姜亦武 楊俊生 趙鵬翔 賀海瑞 郝建池 楊雪鳳

摘 要：為研究高瓦斯易自燃煤層采空區(qū)漏風規(guī)律，運用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展不同偽斜長度、有無高位鉆孔布置以及不同抽采負壓條件下采空區(qū)氧濃度分布及漏風速率研究。結(jié)果表明：無偽斜工作面的氧濃度減小速率大于有偽斜工作面，有偽斜工作面進風側(cè)漏風速率明顯大于回風側(cè)，但中部漏風速率均大于工作面兩側(cè);采空區(qū)布置高位鉆孔抽采瓦斯時，其回風側(cè)漏風程度明顯增大，同時增加了8%～18%氧濃度的分布范圍，但對進風巷道內(nèi)氧濃度的變化規(guī)律幾乎無影響。增大抽采負壓時，采空區(qū)漏風流場整體向回風側(cè)加大，采空區(qū)漏風流場與抽采負壓變化成正比，但整體漏風流場寬度基本保持一致。同時，增大抽采負壓對回風側(cè)氧濃度分布范圍起到極大的促進作用，其氧化升溫帶增大12～28 m。研究結(jié)果為掌握實際礦井中有無偽斜、不同鉆場瓦斯抽采及其不同抽放負壓情況下的采空區(qū)漏風流場變化規(guī)律，及判定自燃危險區(qū)域提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：漏風速率;偽斜長度;高位鉆孔;抽采負壓;氧化升溫帶;煤自燃 中圖分類號：TD 712

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）01-0046-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0107

Numerical simulation? of air leakage law in goaf under

gas extraction of inclined high gas coal seam

JIANG Yiwu1，YANG Junsheng2，ZHAO Pengxiang3，HE Hairui2，HAO Jianchi3，YANG Xuefeng2

（1.Yankuang Xinjiang Nenghua Ltd.，Urumchi 830000，China;

2.Liuhuanggou Coal Mine，Yankuang Xinjiang Mining Co.，Ltd.，Changji 831100，China;

3.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：To study the law of air leakage in the goaf of high gas and spontaneous combustion coal seam，theoretical analysis and numerical simulation were made to develop the oxygen concentration distribution in the goaf under different pseudo-inclined lengths，with or without high-level borehole layout，and under different negative pressure conditions，as well as the examination of air leakage rate.The results show that the reduction rate of oxygen concentration in the non-pseudo-inclined working face was greater than that in the pseudo-inclined working face，and the air leakage rate on the intake side of the pseudo-inclined working face was significantly greater than that on the return air side，but the central air leakage rate was greater than both sides of the working face.When the high-level borehole was used to extract gas in the goaf，the degree of air leakage on the return side was significantly increased，and the distribution range of oxygen concentration of 8% to 18% was increased，with little effect on the change rule of oxygen concentration in the intake tunnel.When the pumping negative pressure was increased，the air leakage flow field in the goaf increased toward the return side as a whole.The air leakage flow field in the goaf was directly proportional to the change in the pumping negative pressure，but the overall width of the air leakage flow field remained basically the same.And increasing the negative pressure of extraction can greatly promote the distribution range of oxygen concentration on the return air side，and the oxidation heating zone increases by 12～28 m.The research results provided a guidance for judging whether or not there is a pseudo-incline in the actual mine，gas drainage in different drilling sites and the air leakage flow field in the goaf under different suction negative pressure conditions，a certain theoretical basis for determining the spontaneous combustion dangerous area.

Key words：air leakage rate;pseudo-inclined length;high-level drilling;extraction negative pressure;oxidation heating zone;coal spontaneous combustion

0 引 言

采空區(qū)漏風供氧程度直接影響了采空區(qū)煤自然發(fā)火周期的長短，而自燃“三帶”理論（即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶）的建立同樣是基于對采空區(qū)漏風供氧與蓄熱條件的研究[1-2]。針對采空區(qū)危險區(qū)域與自燃“三帶”劃分的研究，國內(nèi)外眾多專家學者開展了大量實驗并取得了豐碩的成果[3-5]。

