某工作面高位巷瓦斯抽采条件下采空区漏风规律研究

李佩云

（兰州资源环境职业技术学院，兰州730021）

摘要：通过对某工作面采空区漏风规律的深入研究，对采空区漏风通道的形成，漏风通道的压差即漏风动力的分析；再运用相似物理模型计算采空区内部漏风通道内形成的内生火风压；为工作面防治采空区自燃发火提供理论依据。

关键词：漏风通道     漏风动力     火风压

1.高位巷瓦斯抽采条件下采空区漏风通道的形成

漏风通道是促使采空区风流迁移和弥散的主要空间，对采空区浮煤与氧气接

触提供了条件。结合某工作面的开拓布置，利用上覆煤岩裂隙演化的理论分析及示踪气体的定性判断，对某采空区漏风通道模式进行识别，发现漏风通道呈现立体分布。

在回采期间，岩层沿倾向破断，在回风侧煤壁的支撑作用下，使得破断岩层在跨落后与回风煤壁出现“搭桥”。同时高位巷的开拓对上覆岩体造成卸压，岩层出现离层，破断。回风侧岩石倾向破断与回风煤壁的“搭桥”，使得沿回风煤壁与垮落岩体间存在“V”型区域，在“V”型破断岩体下浮煤没有充分压实，在高位巷及埋管抽采情况下，“V”型破断岩体充当了导板的作用，有利于风流的迁移。为了对采空区漏风通道的定性识别，在某工作面进行了示踪气体定性分析，判断漏风通道的扩展模式。通过在工作面进风巷释放SF6示踪气体，及对高位巷及上隅角抽采管道的气体成分分析，均在气样中检测到了SF6，从而验证了采空区漏风通道的存在模式。

某工作面高位巷及上隅角为主要漏风通道，从层位上看，呈现立体交叉分布，一源两汇的漏风特征。

采空区漏风首先需要具备漏风通道，上述对此已做分析，那么采空区风流的

迁移还需要具备漏风动力。针对某工作面的实际情况来看，漏风通道主要体现在高位巷及上隅角，漏风动力与漏风通道的压差密切相关。

(1) 工作面回采过程中实现煤与瓦斯共采，工作面呈现开放式，加上采空区冒落高度大，导气带和高位巷贯通，这样就形成工作面，采空区上覆煤岩破碎区及高位巷之间的漏风通道，在抽采负压的作用下，采空区风流实现迁移，给采空区浮煤氧化创造条件。

(2) 采后泄压钻孔抽采是形成采空区漏风又一源头，由于抽采负压及采空区与回风巷的压差，造成采空区局部漏风严重，形成另一漏风动力。

(3) 通过对某工作面高位巷一氧化碳的检测，发现采空区浮煤已氧化，氧化煤体能够致使采空区煤体温度升高，那么在工作面，采空区上覆煤岩破碎区，高位巷间的垂向漏风通道上就会因为温度梯度及位差的因素形成内生火风压，促

使采空区漏风加剧。

2.高位巷道瓦斯抽采对采空区漏风影响效应

由于高位巷道的作用，工作面风量对于采空区漏风的影响降低，但工作面风量变化会导致采空区漏风流场短期异常波动，加速了遗煤的氧化，使得采空区内的一氧化碳浓度接近成倍的增长。

高位巷道瓦斯抽采对某工作面的漏风通道及漏风动力的影响，煤自燃需要合适的氧气浓度及风流分布，因此针对某工作面采空区自燃的情况，展开采空区漏风风流的流动特征研究，有助于分析煤自燃的机理。在充分认识某工作面漏风通道及漏风动力的基础上，可以发现，基于高位巷及采后泄压钻孔抽采的作用下，采空区漏风风流的运移模式如图1。

在这种采空区瓦斯处理技术条件下，漏风特征如下： 

图1. 采空区漏风示意图

(1) 采空区浅部漏风：由于进风巷和回风巷，采后泄压抽放钻孔之间的压差导致采空区漏风，这部分漏风主要影响的是采空区靠近工作面附近的区域。随着工作面推进，由于进风巷和回风巷，采后泄压抽放控制区域之间的压差引起的漏风将随采空区深度的增加逐渐减弱，但是采后泄压抽放钻孔是随工作面推进不断移动的，因此采后泄压钻孔抽采的控制区域漏风比较严重。

