“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度确定*

  张学博1,2，3，张  帆3

  （1．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454003；2．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454003；3．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003）

摘要：合理长度的挡风帘可以有效减少工作面漏风量，避免瓦斯超限、爆炸等事故发生，保证工作面安全生产。模拟了有无挡风帘时和不同挡风帘长度时“U+L”型通风综采面采空区流场、瓦斯分布及上隅角等地瓦斯情况，验证了数学模型和参数的适用性，分析了挡风帘对采空区压力分布及瓦斯分布的影响，确定了“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度。研究表明：挡风帘对采空区压力及瓦斯分布都有重要影响，挡风帘可以使采空区内特别是挡风帘遮挡区域采空区压力下降、瓦斯浓度升高；随着挡风帘长度的增加，上隅角瓦斯浓度变化不大，采煤机机尾瓦斯浓度逐渐降低，滞后横川瓦斯浓度呈增大趋势；综合分析确定该采面合理挡风帘长度为120 m。

关键词：矿山安全；“U+L”型通风；挡风帘；滞后横川；采空区流场

中图分类号：X936  doi: 10. 11731/j．issn，1673-193x. 2016. 01. 031

0  引  言

  工作面漏风会使工作面有效风量减少、气温升高，加速采空区等处煤的氧化及采空区内的瓦斯涌出，易造成煤炭自燃、有害气体侵入、瓦斯异常涌出、瓦斯超限或积聚、瓦斯爆炸等事故，降低生产效率，影响作业人员的身体健康。平煤股份六矿戊8- 22310综采面为保护层开采工作面，其通风系统为“U+L”型，工作面绝对瓦斯涌出量高达48 m 3／min，该综采面总风量2 638 m3/min．利用SF6示踪气体测漏风技术测得工作面总漏风量1 092 m3/min，工作面漏风率高达到41. 4%，这使得工作面在本煤层和高位钻孔联合抽放的情况下，采煤机附近依然出现瓦斯积聚现象，机尾瓦斯浓度临近超限，工作面粉尘浓度较高；该工作面又位于矿井深部，调风比较困难，这严重影响了工作面的正常回采。悬挂挡风帘可以改变工作面采空区漏风流场及瓦斯分布，有效减少工作面漏风量。现场实践表明，挡风帘越长减少漏风效果越好，但挡风帘太长可能会导致“U+L”型通风工作面滞后横川等区域瓦斯浓度超限；因此确定合理的挡风帘长度对有效减少工作面漏风量、保证工作面安全生产有重要现实意义。

  很多学者对采场瓦斯分布规律，特别是上隅角等瓦斯容易积聚区域的瓦斯分布规律进行了大量研究。李宗翔等运用CFD软件模拟三维采空区瓦斯运移及分布的状态，并分析了三维采空区形成的瓦斯分布及上浮态势的原因；丁厚成模拟有走向高抽巷条件下采空区瓦斯分布，确定走向高抽巷合理位置；刘亚军、张学博等数值模拟了“U+L”型通风不同横川间距时采空区瓦斯分布、上隅角及滞后横川瓦斯浓度，确定了合理横川间距；何磊、杨胜强等对比分析Y型通风和U型通风条件下的采空区流场及瓦斯运移特征，得出采用Y型通风系统可消除采空区向上隅角的集中漏风，有效解决了U型通风上隅角瓦斯积聚和回风巷中的瓦斯；刘承宇在采空区布置测点并数值模拟U型工作面采空区气体分布，得出采空区氧化危险区域和最易自燃发火区范围。前人对“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度的研究较少，本文拟采用数值模拟手段，通过对“U+L”型通风工作面不同挡风帘长度时采空区流场及瓦斯分布的研究，确定合理挡风帘长度。

1  “U+L’’型通风综采面采空区风流流动模型的建立

1.1  物理模型的建立

  根据戊8- 22310综采面实际情况及模拟经验，建立了三维物理模型、确定了模型尺寸，如图1所示。物理模型以采空区走向方向为x轴方向，倾向方向为y轴方向，顶板方向为z轴方向；模型尺寸如下：采空区长、宽、高分别为300 m、188 m、40 m；工作面长、宽、高分别为188 m、4.4 m、2.2 m；进、回风巷长、宽、高分别为30 m、4.5 m、3.3 m；木垛支护区域长、宽、高分别为300 m、2m、3.3 m。

1.2  数学模型的建立

  假设采空区为各项同性多孔介质，采空区气体为不可压缩气体；采空区气体流动符合Darcy定律；粘性阻力系数和惯性阻力系数在Z方向上不发生变化。根据以上假设，采空区风流流动的数学模型主要包括质量守恒方程、动量( Navier - Stokes)方程和组分传输方程。

