工作面与采空区漏风交换风量测算方法

(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁阜新 123000; 3.辽宁九道岭煤业有限公司,辽宁锦州 121100)

摘要:针对工作面向采空区漏风问题,提出一种漏风量的测算新方法。分析采空区漏风的风量平衡原理，通过现场实测工作面风速分布，可得到漏风分布类型曲线(由于工作面断面积难于测准，直接计算漏风量误差大)，为此，引入实测风速回归曲线的投射面积，作出S-v(x)图，在如采空区瓦斯涌出量、注氮流量和漏风量等外来风量已知的情况下，将外来风量与由外来风量导致的漏回风侧风速投射面积增量之比，得到单位风速投射面积上的漏风量权重Δ，根据漏风量权重Δ计算得到工作面与采空区之间的漏风交换风量。结合九道岭矿E1S6工作面的风速实测，计算得到，注氮量为25 m3/min时漏风量面积权重为0.087 33 m，由此得到工作面漏出风量为65.5 m3/min、漏回风量为90.6 m3/min，该值约占工作面总通风量650 m3/min的10%～15%，结果符合一般经验值范围。

关键词:漏风测算;采空区;工作面;S-v(x)图;风速投射面积;流量面积权重

Measuring and calculating method of exchanged air quantity caused by air leakage between working face and goaf

(1.College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 3.Liaoning Jiudaoling Coal Industry Co.,Ltd.,Jinzhou 121100,China)

Abstract:Aiming at the problem of serious air leakage from working face to goaf,a new method to measure and calculate air leakage quantity is put forward.Analyzing the air balance principle of air leakage of goaf,the type curve of air leakage distribution can be obtained by measuring the air speed distribution in working face.As measuring the sectional area of working face is difficult,the error of calculating air leakage quantity directly is big.For that reason,the projection area of regression curve of measured air speed is introduced,and then S-v(x) figure can be plotted.Under the circumstances of the foreign air quantity,such as goaf gas emission quantity,nitrogen-injection flux and air leakage quantity,is known,the ratio of foreign air quantity and the increment between the air speed projection area of air leakage side and return air side caused by foreign air quantity,namely the air leakage weight d on unit air speed projection area is obtained.According to air leakage quantity d,the exchanged air quantity caused by air leakage between working face and goaf cab be calculated.Combine the measured air speed of working face E1S6 in Jiudaoling Mine,after calculation we can obtained that,the weight of air leakage quantity area is 0.087 33 m when the nitrogen-injection flux is 25 m3/min,and then we can obtained the air leakage quantity of working face is 65.5 m3/min,return air leakage is 90.6 m3/min,which accounts for 10-15 percent of the total air quantity of the working face,namely 650 m3/min.The results accord with the general empirical range.

Key words:air leakage calculation;goaf;working face;S-v(x) figure;air speed projection area;weight of air quantity area

李宗翔，刘汉武，刘宇,等.工作面与采空区漏风交换风量测算方法[J].煤炭学报,2018,43(8):2256-2260.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1361

LI Zongxiang,LIU Hanwu,LIU Yu,et al.Measuring and calculating method of exchanged air quantity caused by air leakage between working face and goaf[J].Journal of China Coal Society,2018,43(8):2256-2260.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1361

作者简介:李宗翔(1962—)，男，黑龙江绥化人，教授，博士生导师。E-mail:lzx6211@126.com

工作面与采空区漏风交换和工作面向采空区漏风量的确定，是采空区瓦斯治理与遗煤自燃防灭火工程及流场理论研究的关键问题，准确估算漏风量，对合理确定采空区防治参数具有重要的意义[1-6]。U型通风回采工作面边界的漏风特点不是单一方向的漏风，而是在工作面与采空区边界上同时存在进、出漏风，理论分析给出该漏风的变化近似服从二次曲线关系[2]。在现场实际观测方面，这种特殊边界不适合用释放SF6示踪气体测漏风的方法[7-10]，通行的做法是测定工作面各点的风速，通过工作面断面积，换算出风量，从风量变化中求出漏风分布和漏风量[9-11]。由于工作面现场实际条件复杂，采煤机位置变化、片帮和大量堆积煤炭，以及液压支架支柱间镂空，使工作面断面现状很不规则，准确确定各测点工作面断面积非常困难[5-6]。因此，单靠在工作面中布点测定风量的办法，准确性并不高，甚至不能满足工程要求。如何用间接的方法测算工作面向采空区的漏风量仍是问题解决的难点。

