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★ 煤矿安全 ★

不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究

刘志文1 史建设1 傅 琦1 李文涛1 吴春雷2

(1.华亭煤业集团有限责任公司东峡煤矿,甘肃省平凉市,744100;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

摘 要 针对东峡煤矿大倾角工作面采空区现场危险区域难确定的问题,在确定工作面及采空区参数的基础上,采用相似模拟试验方法,构建了采空区自燃“三带”模拟试验系统,得出了大倾角工作面采空区在不同风量、不同风向下O2浓度的分布规律。结果显示:大倾角采空区自燃“三带”呈立体分布;随着工作面风量的增大,风流进入采空区的深度以及对采空区的影响高度增大;上、下行通风条件下自燃“三带”主要分布在下巷道侧。

关键词 大倾角采空区 相似模型 不同风量 上下行通风 “三带”分布

大倾角工作面回采过程中会造成采空区上部岩层垮落,易损坏布置在采空区内的监测设备,增加现场实测研究的难度,且采空区内煤、岩堆积规律复杂,难以从理论角度直接分析风流在采空区内的运移规律[1-4]。因此,在实验室开展相似模拟试验是研究采空区风流场分布的重要方法。相似模拟试验过程直观、观测方便、可人为控制、试验周期短、重复性强,因而具有不可替代的作用。笔者利用相似模拟试验,模拟在不同风量、不同通风方式条件下,大倾角采空区风流运移特点及采空区氧气分布,对指导大倾角采空区的防灭火具有重要的指导意义。

1 采空区自燃“三带”模拟试验系统的构建

1.1 相似原理

相似模拟试验是以相似理论和因次分析为基础的模型试验技术,模型与原型之间必须遵循一定的相似准则,即在几何、运动、动力、边界条件和重要的物理力学参数相似的基础上,研究不同模型之间的相似规律,本试验平台基本参数按照实际工作面1∶50进行制作,遵守相似理论三大定律[5-6]

1.2 系统主体设计

根据一般工作面实际尺寸,按照1∶50的比例,搭建采空区自燃“三带”相似模拟试验平台进行相似模拟试验,研究风量和风向对采空区氧气(O2)浓度及自燃“三带”分布的影响,定性得出漏风在采空区的主要影响区域,为采空区的防灭火提供一定的指导。试验系统原理如图1所示。

1-CH4气瓶,2-CH4减压阀;3-CH4流量计; 4-N2气瓶;5-N2减压阀;6-有机玻璃外壳; 7-传感器;8-巷道模型;9-煤层模型;10-旋转机构; 11-注气口;12-空气流量计;13-流量积算仪;14-真空泵; 15-控制器;16-变送器;17-计算机
图1 试验系统原理

为了研究采空区内风流运移规律及O2浓度分布特点,传感器分别布置在距工作面300 mm、550 mm和1150 mm水平,分上、中、下3层布置,距底板高度分别为70 mm、150 mm和250 mm,并在底板铺设每隔100 mm开有小孔的 12 mm橡胶管路,用来注入氮气(N2),相关参数及传感器布置位置及方式如图2所示。

图2 传感器分布

2 试验过程及结果

2.1 试验工作面概况

东峡煤矿37220-1大倾角综放工作面为西翼采区首采面,该工作面煤层为特厚易自燃煤层,工作面平均倾角52°,工作面走向长度1036 m,倾斜长度59.2 m,采用综合机械化放顶煤采煤法开采,采高2.6 m,放顶高度7.2 m。工作面采用U型通风方式,设计供风量490 m3/min,实际供风量750 m3/min。

2.2 试验过程

调节平台角度至52°,控制通风机风量为3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min进行模拟矿井通风试验,3组风量分别对应工作面实际风量为490 m3/min、750 m3/min和900 m3/min,试验过程如图3所示。

连接好系统各个管路,向采空区注入N2,待控制柜O2浓度读数稳定在8%后,停止注入N2,静置12 h以上,待各传感器读数稳定后,调节平台倾角至52°,打开真空泵,分别调节流量至3.9 L/min、6 L/min和7.2 L/min,观察并记录O2浓度变化情况。

