深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究.pdf

1222023 年第 8 期收稿日期 2023-01-14作者简介 高常华（1979），男，山东济宁人，2010 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，本科，工程师，从事煤矿“一通三防”技术管理工作。深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究高常华 孙 帅 姜明栋（山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272400）摘 要 深部矿井的通风稳定性影响生产安全，随季节而变化的自然风压对其影响更明显。为研究深部煤层自然风压对采空区流场的影响，通过现场实测得到矿区冬季采空区内部流场规律和自然风压变化规律，利用数值模拟方法，验证了自然风压是影响采空区内部流场演化规律的重要因素，并根据煤矿实际情况及研究结果，制定了冬季工作面通风方式和其他措施。关键词 深部矿井；自然风压；采空区；数值模拟中图分类号 TD724 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.040Research on the Dynamic Evolution Law of Natural Wind Pressure in Deep Wells and Flow Field in GoafGao Changhua Sun Shuai Jiang Mingdong(Shandong Xinhe Mining Industry Co.,Ltd.,Shandong Jining 272400)Abstract:The ventilation stability of deep mines affects production safety,and the natural wind pressure that varies with the season has a more significant impact.To study the impact of natural wind pressure in deep coal seams on the flow field in goaf,the internal flow field law and natural wind pressure change law in winter goaf of the mining area are obtained through on-site measurements.Numerical simulation methods are used to verify that natural wind pressure is an important factor affecting the evolution law of the internal flow field in goaf,and according to the actual situation and research results of the coal mine,ventilation methods and other measures for the winter working face are formulated.Key words:deep mine;natural wind pressure;goaf;numerical simulation 高常华等：深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究自然风压对矿井通风系统的影响随开采深度增加越发明显，其对矿井通风的稳定性起到关键作用1-3。新河煤矿属于典型深部开采矿井，自然风压的变化容易导致瓦斯涌出异常和漏风自燃等问题4。本文根据实测结果，提出对自然风压进行利用和控制的措施，减少了自然风压对矿井通风系统的不利影响，一定程度上提高了矿井的生产安全性5-6。1 矿井通风概况矿井目前采用中央并列抽出式通风，矿井主要通风机为 GAF23.7-11.8-1 型轴流式风机。掘进工作面采用局部通风机压入式通风，采煤工作面采用单进单回“U”型通风方式。