中国安全科学学报

97224巷	97224巷与97312面距离/m	n/%
(0，150]	(0，200]	(0，200]	5
(150，250]	(200，300]	(200，400]	6
(250，280]	(300，330]	(400，600]	8
(280，320]	(330，370]	(600，800]	12
97222巷	采空区连通后97222巷与 97311面距离/m	n/%	97311工作面封闭后 97222巷与97311面距离/m	n/%
(0，300}	5	(0，100}	5
(300，530}	4	(100，570}	1.5
(530，570}	1.5	-	-

97224巷	97224巷与97312面距离/m	n/%
(0，150]	(0，200]	(0，200]	5
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97222巷	采空区连通后97222巷与 97311面距离/m	n/%	97311工作面封闭后 97222巷与97311面距离/m	n/%
(0，300}	5	(0，100}	5
(300，530}	4	(100，570}	1.5
(530，570}	1.5	-	-

开采时期	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)
采空区连通前	97222巷	50×5×2.6	97312采空区	320×215×40
97224巷	370×5×2.6	顶板高位钻孔抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
采空区连通后	97222巷	580×5×2.6	97311采空区	570×175×40
97224巷	470×5×2.6	97312采空区	370×215×40
97311工作面	175×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
97311工作面封闭后	97222巷	150×5×2.6	97311采空区	570×170×40
97224巷	860×5×2.6	97312采空区	800×215×40
97311工作面	170×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.475×0.475

开采时期	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)
采空区连通前	97222巷	50×5×2.6	97312采空区	320×215×40
97224巷	370×5×2.6	顶板高位钻孔抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
采空区连通后	97222巷	580×5×2.6	97311采空区	570×175×40
97224巷	470×5×2.6	97312采空区	370×215×40
97311工作面	175×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
97311工作面封闭后	97222巷	150×5×2.6	97311采空区	570×170×40
97224巷	860×5×2.6	97312采空区	800×215×40
97311工作面	170×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.475×0.475

回采时期	97222巷进风量/ (m³·min^-1)	97224巷进风量/ (m³·min^-1)
采空区连通前	1 174	725
采空区连通后	1 664	628
97311工作面封闭后	1 252	1 205

回采时期	97222巷进风量/ (m³·min^-1)	97224巷进风量/ (m³·min^-1)
采空区连通前	1 174	725
采空区连通后	1 664	628
97311工作面封闭后	1 252	1 205

开采时期	校验点	现场瓦斯体积分数	模拟瓦斯体积分数	误差
采空区连通前	97312工作面回风隅角	0.22~0.26	0.22~0.27	0.01
97224巷尾	0.20	0.19	0.01
采空区连通后	97312工作面进风隅角	0.06~0.08	0.06~0.07	0.01
97224巷胶带机头	0.04	0.04	0
97224巷尾	0.20~0.38	0.20~0.34	0.04
97311工作面封闭后	97224巷沿空留巷段距离97312 工作面300m	0.20	0.25	0.05
97224巷沿空留巷段距离97312 工作面600m	0.30	0.27	0.03

开采时期	校验点	现场瓦斯体积分数	模拟瓦斯体积分数	误差
采空区连通前	97312工作面回风隅角	0.22~0.26	0.22~0.27	0.01
97224巷尾	0.20	0.19	0.01
采空区连通后	97312工作面进风隅角	0.06~0.08	0.06~0.07	0.01
97224巷胶带机头	0.04	0.04	0
97224巷尾	0.20~0.38	0.20~0.34	0.04
97311工作面封闭后	97224巷沿空留巷段距离97312 工作面300m	0.20	0.25	0.05
97224巷沿空留巷段距离97312 工作面600m	0.30	0.27	0.03

无煤柱开采工作面采空区漏风及瓦斯运移特征

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张遵国 ¹^,² , 张宏虎 ¹ , 唐朝 ¹ , 袁新立 ¹ , 陈永强 ¹

中国安全科学学报 | 安全工程技术 2024,34(11): 119-130

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中国安全科学学报 | 安全工程技术 2024, 34(11): 119-130

无煤柱开采工作面采空区漏风及瓦斯运移特征

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张遵国¹^,², 张宏虎¹, 唐朝¹, 袁新立¹, 陈永强¹