笔者通过辽宁九道岭矿注氮气采空区的现场工程实际，找到了一种间接估算工作面向采空区漏风量的方法，进而引申出满足采空区瓦斯涌出、瓦斯抽采导流及采空区内部漏风量(包括内部边界漏风和层面漏风)等广泛适用的新处理方法。

1 工作面与采空区边界漏风交换的风量平衡原理

如图1所示，采场中工作面与采空区之间的边界是一类特殊的漏风边界形式[2,11]，在工作面边界上游为漏出风进入采空区流场，即漏风量为qL，工作面下游边界为漏回风，漏风量为图1中采场的风量平衡方程为

(1)

式中，qL为工作面漏出风量，为工作面漏回风量，m3/s;∑q代表其他各漏风总和，也称工作面外来风量;q(CH4)为采空区瓦斯涌出量，m3/s;q(N)为采空区注氮气量，m3/s;ql为采空区内部漏风量(包括内部边界漏风和层面漏风或瓦斯抽采导流等)，m3/s。

图1 工作面与采空区流场的风量平衡示意
Fig.1 Air quantity balance in the flow field between working face and goaf

以上∑q中各量均是在现场工程中容易实测的常规量值。如瓦斯涌出量由回风巷中测算得到

q(CH4)=c1Q-q′(CH4)

(2)

式中，Q为工作面回风巷总风量，m3/s;c1为回风巷道中瓦斯体积分数，%;q′(CH4)为工作面开采瓦斯绝对涌出量，m3/s。

采空区内部边界漏风量由回风巷与进风巷的风量差得到，即

ql=Q2-Q1

(3)

式中，Q1,Q2分别为工作面进、回风巷风量，m3/s。

2 工作面边界漏风量的新估算法原理

基本假设:① 煤层倾角不大，沿工作面长度倾斜方向后方采空区冒落特征具有上下对称性;② 采空区未出现高温，漏回风流的温度不变化;③ 工作面的风量变化(漏风分布)与风速变化具有同一分布形式。

由于采空区流场存在漏风，工作面各点的风量不同，风速也就不同。工作面风量计算式

Q(x)=S(x)v(x)

(4)

式中，S(x)为工作面的不规则巷道断面积，m2;v(x)为有漏风工作面的风速(回归函数)，m/s。

式(4)中，漏风巷道的风速与风量变化具有一致的关系。工作面风速分布v(x)通过现场实测获得。理论上，当与v(x)对应的S(x)确定时，就能够得到漏风分布和漏风量，但实际的工作面中有镂空体的液压支架、采运设备和堆积煤，以及各点的进刀工艺状态变化和人员活动等，S(x)无法准确测量获得，若用估算工作面断面积S(x)的方法来计算漏风量，往往误差值较大。为此，笔者提出1种新的方法。

从流场角度，在工作面进风段，随着工作面向采空区的漏风，工作面风量逐渐减小，漏风流向工作面回流，工作面风量逐渐增大。如图2所示，L为工作面与采空区的边界长度，xA为漏风出-回平衡点A的位置;图2中定义了漏出风段和漏回风段的风速投射面积S1和S2，单位为m2/s。这里的面积是指“风速分布曲线投影图的面积”，单位不是m2，物理单位量纲[m]×[m/s]=[m2/s]。

图2 工作面风速分布、风速投射面积及变化(S-v(x))
Fig.2 Air speed distribution,projection area and changes of working face(S-v(x))

根据前面假设，在不存在其他漏风即 ∑q =0的条件下，采空区漏风流态是对称的[4,11]，则有工作面漏风的出、回风量分布是对称的，即图2中的原始v(x)曲线1也应是对称的。

实际采空区总存在瓦斯涌出-注氮或内部漏风等，当∑q>0时，漏回风量显著增加，风速的分布曲线抬升，如图2中曲线2，此时xA左移动到xA′，且S1<S2。实际回风侧的曲线2上移的原因回流增加了∑q的风流，显然，增加的流量∑q与投射面积增加量S2-S1(图2中的阴影部分)有一致性的比例关系。如果增加风量值∑q和S1,S2都已知，则有投射面积风量权重

(5)

式中，S1,S2分别为工作面漏出风、漏回风侧的风速投射面积，m2/s;Δ代表在单位风速投射面积上风量所占的份额，m。

那么，根据投射面积风量权重Δ，可估算出工作面漏出风量和漏回风量，即

(6)

根据投射面积风量权重d和风速分布还可以求得工作面边界上的漏风分布(函数)，即

qL(x)=v(x)Δ

(7)