图3 试验过程

2.3 试验结果及分析

2.3.1 风量对采空区O2浓度分布的影响

为了研究不同风量下大倾角工作面采空区O2浓度的分布,在采取下行通风方式时,分别选取3.9 L/min、6 L/min、7.2 L/min作为工作面通风量,传感器监测的O2浓度变化情况如图4所示。

(1)在不同配风量条件下,回风巷侧1号、 4号、7号传感器组最大O2浓度分别为12.8%、12%、11.6%,均为下层传感器,1号、4号上层最大O2浓度分别为12.4%和11.9%,中层传感器O2浓度介于上、下两层之间。

图4 下行通风不同风量O2浓度

(2)工作面配风量不断增大时,1号、4号、7号传感器组O2浓度上升速率和最大值也增大,且距工作面较近的1号传感器组的O2浓度最大值比距工作面较远的7号传感器组大。

(3)随着风量的增大各传感器O2浓度增大,但增大幅度比上行通风时增大幅度小,且上、中、下层浓度最大值差别不大。

风量为3.9 L/min时,风流动能较小,在自然风压和沿程阻力的影响下,动能迅速下降,受工作面负压作用,向回风巷方向流动,因此回风巷侧O2浓度变化较小。

风流向回风巷流动过程中,动能随着距工作面距离的增大而减小,向采空区深部带入O2减小,使距工作面较远的7号传感器组的O2浓度小于距工作面较近的1号传感器组。

下行通风时,风流流动方向与自然风压方向相同,增大了风流的动能,使风流快速向回风巷侧流动,使得传感器组各层之间O2浓度最大值差别较小。

2.3.2 风向对采空区氧气浓度分布的影响

为了研究大倾角工作面条件下,上、下行通风对采空区O2浓度分布的影响,笔者选取工作面风量为7.2 L/min试验数据为研究对象,大倾角工作面上、下行通风条件下O2传感器变化曲线如图5所示。

图5 不同风向条件下O2浓度

(1)下巷道侧的1号、4号、7号传感器组O2浓度在上行通风时要高于下行通风,且差值较大;但采空区中部的2号、5号、8号传感器组O2浓度在下行通风时要高于上行通风,且差值较小。

(2)同一传感器组下层O2浓度均比中层O2浓度高,靠近工作面的O2浓度均比远离工作面的O2浓度高。

(3)在上行通风时,下巷道侧靠近工作面的1号下层O2浓度升高幅度最大,由起始的7.7%上升到20%;同样,在下行通风时,下巷道侧靠近工作面的1号下层O2浓度升高幅度最大,由起始的7.8%上升到12.8%。

(4)上行通风和下行通风时采空区O2浓度的分布范围有很大差别,上行通风时,7号传感器组O2浓度分别为下层16.1%、中层14.3%;下行通风时,在7号传感器组O2浓度分别为下层11.6%、中层11.3%,可以看出上行通风时,风流对采空区O2浓度影响范围更远。

(5)在上行通风时,7号传感器中层O2浓度为14.3%,8号传感器中层O2浓度为7.9%;而在下行通风时,7号传感器中层O2浓度为11.3%,8号传感器中层O2浓度为8.4%。因此,在风流影响高度上,上行通风对采空区下巷道侧O2浓度的影响大于下行通风,下行通风对采空区中部O2浓度的影响大于上行通风。

2.4 采空区自燃“三带”分布及风流影响范围

2.4.1 采空区自燃“三带”分布

通过对试验数据的分析,使用Matlab绘制出在52°倾角及不同风量条件下,采空区立体自燃“三带”分布情况。由于在不同风量条件下,自燃“三带”分布仅表现在范围上的差别,因此,仅选取6 L/min风量条件下进行研究,图中均以进风巷尾部作为坐标原点,图中0.1和0.18分别表示O2浓度10%和18%,上、下行通风条件下采空区自燃“三带”分布如图6和图7所示。

图6 上行通风条件下采空区自燃“三带”分布

图7 下行通风条件下采空区自燃“三带”分布

(1)在上行通风条件下,距底板70 mm位置,风流受沿程阻力和自然风压的双重作用,向采空区深部流动,在进风巷侧形成约600 mm宽的氧化带;风流在向回风侧流动过程中,动能急剧降低,从而使氧化带靠近工作面,且宽度减小,在回风巷侧形成宽度约160 mm的氧化带,氧化带整体宽度为150~900 mm;随着距底板距离的增大,氧化带范围以进风巷为中心逐渐缩小。