鄧軍等為了更為準確的預測采空區(qū)的煤自燃溫度，進而對煤自燃災害進行防控，建立了一種基于隨機森林方法的煤自燃預測模型，同時通過程序升溫的方法研究了風量對煤低溫氧化自燃過程的影響，結(jié)果表明煤體溫度的增加需要更大的風量加以支持[6-7]。同樣對煤體升溫氧化自燃，張辛亥等采用熱分析技術(shù)以及改進的KAS法對該過程進行了質(zhì)量及動力學參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)煤的失重呈階段性變化規(guī)律，并可分為4個階段[8]。

杜陽等通過利用Gambit軟件對“兩進一回”通風方式的采空區(qū)進行煤自燃區(qū)域分布規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)在此通風條件下的煤自燃危險區(qū)域較大[9]。郝宇、李品等通過使用COMSOL軟件模擬了不同通風條件、不同推進距離下的采空區(qū)自燃“三帶”分布特征，發(fā)現(xiàn)氧化帶寬度隨著風速、推進距離的增加呈現(xiàn)階段性變化[10-11]。文虎等利用Fluent軟件煤層分層前后的采空區(qū)氧濃度分布特征，以此來探究煤層分層對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，結(jié)果表明煤層分層會減小回風側(cè)散熱帶和自燃帶的寬度[12]。朱紅青等采用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究尾巷抽放瓦斯對采空區(qū)煤自燃的影響，發(fā)現(xiàn)進行尾巷抽放瓦斯會使氧化升溫帶的范圍向采空區(qū)內(nèi)部極大的擴展[13]。肖峻峰等通過使用Gambit軟件對高抽巷瓦斯抽采條件下的采空區(qū)遺煤自燃進行研究，并找到能夠有效滿足防火要求的工作面風量[14]。ZHAI等結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐的方法，研究了注氮對遺煤自燃的影響，發(fā)現(xiàn)注氮可以有效地延長自燃時間，降低煤自燃的可能性[15]。

綜上所述，國內(nèi)外學者對采空區(qū)自燃“三帶”的具體特征、分布規(guī)律、影響因素等從數(shù)值模擬、工程實踐以及實驗室實驗等多個方面進行了深入的研究，并取得了豐碩的成果，為采空區(qū)煤自燃災害的防治提供了堅實的基礎(chǔ)。而通過研究采空區(qū)漏風規(guī)律，進而調(diào)整礦井防煤自燃措施也是有必要的，高建良、馬礪、黎經(jīng)雷等對采空區(qū)進行數(shù)值模擬，分析得到了采空區(qū)的漏風規(guī)律，并為工作面制定合理的供風量[16-18]。ZHAI、ZHUO等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實驗相結(jié)合的試驗手段，針對具體通風條件，埋深進行研究，得出其具體漏風規(guī)律。并制定相應的防煤自燃措施[19-20]。目前對于高位鉆孔抽采瓦斯進而引起的采空區(qū)漏風引發(fā)煤自燃的研究相對較少。文中以新疆硫磺溝煤礦（4-5）04工作面為試驗原型，通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，以此來探究瓦斯抽采對采空區(qū)漏風及煤自燃的影響。

1 工程地質(zhì)概況

試驗以新疆硫磺溝煤礦（4-5）04工作面為原型，該工作面走向長度為2 618.5 m，傾斜長度為180 m。煤層平均角度為24°，平均開采厚度為6.15 m，割煤高度為3.0 m，采放比為1∶1.1。在（4-5）04工作面中，沿著4-5號煤層底板進行軌道順槽與皮帶順槽的掘進工作，工作面配風量為1 048 m3/min，具體布置情況如圖1（a）所示?；夭善陂g，因煤層賦存情況的變化，工作面支架推進速度不一致，下端口超前上端口開采，形成工作面仰偽斜，如圖1（b）所示。