将上述完整算法通过编程实现更方便计算处理。

新方法的应用广泛性分析:实际上外来风量总是存在的，在极特殊情况下，即遇到∑q=0时，也可通过人为制造漏风量，如向采空区有限量压风或抽出风量等，也能达到此目的。(从流场的风压平衡原理，有限量压风一般不会改变工作面向采空区的总体漏风量[2]，但应防止局部遗留浮煤的供氧自燃，为避免其发生，可改为在回风侧的抽出方法来解决。)

3 工程实例与现场工作面风速观测的处理分析

如图3所示，九道岭煤矿E1S6综放开采工作面。该矿设计生产能力为120万t/a，现主采工作面为东一采区。工作面总长度145.5 m，共97个液压支架，井下实测工作面通风量为650 m3/min[12]。

图3 九道岭矿E1S6工作面巷道布置
Fig.3 Layout of roadways in E1S6 working face of Jiudaoling Mine

九道岭煤矿综放工作面采空区遗留煤自燃严重，在开采过程中，一直保持注氮量25 m3/min。采空区瓦斯很低，现场埋管实测采空区内最大瓦斯体积分数仅为2.01%，近似取q(CH4)=0，且采空区无其他内部漏风。

为更准确获得工作面漏风量，应做好风速测定工作[8,13]。一般应安排在检修班进行，此时的工作面人员不多，采煤机位置相对不动，无割煤干扰，实施观测操作顺利，粉尘对机械风速表影响小，能见度好，风速表读数清晰准确。具体观测要求:① 风速按定点观测，测点样本尽量多，可往返进行多组观测;② 每点距离煤壁的位置要与前一点相同;③ 风速观测时周围避免人员走动;④ 对每个测点的场景进行描述，记录特殊情况说明，要对液压支架的迈步差异做适当的修正，以提高精度和数据的可靠性。

为提高风速的精度，要根据实际每个测定点位置的现场描述和断面变化，如液压支架移架情况和采煤机位置干扰对风速观测值进行修正，去除明显的影响因素，保证每个观测值尽量接近实际。

E1S6工作面的风速测定工作按单号液压支架编号选择测定点，即从3号，5号，7号，…，95号，97号等。

风速实测数据整理后的结果见表1和图4所示。

表1 实测风速与回归数据的对比
Table 1 Comparison of measured wind speed and regression data

图4 E1S6工作面测定的风速分布及风速投射面积
Fig.4 Measured velocity distribution and air speed projection area in E1S6 working face

实际观测工作面风速分布是波动的，采用回归分析方法进行曲线拟合，经过调试，这里用二次函数曲线拟合风速效果最佳，即v(x)=0.000 116 13x2-0.015 929x+1.534 3，相关系数为0.950 84。

该结果与理论计算的分布规律相一致[2]。

图4反映了沿着工作面边界上的漏风分布。漏入漏出中间平衡点位置回风侧漏风强度高，是因为采空区注氮气的回流。由于注氮气流量是已知的，即25 m3/min，投射面积风量权重为Δ =0.087 33 m，漏入风侧的风速面积S1=12.51 m2/s，漏入风量qL=65.56 m3/min，漏出风侧的风速面积S2=17.297 m2/s，漏出风量 m3/min。其中，漏入风量占工作面通风量的10.086%，漏出风量占工作面通风量的13.94%，该计算结果符合漏风量占工作面风量10%～15%的一般规律。从图4中风速曲线的投射面积比例看出，注氮流量占工作面向采空区总漏风量的1/3～1/4。

实际观测工作面风速的分布函数曲线拟合的相关系数，也可作为漏风量计算的合理性评价。

4 结论

(1)引入风速投射面积和单位面积风量权重的概念，提出利用已知如注氮流量等外来风量与风速投射面积增量，确定风量权重，通过求回风侧投射面积间接估算漏风量及漏风分布的方法。解决了通过现场实测风速分布变化的问题，在无法准确测得工作面断面面积的情况下，实现漏风量计算。

(2)新方法关键在于，绕过传统方法单纯求各测点上工作面断面积或平均断面的环节，利用“采空区内部漏风、注氮气流量和瓦斯抽采流量”等可测或已知条件，化“干扰因素”为“有利条件”，拓宽了解决这一问题的思路。现场应用表明，计算具有合理性，且方法更简单实用，满足工程精度要求。

(3)现场实际工作面或采用注氮气惰化的防灭火方法，或进行采空区瓦斯抽采、导流，以及常规漏风测定等，因此，该方法从实用性上具有普遍意义。研究为采空区瓦斯与自燃防治及流场分析研究提供关键技术手段。

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