在该通风方式下，井下采空区密闭内外压差受自然风压影响较大，随自然风压变化，各时间段压差正负起伏较大，导致密闭漏风严重，存在遗煤自燃风险。2 深井大面积采空区漏风规律研究2.1 测点测定压能布置针对 7312 综放面，具体测定地点是采空区沿途各密闭处。根据 730 采区的采空区分布状况和井下情况，共设置 3 个监测点，如图 1。图 1 采空区沿途密闭内外压能测定点1232023 年第 8 期高常华等：深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究2.2 各测点压能测定结果与分析为更准确地反映出采空区内部流场规律，将所测数据进行处理，整理出代表秋冬季气候的两月内各测点压能，计算密闭内外压能差。9 月轨道顺槽密闭内外压差如图 2（a），胶带顺槽密闭压差如图2（b），10 月轨道顺槽密闭内外压差如图 2（c），胶带顺槽密闭内外压差如图 2（d）。（a）7312-9 月轨道顺槽压差（b）7312-9 月胶带顺槽压差 （c）7312-10 月轨道顺槽压差 （d）7312-10 月胶带顺槽压差图 2 各测点密闭内外压能差大气压较高（112.8 MPa）时，密闭内外压差为负数，有空气流入采空区内的趋势，采空区内氧气浓度高于正常值；大气压较低（112.8 MPa）时，密闭内外压差为正数，有采空区内气体外流的趋势，氧气浓度低，在正常值内。由此可知，采空区密闭内外压差受自然风压变化较大。2.3 自然风压的测定及变化规律采用间接测量法对煤矿的自然风压进行数据测量。根据实际情况，测定时间选择 3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00，这样可以更好地反映自然风压在煤矿秋冬季一天中的变化。自然风压测定结果如图 3。图 3 秋冬季一天中不同时段自然风压变化 根据图 3 曲线变化，自然风压在 3：009：00这一时间段先缓慢下降，当时间达到 6：00，自然风压快速下降；9：0015：00，这一时段的自然风压近似呈现线性下降趋势，并在 15：00 达到最小；15：0024：00，自然风压先快速上升，大约在19：00 之后，自然风压的上升速率逐渐下降，处于稳定上升阶段。从零时开始，新河煤矿秋冬季自然风压总体呈现先下降后上升的变化规律。2.4 深井大面积采空区流场数值模拟研究在数值模拟过程中，采用 SIMPLE 算法求解不可压流场，能够较为精确地求解动量方程。1）模型构建针对 7312 工作面采空区，利用 ANSYS Fluent软件，构建采空区三维数值模型以及分析采空区的流场分布。各密闭巷道处设置为压力出/入口，巷道区域的边界条件为流体，自主编译 UDF 函数进行实现，空气密度选择 Boussinesq 假设，选择分离式求解器对模型进行求解。湍流模型为 k-模型，选择SIMPLE 算法对压力速度耦合求解，基于模型网格划分的是混合网格，离散化方法选择二阶格式。2）模拟结果分析如图 4 为采空区内部流场数值模拟图，由图分1242023 年第 8 期析，风流在密闭附近的影响强度较大，在采空区深部影响强度较小。这说明，采空区前段风流速度较快，深部风流速度较小，结果表明进风巷道的风流速度大于回风侧。因此，进风侧的气体交换较为明显，由于密闭内外压差较小，风流速度在采空区内表现并不强烈。采空区后部随着距离的加深，风速逐渐减小直至为零。（a）采空区风速数值模拟图 （b）采空区沿 Y 轴切片风速数值模拟图 （c）采空区沿 X 轴切片风速数值模拟图 （d）采空区沿 Z 轴切片风速数值模拟图图 4 秋冬季气候采空区风速模拟图3 深井大面积采空区漏风防治及自然风压利用针对新河煤矿深井大面积采空区，采空区自燃是煤炭开采过程中的主要威胁，且由于自然风压引发的采空区呼吸现象，有利于遗煤与氧气的充分接触，因此需要对大面积采空区漏风防治及自然风压利用技术进行研究。3.1 堵漏风技术1）巷道喷涂封堵加固技术对巷道漏风区域，采用 SPA 泡沫型快速密闭材料进行封堵。该材料具有如下显著特点：施工方便、迅速、周期短；高分子材料具有塑性，对巷道变形有一定的适应性；隔绝了煤体和井下空气的接触，有效地防治了老空区和巷道的漏风通道。2）保护煤柱压注高分子材料堵漏风根据矿井煤层注水情况，注浆终压应为 4 MPa，扩散半径为 1.5 m 左右。实际注浆时应以煤壁裂隙冒浆为准，且单孔一次注浆量一般不能低于1.0 m3。压注时首先向水箱中加水，然后加入 MAB防灭火剂。