài)[2]，采空區(qū)未能完全封閉，漏風(fēng)相對嚴(yán)重，采空區(qū)內(nèi)有害氣體在負(fù)壓作用下很容易泄漏到巷道內(nèi)，增加了對有害氣體的管理難度[3]。同時，切頂留巷無煤柱開采技術(shù)條件下[4]，工作面通風(fēng)方式由U型通風(fēng)變?yōu)閅型通風(fēng)[5]，采空區(qū)漏風(fēng)相對較大，采空區(qū)內(nèi)遺煤在高氧條件下很容易氧化[6]。

近年來，學(xué)者們運用CFD軟件對采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。裴桂紅等[7]通過模擬分析得出采空區(qū)漏風(fēng)及遺煤瓦斯涌出對采場氣體流動的影響規(guī)律；楊勝強等[8]通過模擬劃分出不同漏風(fēng)量條件下采空區(qū)的煤自燃三帶區(qū)域；劉偉等[9]結(jié)合綜采工作面U型通風(fēng)與Y型通風(fēng)特性，模擬對比分析得出Y型通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)特點；高建良等[10]通過模擬得出J型通風(fēng)工作面不同供風(fēng)量條件下采空區(qū)漏風(fēng)情況；劉雷政[11]模擬分析得出漏風(fēng)對近距離上覆采空區(qū)煤自燃的影響規(guī)律，并對上覆采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)進(jìn)行劃分；張立國[12]以淺埋深近距離煤層采空區(qū)為研究背景，模擬分析得出采空區(qū)漏風(fēng)強度在距工作面水平長度及采空區(qū)垂直方向上的變化關(guān)系；馬礪等[13]以某礦103綜采區(qū)為研究背景，模擬分析了其采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，并確定了該工作面的合理供風(fēng)量；梁運濤等[14]通過采空區(qū)孔隙率非介質(zhì)模型模擬得出采空區(qū)的流場分布。

本文以杜兒坪煤礦切頂留巷62711工作面為研究背景，運用Fluent軟件模擬分析了留巷側(cè)幫堵漏風(fēng)材料不同孔隙率對該采空區(qū)漏風(fēng)的影響，推導(dǎo)出留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量公式同時對切頂留巷采空區(qū)漏風(fēng)氧濃度場進(jìn)行分析從而降低采空區(qū)遺煤自燃的危險性。

1 切頂留巷無煤柱開采技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

1.1 工作面情況

該工作面設(shè)計采高1.9 m，煤巖層傾角為1°～7°，平均2°，可采走向長度1 564 m，切眼長216 m，可采儲量83.8萬t，采用Y型通風(fēng)方法。

1.2 切頂留巷無煤柱開采情況

通過在采空區(qū)側(cè)定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力，進(jìn)而利用頂板巖層壓力和頂板部分巖體，實現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采，消除或減弱了頂板的周期性壓力，實現(xiàn)切頂成巷無煤柱開采。留巷位置為62711工作面軌道巷，留巷長度1 564 m，設(shè)計切縫深度6 m。工作面布置及留巷位置如圖1所示。

2 切頂留巷工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)設(shè)置

1) 物理模型。杜兒坪煤礦的兩條進(jìn)風(fēng)巷機巷、風(fēng)巷寬為4.2 m，高2.8 m；沿空留巷與總回風(fēng)巷夾角為95°，巷寬5.5 m，三維采場物理模型及平面示意圖如圖2所示。

圖1 62711工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采施工位置示意圖

圖2 網(wǎng)格及物理模型圖

2) 數(shù)學(xué)模型。質(zhì)量守恒方程見式(1)，動量守恒方程見式(2)，能量守恒方程見式(3)和式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u、v為速度矢量在x、y方向上的分量；μ為動力黏度；p為流體微元上的壓力；K為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的傳熱系數(shù)；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度，K。

2.2 邊界假設(shè)條件

①假設(shè)瓦斯和氧氣、氮氣構(gòu)成采空區(qū)流體，流體為理想氣體且不可壓縮，理想狀態(tài)下各氣體組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；②不考慮溫度、濕度、井下設(shè)備等其他環(huán)境因素對流場的影響；③假設(shè)采空區(qū)孔隙率、碎脹系數(shù)是均勻連續(xù)分布。

2.3 邊界條件的設(shè)置

①速度入口邊界：模型的機巷、風(fēng)巷設(shè)為Velocity-inlet，初始進(jìn)風(fēng)風(fēng)量分別為970 m3/s、1 106 m3/s；②出口邊界：把回風(fēng)巷出口設(shè)置為out-flow；③壁面邊界：把采空區(qū)深部、模型上部、底部設(shè)置為Wall固壁邊界；④交界面邊界：把進(jìn)風(fēng)巷與工作面的交界面設(shè)置為interior邊界；⑤堵漏風(fēng)材料面邊界：堵漏風(fēng)材料面的邊界采用多孔跳躍介質(zhì)邊界；⑥源項邊界：冒落帶三區(qū)瓦斯源項、裂隙帶瓦斯源項設(shè)置見表1。