2 數(shù)值模型的建立

利用ANSYS Workbench數(shù)值模擬軟件所具備的建模與網(wǎng)格劃分模塊，根據(jù)硫磺溝煤礦（4-5）04工作面概況，建立走向200 m，傾向180 m，傾角24°的工作面模型。參照現(xiàn)場高位鉆孔的層位布置，確定模型的總體高度為50 m;巷道長度為4 m，寬度為3 m;兩巷浮煤厚度4.2 m、寬度5.5 m;冒落帶高度理論預測28.8 m，裂隙帶高度理論預測147.9 m。為結(jié)合實際進行模擬，設(shè)計了2#鉆場模型以及無鉆場模型，如圖2所示，根據(jù)鉆場實際鉆孔參數(shù)進行了如圖3的鉆孔建模。在進行網(wǎng)格劃分時，無鉆場模型以及2#鉆場模型中浮煤層、進回風巷及工作面步長設(shè)置為1 m，巖層步長設(shè)置為2 m;鉆孔實際尺寸為0.12 m，因此鉆孔步長設(shè)置為0.01 m，并在與巖層接觸面進行了網(wǎng)格加密;共劃分網(wǎng)格單元無鉆場模型1 274 393個，2#鉆場模型1 489 301個。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 工作面?zhèn)涡睂Σ煽諈^(qū)漏風規(guī)律影響

結(jié)合（4-5）04工作面的實際開采情況研究分析，為確保工作面支架的合理布置，杜絕工作面支架因重力傾倒而發(fā)生下端口超前上端口開采，從而產(chǎn)生超前25 m左右的工作面仰偽斜現(xiàn)象。為符合現(xiàn)場實際情況，本次數(shù)值模擬設(shè)置偽斜條件為：進風巷超前回風巷25 m。針對采空區(qū)氣流進行實際氣體測定過程中得出，采空區(qū)內(nèi)漏風情況隨工作面?zhèn)涡遍L度變化而變化。為充分掌握采空區(qū)內(nèi)漏風流場變化規(guī)律，結(jié)合工作面實際回采情況，以一定初始條件和相同邊界條件為基準開展數(shù)值模擬研究，分析了有、無偽斜條件下采空區(qū)漏風流場變化情況，其結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

由圖4采空區(qū)氧濃度分布云圖可以得出，采空區(qū)氧濃度整體呈進風側(cè)區(qū)域?qū)?、回風側(cè)較窄的分布規(guī)律，且從進風側(cè)至回風側(cè)，氧濃度逐漸減小，其減小速率也不斷增加。同時可以看出，當氧氣質(zhì)量濃度處于18.8%～23%范圍內(nèi)時，無偽斜工作面兩側(cè)氧濃度小于中部，當氧氣質(zhì)量濃度小于18%時，進風側(cè)氧濃度最大。而有偽斜工作面氧濃度受氧氣質(zhì)量濃度影響較小，其整體呈進風側(cè)氧濃度最大的規(guī)律。

由圖5采空區(qū)漏風速率等值線圖可以得到，有偽斜、無偽斜工作面中部漏風速率均大于工作面兩側(cè)，且其漏風速率下降速率也相同。有偽斜工作面進風側(cè)漏風速率大于回風側(cè)，而無偽斜工作面漏風速率在進回風兩側(cè)相同位置基本相同。

由圖6采空區(qū)氧濃度進回風側(cè)氧濃度曲線可以看出，有偽斜、無偽斜2種工作面回風側(cè)氧濃度曲線變化趨勢高度吻合，其同一位置氧濃度大體相同。進風側(cè)氧濃度變化曲線中，在距離工作面35～130 m時，有偽斜工作面氧濃度明顯高于無偽斜工作面氧濃度，有偽斜工作面進風側(cè)氧濃度下降速率小于無偽斜工作面。根據(jù)氧濃度為8%～18%的自燃“三帶”劃分標準[1]，無偽斜、有偽斜工作面進風側(cè)氧化升溫帶分別為40，53 m，有偽斜工作面氧化升溫帶較無偽斜工作面增大了13 m。通過對不同偽斜長度工作面采空區(qū)漏風規(guī)律的研究，確定了偽斜長度影響下工作面氧化升溫帶的變化規(guī)律，為預防采空區(qū)自燃工作提供了一定的理論依據(jù)。