1.3  综采面采空区孔隙率分布

  孔隙率是影响采空区漏风流场及瓦斯分布的重要参数。利用UDEC软件模拟了采动覆岩结构移动变形破坏情况，得到了上覆岩层下沉量分布，进而得出了综采面采空区孔隙率的分布，如图2所示。

  从图2中可以看出：综采面采空区孔隙率分布大致呈“簸箕”状分布；①走向方向上，由于靠近工作面的部分岩层冒落后自由堆积，处于未压实状态，孔隙率在走向方向上靠近工作面的区域较大；随着采空区的不断深入，采空区深部冒落带破碎岩石逐渐被压实，孔隙率逐渐减小；当采空区深入至某一区域，岩石压实碎胀系数趋于定值，孔隙率在深部不发生变化；②倾向方向上，在工作面附近部分岩层自由堆积，孔隙率受煤壁边界影响较小；在采空区深部，中间岩层压实，孔隙率较小；而两帮岩层受煤壁支撑作用下沉量较小，孔隙率较大。

1.4  边界条件及模拟参数的设置

  根据戊8- 22310综采面现场实测结果设置边界条件及模拟参数：①进风巷入口设定为速度入口，风速为2. 98 m/s，湍动能为0.044，湍流耗散率为0.006 6；②进风巷入口氧气浓度为21%，瓦斯浓度为0；③现场测算采空区瓦斯涌出量为33 m3/min，瓦斯源位置按照实际情况设置为的上邻近层及底板遗煤处涌出；④结合前面得到的采空区孔隙率分布和C arman公式可得出采空区渗透率分布，利用C/C++语言编写采空区多孔介质孔隙率、渗透率分布函数；⑤回风巷、尾巷设定为压力出口，根据工作面阻力实测值确定其压力分别为- 162.7

Pa和- 182.7 Pa。

2  “U+L”型通风综采面采空区风流流动模型的验证

2.1  采空区漏风流场及瓦斯分布规律验证

  为了验证建立数学模型的适用性，首先数值模拟了无挡风帘时采空区漏风流场及瓦斯分布，并将模拟结果与现场实测结果进行了对比。无挡风帘时采空区流场及瓦斯分布如图3、图4所示。

  由图3可以看出，没有挡风帘时工作面全程向采空区漏风，漏入风流一小部分直接由横川排出，另一大部分漏入采空区，然后在采空区回风侧沿木垛支护区域进入横川流出，这与笔者利用SF6示踪气体测漏风技术现场实测工作面采空区漏风分布规律相一致。

  由图4可以看出：①沿采空区顶板方向，瓦斯浓度逐渐升高，瓦斯上浮效果明显；这主要是因风流中瓦斯体积分数不同引起风流密度变化所导致；含瓦斯风流一旦与漏入的新风交汇时，因两风流的密度不同必然会出现运动的变化，出现瓦斯上浮运动以及瓦斯上浮的分布；②沿采空区走向方向，瓦斯浓度逐渐升高；③沿采空区倾向方向，从进风侧到回风侧，采空区深部瓦斯浓度逐渐升高，靠近工作面采空区瓦斯浓度先升高后降低，这主要是由工作面漏风分布引起的。从工作面下隅角至上隅角漏风量逐渐减少，这使得瓦斯浓度逐渐升高；但是在滞后横川附近大量瓦斯被排走，使得滞后横川附近瓦斯浓度较低。模拟结果符合采空区瓦斯一般分布规律。

2.2  上隅角等地瓦斯浓度验证

  上隅角、采煤机机尾和滞后横川数值模拟结果和现场实测数据，如表1所示。

  由表1可知，上隅角、采煤机机尾和滞后横川瓦斯浓度模拟结果和现场实测结果比较一致，相对误差均不超过10 %。由以上对数值模拟结果的理论分析和现场实测对比，可以验证本文所采用的数值模拟方法、所建立的数学物理模型及选取参数的适用性。

3  “U+L”型通风综采面合理挡风帘长度确定及现场应用

3.1  挡风帘对采空区压力分布及瓦斯分布的影响

3.1.1  挡风帘对采空区压力分布的影响

  挡风帘的作用是减少工作面向采空区漏风，而压差是造成漏风的主要原因。因此，本文首先分别对有无挡风帘两种不同情况下工作面采空区的压力分布进行模拟分析，得出的采空区压力分布如图5所示。

由图5可看出，有无挡风帘两种情况下工作面采空区压力分布差别较大。无挡风帘时，沿倾向方向工作面压力大致成线性递减趋势；有挡风帘时，采空区压力整体变小，挡风帘遮挡区域采空区压力下降较大。