表1 模型各區(qū)域的瓦斯源項表

3 切頂留巷工作面采空區(qū)流場模擬結(jié)果分析

兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)方式是在原U型通風(fēng)系統(tǒng)的機巷附加風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，機巷進(jìn)風(fēng)的作用是稀釋工作面煤壁涌出的瓦斯，風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)的作用是稀釋工作面上隅角瓦斯積聚，稀釋沿空留巷瓦斯?jié)舛?。但是機巷和風(fēng)巷雙巷同時進(jìn)風(fēng)的Y型通風(fēng)系統(tǒng)，使沿空留巷回風(fēng)風(fēng)量加大的同時，也由于負(fù)壓作用增大了采空區(qū)的漏風(fēng)量。

3.1 切頂留巷采空區(qū)漏風(fēng)流場模擬結(jié)果

為控制切頂留巷無煤柱開采下沿空留巷側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)，工作面推進(jìn)時自切眼處對采空區(qū)進(jìn)行階段性封堵，封堵方式為向切頂留巷側(cè)噴涂堵漏風(fēng)材料。封堵漏風(fēng)材料能夠有效封堵切頂留巷側(cè)裸露的煤巖體，抑制采空區(qū)與沿空留巷之間的氣體流動。

同時為了明確切頂留巷側(cè)堵漏風(fēng)材料孔隙率對采空區(qū)漏風(fēng)流場的影響，選取同類型7種孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)的漏風(fēng)流場情況。切頂留巷Y型通風(fēng)方式工作面采空區(qū)漏風(fēng)流線模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，留巷正幫段材料孔隙率為0時，風(fēng)巷向工作面的風(fēng)流較弱，孔隙率為1時，由于負(fù)壓較大，風(fēng)巷風(fēng)流向采空區(qū)的漏風(fēng)量最大；在孔隙率0.1～0.5范圍內(nèi)，不同孔隙率的共同特征是：①在湍流風(fēng)流由風(fēng)巷進(jìn)到工作面過程中，會出現(xiàn)風(fēng)流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處的情形，風(fēng)流支點受離心力作用，在外側(cè)形成減速增壓區(qū)，過了轉(zhuǎn)彎處，因為流速較大和轉(zhuǎn)彎處曲率半徑較小，在慣性作用下工作面內(nèi)側(cè)出現(xiàn)渦流區(qū)，這是采空區(qū)漏風(fēng)的一個主要原因；②孔隙率越大留巷向采空區(qū)漏風(fēng)距離越長，在靠近工作面0～100 m處向采空區(qū)漏風(fēng)量較大，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)主要集中在上隅角、下隅角附近。因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)加強風(fēng)巷靠近工作面的堵漏措施。

圖3 不同孔隙率下工作面采空區(qū)漏風(fēng)流線

3.2 切頂留巷側(cè)不同孔隙率堵漏風(fēng)材料下工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量結(jié)果分析

通過對沿空留巷正幫段階段性的噴涂堵漏風(fēng)材料研究得出，在不同孔隙率下堵漏風(fēng)材料對采空區(qū)漏風(fēng)量的差異，圖4為堵漏風(fēng)材料在不同孔隙率下工作面采空區(qū)漏風(fēng)量變化示意圖。由圖4可知，工作面向采空區(qū)的最大漏風(fēng)量由孔隙率為1時的0.125 m3/min向孔隙率為0時的0.052 m3/min依次減少。不同孔隙率下工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量在整體上：由于機巷進(jìn)風(fēng)垂直射入采空區(qū)，故在0～20 m附近工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量呈急劇下降趨勢；然后又由于機巷風(fēng)流在工作面拐彎處由于離心力作用呈現(xiàn)先增大一段距離，隨著機巷向風(fēng)巷壓力的減小漏風(fēng)量下降，故在20～55 m處漏風(fēng)量呈拋物線式；最后由于風(fēng)巷新鮮風(fēng)在流入留巷段時有一部分風(fēng)流在拐彎處由于慣性作用流入工作面故在距離風(fēng)巷67 m附近工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量又急劇上升，但由于風(fēng)巷風(fēng)流在拐彎不是垂直射入采空區(qū)，因此漏風(fēng)量沒有0～20 m處的多。

7種不同孔隙率堵漏風(fēng)材料下工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量最低時距機巷長度值見表2。 由表2可知，不同孔隙率下工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量最低點隨孔隙率的變大在距機巷10～25 m以及145～180 m處呈線性變化。

圖4 工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量分布

表2 不同孔隙率下漏風(fēng)量最小值距機巷長度

3.3 切頂留巷側(cè)不同孔隙率堵漏風(fēng)材料下留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量結(jié)果分析