搅拌均匀后，开启注胶泵压注MAB溶液，正常情况下以钻孔周围煤体出现挂汗为止。压注结束后，用清水清洗管道。3.2 自然风压的控制利用1）自然风压的控制及利用原则 尽量利用进排井口之间的高度差，用高度较高的井筒作为排气口；降低井内空气阻力，改善自然通风，采用多个进风口和出风口，在气流向上的季节通过采空区通风；进风井必须设置水幕或喷水，以增加进排气井之间的温差。2）基于矿井自然风压的风压风机匹配机械风压与自然风压相互作用匹配示意图如图5。通过对新河煤矿自然风压规律进行分析，此煤矿的矿井通风动力，主要是因为冬季期间的自然风压有效地帮助主扇工作。图 5 自然风压与机械风压的匹配示意图新河煤矿属于受自然风压影响较大的矿井，当1252023 年第 8 期高常华等：深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究自然风压与主通风机共同作用时，帮助矿井通风。实际情况下，通过主扇的风量已经超过矿井要求风量，主扇特性曲线调整为（或比稍大）可以达到省电的目的。3）基于自然风压变化的相关措施制定 合理选择开采方式和通风方式瓦斯涌出量大以及工作面自然发火期长的区域，上行通风或俯采是最优选择。自然发火期短，瓦斯涌出量小的区域，采煤工作面采用仰采的方式。自然风压反向风流的控制在自然风压重点影响区域井巷中安设硐室型空气幕。当自然风流出现反向时，可在巷道内安装硐室型空气幕，引射风流，改变风流方向。开采过程中，及时关闭矿井上部中段的采空区和废弃旧巷道，避免大量自然风流通过采空区和废旧巷道漏入井下，影响风机通风效果和下部污风的排出。合理安排矿井反风演习此外，每年在不同季节和不同月份进行反风演习，并按照有关规定进行。这样可以评估自然风压在不同季节对矿井反风能力的效果。4 结论通过对新河煤矿实测以及数值模拟，对采空区内部流场规律和深部矿井自然风压的变化规律进行了分析，研究过程中得出以下结论：1）大气压力较低时，密闭内外呈负压，大气压力较高时，密闭内外呈正压，自然风压的变化导致压能和密闭内外压能差的变化，表明自然风压的确对采空区内部流场规律造成影响。2）数值模拟结果与所分析的规律接近，在进风巷道处风流速度大，其所影响的采空区范围要比回风侧所影响的采空区范围大，采空区前端风流运动较为剧烈。3）针对煤矿实际情况，制定了选择开采方式和通风方式、基于矿井自然风压的风压风机匹配、自然风压反向风流的控制、合理安排矿井反风演习等相关措施。【参考文献】1 张杰，张建辰，刘清州，等.浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究 J.煤炭工程，2021，53（03）：118-123.2 秦波涛，高远，史全林，等.近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术 J.工况自动化，2021，47（09）：1-6+17.3 刘昆轮，常博，马祖杰，等.自然风压作用下工作面采空区漏风特征研究 J.工况自动化，2020，46（09）：38-43.4 王刚，王锐，武猛猛.火区下近距离煤层开采有害气体入侵灾害防控技术 J.煤炭学报，2017，42（07）：1765-1775.5 余志剑，彭涛，彭斌.矿井自然风压与主扇变频系统匹配节能技术研究 J.中国矿业，2015，24（S1）：324-328.6 辛嵩，齐晓峰，赵文斌.资源整合时期自然风压变化规律及影响研究 J.煤炭技术，2015，34（01）：185-187.（上接第 121 页）4 结论1）胶带运输巷发生火灾时，增大风速，可以减缓火源的上游区域受到火灾烟气的影响，降低火势沿着巷道横向发展的趋势。2）火灾产生的高温烟气在巷道内发生热分层现象，随着风速的增加，火源附近的热量被驱散，从而温度不断下降。【参考文献】1 苏墨.矿井胶带火灾灾变规律数值模拟及自动灭火系统设计研究 D.太原：太原理工大学，2017.2 文虎，张铎，郑学召.煤矿平巷火灾数值模拟及其特征参数研究 J.煤炭科学技术，2017，45（04）：62-67.3 张睿.矿井火灾灾变时期风流控制技术研究 D.青岛：山东科技大学，2011.4 张圣柱，程卫民，张如明，等.矿井胶带巷火灾风流稳定性模拟与控制技术研究 J.煤炭学报，2011，36（05）：812-817.5 郭军，刘荫，金永飞，等.矿井胶带火灾巷道环境多参数时空演化规律 J.西安科技大学学报，2019，39（01）：21-27.