3.1.2  挡风帘对采空区瓦斯分布的影响

  对有无挡风帘两种情况下采空区瓦斯分布也进行了模拟分析，得出了采空区瓦斯分布如图4和图6所示。

  由图4、图6可以看出：①无挡风帘时，沿采空区走向方向瓦斯浓度呈逐渐增大的趋势；工作面附近采空区瓦斯浓度相对较低，这是由于工作面全程向采空区漏风，工作面附近瓦斯随漏风运移至滞后横川排走；②有挡风帘时，工作面向采空区漏风量减少，采空区内被漏风带走的瓦斯量也减少，采空区高浓度瓦斯比无挡风帘时更靠进工作面；在下隅角附近，挡风帘的存在有效减少了采空区漏风，所以靠近进风巷侧采空区瓦斯浓度较无挡风帘时大。因此，挡风帘对采空区瓦斯分布也有重要影响。

3.2  合理挡风帘长度确定及现场应用

  挡风帘越长减少漏风效果越好，但挡风帘太长可能会导致“U+L”型通风系统中滞后横川等处瓦斯浓度超限。为了确定该工作面挡风帘的合理长度，以下模拟对比分析了不同挡风帘长度情况下滞后横川、上隅角瓦斯浓度。数值模拟结果如图7所示。

  由图6、图7可看出：①不同长度挡风帘情况下采空区瓦斯分布及滞后横川瓦斯浓度有较大差别，挡风帘遮挡区域附近采空区瓦斯浓度相对较高；②随着挡风帘长度的增加，工作面漏风量逐渐减少，采空区高浓度瓦斯区域也呈增大趋势，特别是安设挡风帘的进风侧采空区内出现大面积的高浓度瓦斯区域。

 由表2可看出：①随着挡风帘长度的增加，上隅角瓦斯浓度变化不大；这主要是由于“U+L”型通风中尾巷的存在改变了采空区流场，使得上隅角不再是采空区漏风流出的汇点，主要漏风经尾巷的滞后横川流出，故挡风帘的长度变化对上隅角处风速影响不大；②随着挡风帘长度的增加，滞后横川瓦斯浓度呈增大趋势；挡风帘越长，工作面漏风量越少，采空区内被漏风带走的瓦斯也越少，采空区内瓦斯浓度整体变大，这使得在滞后横川涌出的瓦斯浓度也变大；③随着挡风帘长度的增加，工作面风量逐渐增加，有效冲淡了采煤机附近积聚的瓦斯，使得采煤机附近瓦斯浓度逐渐降低。

  《煤矿安全规程》规定滞后横川瓦斯浓度不能大于2. 5%，挡风帘长140 m时滞后横川瓦斯浓度高达2. 45%，临近超限；结合现场试验确定该工作面挡风帘合理长度为120 m。为确保挡风帘效果，须按以下要求悬挂挡风帘：挡风帘头部布置在距工作面下隅角不少于2m的进风巷处，尾部布置在工作面距下隅角120 m处，挡风帘与挡风帘搭接处重叠长度不少于0.2 m，呈一直线吊挂；挡风帘上部悬挂在支架顶部，下部固定至支架底部，并确保挡风帘紧贴支架。悬挂120 m挡风帘后，经现场实测工作面风量增加550 m3/min左右，采煤机机尾瓦斯浓度降为0. 63%，滞后横川瓦斯浓度为2.  30 %，有效避免了采煤机附近瓦斯积聚等问题，保证了工作面的安全生产，目前该采面已经顺利回采结束。

4  结论

  本文根据多孔介质渗流理论，基于CFD平台模拟了有无挡风帘时和不同挡风帘长度时“U+L”型通风综采面采空区流场、瓦斯分布及上隅角、滞后横川内瓦斯情况，分析了挡风帘对采空区压力分布及瓦斯分布的影响，确定了“U+L”型通风综采面合理挡风帘长度。通

过研究得到以下结论：

  1)挡风帘对采空区压力及瓦斯分布都有重要影响。挡风帘可以使采空区压力整体降低，挡风帘遮挡区域采空区压力下降较明显；挡风帘可以使采空区高浓度瓦斯更靠进工作面，挡风帘遮挡区域采空区瓦斯浓度明显升高。

  2)不同长度挡风帘情况下采空区瓦斯分布有较大差别。随着挡风帘长度的增加，采空区高浓度瓦斯区域呈增大趋势，特别是安设挡风帘的进风侧采空区内出现大面积的高浓度瓦斯区域，可以考虑抽采进风侧附近的采空区高浓度瓦斯。

  3)随着挡风帘长度的增加，“U+L”型通风综采面上隅角瓦斯浓度变化不大，滞后横川瓦斯浓度呈增大趋势。

  4)综合分析确定该采面最佳挡风帘长度为120 m，并在现场进行了成功应用，保证了工作面的顺利回采。