7種不同孔隙率下留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量如圖5所示。由圖5可知，孔隙率為1時留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量最大，不同孔隙率下留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量的共同特征是：留巷靠近工作面走向方向，留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量都呈減小趨勢；當(dāng)不噴涂堵漏風(fēng)材料時，留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量最大，噴涂堵漏風(fēng)材料可以有效地減小留巷向采空區(qū)漏風(fēng)強度。以圖5中數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用最小二乘法擬合留巷段長度與留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量之間的關(guān)系，選用三項多項式擬合曲線方程。在距風(fēng)巷30～120 m處不同孔隙率漏風(fēng)曲線相交后采空區(qū)向留巷漏風(fēng)量增大。留巷長度和漏風(fēng)量滿足條件見表3。

圖5 留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量分布

3.4 采空區(qū)漏風(fēng)氧濃度場分析

分別對留巷側(cè)幫段不同孔隙率(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0)條件下采空區(qū)漏風(fēng)氧濃度場進(jìn)行模擬計算。如圖6所示，富氧區(qū)在工作面后采空區(qū)100 m，風(fēng)巷200 m區(qū)域是采空區(qū)漏風(fēng)流流經(jīng)的地方，采空區(qū)孔隙率較大，采空區(qū)漏風(fēng)路徑由62711工作面風(fēng)巷進(jìn)入采空區(qū)未充分壓實側(cè)，一部分沿采空區(qū)邊緣向采空區(qū)深處流動，大部分沿工作面后垮落區(qū)(100 m左右范圍內(nèi))向沿空留巷側(cè)移動，匯通機巷進(jìn)風(fēng)漏風(fēng)流，沿空留巷墻內(nèi)側(cè)孔隙及采空區(qū)流動，最終沿空留巷墻裂隙流出匯集回風(fēng)巷，在沿空留巷側(cè)O2濃度較大，符合Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)流動方向。當(dāng)留巷側(cè)幫段堵漏風(fēng)材料孔隙率為0時，風(fēng)流最開始只從風(fēng)巷和材料巷漏入采空區(qū)，隨著留巷側(cè)幫堵漏風(fēng)材料孔隙率由0向1變化過程中，留巷向采空區(qū)漏風(fēng)量增大，由文獻(xiàn)[15]可知，氧濃度體積分?jǐn)?shù)在10%～18%之間為自燃帶，會導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃，沿空留巷Y型通風(fēng)方式下漏風(fēng)整體比U型通風(fēng)漏風(fēng)大，留巷側(cè)幫段堵漏風(fēng)材料孔隙率為1時由于留巷側(cè)幫完全裸露在采空區(qū)導(dǎo)致留巷、工作面的漏風(fēng)流在負(fù)壓增大情況下漏向采空區(qū)風(fēng)流最多，采空區(qū)自燃帶(氧濃度體積分?jǐn)?shù)在10%～18%之間)面積最大。但在孔隙率為0.5～0.1時，由于留巷側(cè)幫段堵漏風(fēng)材料孔隙率變小，導(dǎo)致留巷向采空區(qū)的漏風(fēng)流強度減弱，采空區(qū)自燃三帶面積變小，留巷側(cè)幫段堵漏風(fēng)材料為0時由工作面向采空區(qū)漏風(fēng)強度明顯減弱，采空區(qū)自燃“三帶”的面積也變小。

圖6 不同孔隙率采空區(qū)垂直方向上氧濃度分布

4 結(jié) 論

1) 沿空留巷Y型通風(fēng)與傳統(tǒng)的U型通風(fēng)相比，在靠近留巷處流場由于負(fù)壓增大以及慣性作用出現(xiàn)渦流區(qū)，風(fēng)巷采空區(qū)漏風(fēng)量大，可能導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃，因此需要加強對采空區(qū)此段距離的監(jiān)測。

2) 在留巷側(cè)幫段噴涂堵漏風(fēng)材料的孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0情況下，一部分風(fēng)流漏入采空區(qū)，且下隅角附近漏風(fēng)量較大，此后隨至下隅角距離的增大，漏風(fēng)量變小，在上隅角附近漏風(fēng)量急劇增大。沿空留巷向采空區(qū)的漏風(fēng)量隨距工作面距離的增大而逐漸減小，不同孔隙率下載靠近工作面0～100 m處漏風(fēng)整體較大，應(yīng)著重進(jìn)行采取堵漏措施和監(jiān)控，為井下安全生產(chǎn)提供保證。

3) 在留巷側(cè)幫段噴涂堵漏風(fēng)材料的孔隙率為0、0.1、0.2、0.3、0.4時明顯采空區(qū)留巷自燃帶減小，因此進(jìn)行切頂留巷側(cè)幫段堵漏風(fēng)可以減小自燃危險性。