3.2 有無高位鉆孔抽放條件下采空區(qū)漏風規(guī)律研究

正?；夭蓵r，（4-5）04工作面的風量平均為1 048 m3/min，此風量下進行采空區(qū)立體氧濃度模擬，其模擬云圖如圖7所示，在與圖7（a）相同條件下，2#鉆場增加了回風側(cè)的鉆孔抽采，其氧濃度如圖7（b）所示。根據(jù)現(xiàn)場實測點的最小值30 kPa，進行模擬得到抽采負壓。如圖，由于鉆場抽采工作的進行，影響回風側(cè)處的漏風情況，使其明顯增大，從空間上看，2#鉆場采空區(qū)氧濃度在X，Y，Z這3個方向都有不同程度的增大。X方向為工作面傾向，Y方向為工作面立體縱向，Z方向為工作面至采空區(qū)的走向。ZY平面上，氧濃度隨著Y方向距離的增加，以弧線狀在采空區(qū)深度方向增加，且當Z為0時，氧濃度寬度在進風側(cè)最小。立體漏風在進風側(cè)向回風側(cè)移動的過程中逐漸減小。

從圖8分析可到，有、無鉆場對不同距離下進風巷道內(nèi)氧濃度幾乎無影響，該區(qū)域采空區(qū)氧濃度都達到最大值，隨著采空區(qū)不斷向深部延伸，氧濃度減小速率也不斷減小。此外，對于回風側(cè)方向氧濃度，無鉆場采空區(qū)下降明顯。由于抽采工作增大了回風側(cè)的采空區(qū)漏風，兩巷浮煤較厚導致耗氧量增加，致使相同位置氧濃度情況的進回風兩巷均小于采空區(qū)內(nèi)部，因此，2#鉆場采空區(qū)在進回風兩巷氧濃度基本保持一致。

如圖9所示，有、無鉆場采空區(qū)的進回風側(cè)漏風速率都基本保持一致，無鉆場抽采采空區(qū)漏風速率在靠近回風側(cè)較大。鉆場抽采過程中，采空區(qū)相同位置漏風速率明顯大于無鉆場抽采。從2#鉆場漏風速率曲線可以看出，由于采空區(qū)浮煤內(nèi)部不同位置風流速率的不同，導致浮煤與采空區(qū)風流氧氣充分接觸，最終采空區(qū)漏風速率曲線發(fā)生一定彎曲，且其逐漸向采空區(qū)深部延伸，且因為上部鉆孔的負壓抽采方式，導致進、回風側(cè)速率不同，因此隨著向采空區(qū)深部延伸該趨勢逐漸減小。

從圖10中的氧濃度對比圖分析發(fā)現(xiàn)，進風側(cè)采空區(qū)相同位置處有無鉆場抽采卸壓瓦斯對氧氣濃度分布規(guī)律影響不大。2種情況下，同樣出現(xiàn)了在距離工作面60 m范圍內(nèi)氧濃度急劇下降的趨勢，并在距離工作面73 m之外接近于0%的變化規(guī)律，無鉆場抽采的采空區(qū)相同位置處氧濃度超過有鉆場的最多3%左右。相反，在回風側(cè)采空區(qū)兩者的數(shù)值變化呈現(xiàn)明顯的不同。在距離工作面80 m的范圍內(nèi)，有鉆場抽采瓦斯的采空區(qū)氧濃度比無鉆場的最多超出7%。無鉆場抽采的采空區(qū)在距工作面約28 m位置其氧濃度就下降至5%，遠小于有鉆場抽采時的50 m。

綜上所述，高位鉆場抽采瓦斯對采空區(qū)進風側(cè)氧濃度分布影響不大，對回風側(cè)采空區(qū)氧濃度起到明顯的增益作用。增大氧濃度5%以上的區(qū)域22m距離，形成了立體式漏風通道，極大地增大了采空區(qū)遺煤氧化范圍。

3.3 不同抽采負壓下采空區(qū)漏風規(guī)律

根據(jù)礦井實際施工鉆孔參數(shù)及抽放負壓，選用抽放負壓條件為30，80 kPa模擬2#鉆場的采空區(qū)漏風流場。由圖11～圖12可以看出，在不同抽采負壓條件下2#鉆場的氧氣濃度分布及擴散距離有適當變化，當抽放負壓增大時，采空區(qū)立體漏風隨之增大。