(2)在下行通风条件下,距底板70 mm位置,风流在工作面压差和自然风压作用下,沿倾向方向流动,由于初始动能较大,且流动过程中受遗煤阻碍,使部分风流快速向采空区深部流动,分别在进、回风巷侧形成宽度为150 mm和1100 mm的氧化带;随着距底板距离的增大,氧化带范围以回风巷为中心逐渐缩小。

2.4.2 采空区风流影响范围

受遗煤阻碍时风流运移情况如图8所示。风流在采空区流动时,受遗煤的阻碍,向阻力小的区域流动,在无其他力的干扰情况下,风流慢慢偏离初始运动方向,向采空区深部流动,且动能降低;初始动能越大,风流所能影响的范围越远;随着风量的升高,风流初始动能增大,进入采空区深部的距离增大,工作面与采空区压差△H也增大,压差对采空区风流影响的范围增大,导致风流到达采空区回风巷内壁后,向采空区深部流动的距离减小。

图8 受遗煤阻碍时风流运移示意

图9 上、下行通风风流影响区域示意

在距底板70 mm高度,大倾角工作面采空区风流影响范围如图9所示,图中空白区域为风流能够影响的区域,风流主要影响区域为下巷道侧采空区,上行通风比下行通风风流的影响范围大,风流影响范围由下巷道至上巷道以此递减;上行通风时,风流影响范围在采空区中部迅速减小,而下行通风时,风流影响范围缓慢减小。

3 结论

(1)工作面风量逐渐增大的过程中,风流对采空区O2浓度的影响范围逐渐增大,风流动能增大,风流进入采空区的深度以及能够影响的高度也增大。

(2)由于大倾角工作面上下巷道高差较大,自然风压在不同风向时,对风流的影响较大,导致风流主要影响区域均为采空区下巷道侧。

(3)上、下行通风条件下自燃“三带”都主要分布在下巷道侧,因此,应加强对下巷道侧采空区的监控力度,确保煤矿安全生产。

参考文献:

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[2] Pan Rongkun, Cheng Yuanping, Yu Minggao, et al. New technological partition for "three zones" spontaneous coal combustion in goaf [J]. International Journal of Mining Science and Technology. 2013, 1(2): 1-4.

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[6] 谢文兵,陈百祥,郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.

Study on the influence of different ventilation modes on dangerous area of coal spontaneous combustion in deep-inclined gob

Liu Zhiwen1, Shi Jianshe1, Fu Qi1, Li Wentao1, Wu Chunlei2

(1. Dongxia Coal Mine of Gansu Huating Coal Group Company, Pingliang, Gansu 744100, China;2. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

Abstract In view of the problem that it was difficult to determine the dangerous area in the gob of Dongxia Coal Mine, based on the parameters of working face and gob, the authors constructed a simulation experiment system of "three zones" of gob spontaneous combustion following the similarity simulation test, and obtained the distribution law of O2 concentration in the deep-inclined gob under different air volume and different wind direction. The results showed that "three zones" of spontaneous combustion in deep-inclined gob were three-dimensional distributed; with the increase of air volume in working face, the depth of air flow into gob and the influence height were increased; the "three zones" of spontaneous combustion were mainly distributed on the side of down roadway under the condition of upward and downward ventilation modes.

Key words deep-inclined gob, similarity model, different air volume, upward and downward ventilation modes, "three-zone" distribution

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引用格式:刘志文,史建设,傅琦,等. 不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究[J].中国煤炭,2020,46(8)∶72-78.

Liu Zhiwen, Shi Jianshe, Fu Qi, et al. Study on the influence of different ventilation modes on dangerous area of coal spontaneous combustion in deep-inclined gob [J].China Coal, 2020,46(8)∶72-78.

中图分类号 TD724

文献标识码 A

作者简介:刘志文(1976-),男,陕西志丹人,采矿工程师,现任甘肃华亭煤电股份有限公司东峡煤矿总工程师,主要从事生产技术管理方面的实践与研究。E-mail:jskfbwen@163.com。

(责任编辑 张艳华)