(2) 采空区中深部漏风：由于工作面，采空区上覆煤岩破碎区，高位巷之间的压差及火风压效应的影响，致使风流从工作面漏入采空区，到达采空区中深部煤岩破碎区，进而进入高位巷的抽采系统中。

如果采空区只受到浅部漏风的影响，随着采空区深度的加深，采空区深部的风流会越来越弱，遗煤低温氧化和物理吸附会使得采空区气体成分中的氧气不断消耗，而遗煤的瓦斯涌出也会侵占氧气在采空区气体中的百分比，从而使采空区深部的气体中氧浓度会逐渐降低，从而形成窒息带。

(3) 高位巷与上隅角漏风叠加影响，两者水平间距 20m，纵向间距 30m，因此在采空区后部上隅角采后泄压钻孔与高位巷内部破断口周围，漏风风流受到两者抽采负压的交叉影响，采空区在此区域呈现三通节流形式，使得采空区上隅角后部，漏风更加严重。

此外高位巷抽采期间使得中深部采空区气体被抽入高位巷系统，而采空区浅部的气体会不断的流入采空区的中深部，，不断补充中深部采空区气体中的氧气含量，使得中深部采空区氧气浓度维持在相对较高而且稳定的水平。

结合高位巷的位置及埋管抽采方式考虑，上隅角采空区后部浮煤易于自燃，高位巷一氧化碳气体的异常涌出证实了这一点。

(4) 内生火风压及附加效应影响，内生火风压，主要是指采空区内部，由于采动影响，造成上覆煤岩内生裂隙充分发育，形成工作面、采空区上覆煤岩破碎区、高抽巷间的立体漏风通道，同时由于采空区浮煤的自燃氧化升温，使得在漏风通道空间煤岩体在传热传质的作用下，存在温度梯度，造成采空区气体的密度变化，产生浮力效应，形成内生火风压。

针对内生火风压在采空区对浮煤氧化的理论影响，结和某工作面的实际情况，主要考虑工作面——采空区上覆煤岩破碎区——高抽巷间的立体漏风区域，建立相似物理模型，及在相应漏风区域选择任一单元体，进行数学描述，见图2。

图2.相似物理模型及内生火风压计算控制体

对于所建立的内生火风压h_f三维数学模型，h_f是未知的，只有确定h_f，才能确定内生火风压的影响效应。以工作面下隅角为坐标原点o，x轴沿煤层走向指向采空区深部，y轴沿煤层倾向，z轴垂直xoy平面。在采空区内任取一单元体ABCDEFG，来计算采空区空间中任一点内生火风压dh_f 。

假设取x=x₀时，采空区内生火风压dh_f=dh_fy+dh_fz。由控制体的几何关系及火风压的计算关系得：

由式可得

假设取，那么上述式可变为：

同理，在z轴方向上的内生火风压分量为：

由此可得到，采空区某点相对于空间某点的总内生火风压为：

通过对采空区内生火风压数学模型建立，可知内生火风压受漏风通道位差及温度梯度的影响，只要确定出漏风通道的位差及探测到其空间的温度梯度，就能对其求解计算出内生火风压的数值。

某工作面采空区内部的漏风通道呈现为：采空区底板、采空区上覆煤岩破碎区、高抽巷间的立体漏风区域。高抽巷距离煤层顶板平均 30m，工作面切眼长180m，当漏风通道两断沿垂向测得温度梯度，则可计算出内生火风压的数值。

内生火风压的存在，增加了采空区的漏风动力，同时由于漏风通道的碎胀特性，易于造成采空区漏风量变大的附加效应，这样在采空区自热点，氧气得到不断的补充，有助于自燃进程的加快。通过对内生火风压的数学模型建立及定性分析，能够充分认识巷道瓦斯抽采下，采空区内部漏风通道内形成内生火风压的机理及附加效应。

参考文献：

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周心权，吴兵.矿井火灾救灾理论与实践.煤炭工业出版社，1996

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