根據(jù)圖13可以看出，隨著抽采負壓增大，回風側(cè)漏風速率明顯增大。在抽采負壓為80 kPa條件下，2#鉆場漏風曲線相較于抽采負壓為30 kPa時更為復雜，并且在傾向60 m范圍內(nèi)漏風曲線存在偏向工作面的變化趨勢。

根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”危險區(qū)域判定準則[1]劃分采空區(qū)自燃“三帶”：其中漏風風速大于

0.004 m/s的區(qū)域為散熱帶，漏風風速為0.004～0.001 6 m/s的區(qū)域為氧化帶;窒息帶為采空區(qū)內(nèi)漏風風速小于

0.001 6的區(qū)域。根據(jù)圖13可以發(fā)現(xiàn)，當2#鉆場抽采負壓為30 kPa時，氧化升溫帶位于進風側(cè)距離工作面20～45 m，回風側(cè)距離工作面18～40 m。當2#鉆場抽采負壓為80 kPa時，氧化升溫帶位于進風側(cè)距離工作面24～60 m范圍，回風側(cè)距離工作面30～68 m范圍。

由圖14（a）可知，在采空區(qū)進風側(cè)距離工作面18～110 m時，2#鉆場抽采負壓為80 kPa條件下的氧濃度均大于30 kPa，當距工作面距離為53 m時氧濃度差最大為4.4%。由圖14（b）可知，同樣在采空區(qū)回風側(cè)距離工作面0～110 m時，2#鉆場抽采負壓為80 kPa條件下的氧濃度更大，當距工作面距離為37 m時氧濃度差最大為7%?？傊?#鉆場的鉆孔抽采負壓由30 kPa增大至80 kPa時，工作面采空區(qū)漏風流場向采空區(qū)回風側(cè)偏移，在采空區(qū)回風側(cè)漏風速率及氧濃度較大，但漏風流場寬度差異較小。

綜上所述，2#鉆場在30，80 kPa抽采負壓的條件下，采空區(qū)中的漏風流場整體向回風側(cè)加大并與其相當，漏風速率及氧濃度分布在局部區(qū)域回風側(cè)較大。增大抽采負壓，2#鉆場的采空區(qū)漏風流場同樣正比增加，但其寬度基本不變。

4 結(jié) 論

1）偽斜能明顯提高進風側(cè)離工作面35～130 m內(nèi)采空區(qū)氧濃度，并減緩氧濃度衰減速度。受偽斜影響，工作面進風側(cè)氧化升溫帶增加13 m，達到53 m。高位鉆場抽采下的回風側(cè)漏風明顯，30 kPa抽采負壓下，相同位置的采空區(qū)氧濃度相差最大達到約7%。由于受到高位鉆孔抽采的影響，有立體式漏風通道在采空區(qū)中形成，該通道導致浮煤氧化的范圍增大。

2）2#鉆場抽采負壓提高，采空區(qū)中的漏風流場由于抽采負壓的提高產(chǎn)生整體向回風側(cè)延伸的現(xiàn)象。進風側(cè)與回風側(cè)的漏風流場范圍大致相當，但在局部地區(qū)，漏風速率與氧濃度回風側(cè)較大。增大抽采負壓，2#鉆場的采空區(qū)漏風流場同樣正比增加，但其寬度基本不變。

3）通過開展傾斜高瓦斯煤層不同條件下的采空區(qū)漏風規(guī)律，分析有無偽斜、高位鉆孔抽放以及不同抽采負壓等因素對采空區(qū)漏風的影響，得到偽斜、高位鉆孔抽放以及抽采負壓對于采空區(qū)氧氣濃度的分布影響規(guī)律。可對傾斜高瓦斯煤層的煤火災害防治提供一定參考。

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收稿日期：2020-07-12?? 責任編輯：楊泉林

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（51974237）;新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項目（2018E02094）

第一作者：姜亦武，男，山東濟寧人，高級工程師，E-mail：51215088@qq.com

通信作者：趙鵬翔，男，甘肅蘭州人，博士，副教授，E-mail：zhpxhs@sina.com