作者信息

¹ 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁葫芦岛 125105

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，辽宁葫芦岛 125105

张遵国 (1986—)，男，重庆人，博士，副教授，主要从事矿井灾害防治和CO₂地质封存方面的研究。E-mail：zhang_zung@163.com。

Characteristics of air leakage and gas migration in goaf of pillarless coal mining face

Zunguo ZHANG¹^,², Honghu ZHANG¹, Chao TANG¹, Xinli YUAN¹, Yongqiang CHEN¹

Affiliations

¹ College of Safety Science and Engineering，Liaoning Technical University，Huludao Liaoning 125105，China

² Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education，Liaoning Technical University，Huludao Liaoning 125105，China

出版时间: 2024-11-28 doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.1721

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摘要

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为掌握无煤柱开采Y型通风工作面不同回采时期采空区漏风及瓦斯运移特征，以晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿2号井97312工作面为研究对象。采用六氟化硫(SF₆)示踪气体法分别测定与相邻97311工作面采空区不同连通状态下97312工作面及回采巷道的漏风区域分布、漏风类型和漏风量。利用数值模拟分析采空区内部漏风流场分布及瓦斯运移特征。结果表明：97312工作面沿风流方向依次形成正压—负压—正压—负压4段漏风区域；主进风巷97222巷为正压漏风；回风巷97224巷沿空留巷段主要为负压漏风，但在抽采管附近及巷道变形严重区域易形成正压漏风；与相邻采空区的连通状态对采空区内部漏风流场及瓦斯运移均有影响，采空区连通后，新增了1条漏风路径；97311采空区漏风流携带瓦斯向97312采空区运移，导致97312采空区、工作面及97224沿空留巷段处瓦斯体积分数升高；97311工作面封闭后，采空区连通段附近瓦斯体积分数降低。

关键词

无煤柱 / 工作面 / 采空区漏风 / 瓦斯运移 / Y型通风 / 沿空留巷 / 采空区连通状态

Abstract

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To understand the characteristics of goaf air leakage and gas migration in different mining periods of Y-type ventilation working face without coal pillar mining，97312 working face in Sihe No.2 coal mine of Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group Co.，Ltd. was selected. The sulfur hexafluoride (SF₆) tracer gas approach was used to determine the air leakage area distribution，air leakage type，and air leakage volume of 97312 working face and the roadways under different connectivity states with the adjacent 97311 working face goaf. The air leakage flow field distribution and gas migration characteristics in the goaf area were analyzed by numerical simulation. The results showed that 97312 working face had four air leakage areas of positive pressure-negative pressure-positive pressure-negative pressure along the wind direction. The main air intake roadway 97222 had positive pressure leakage. The air return roadway 97224 had mainly negative pressure air leakage along the gob-side entry retaining section，but positive pressure leakage was prone to occur near the extraction pipe and in the area where the roadway was severely deformed. After connectivity with the adjacent goaf area，an additional air leakage path was created. Moreover，the connection status with the adjacent goaf affected the internal air leakage flow field and gas migration of the goaf. Air leakage from the 97311 goaf area carried gas to the 97312 goaf，causing an increase in gas volume fraction in the 97312 goaf，working face，and the gob-side entry retaining section of the 97224 roadway. After the closure of the 97311 working face，the gas volume fraction near the connected goaf area decreased.

Key words

pillarless / coal mining face / air leakage in goaf / gas migration / Y-type ventilation / gob-side entry retaining / connection state of goaf

引用本文

张遵国, 张宏虎, 唐朝, 袁新立, 陈永强. 无煤柱开采工作面采空区漏风及瓦斯运移特征. 中国安全科学学报, 2024 , 34 (11) : 119 -130 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.1721

Zunguo ZHANG, Honghu ZHANG, Chao TANG, Xinli YUAN, Yongqiang CHEN. Characteristics of air leakage and gas migration in goaf of pillarless coal mining face[J]. China Safety Science Journal, 2024 , 34 (11) : 119 -130 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.1721

正文

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0 引言

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切顶卸压技术主动改变了巷道顶板和采空区顶板的结构形态，通过采空区顶板的垮落碎胀实现了沿空护巷和无煤柱开采，有效解决了沿空留巷围压高和支护难的问题^[1-2]。随着围岩变形破坏愈发严重，留巷段碎石帮受顶板覆岩压力影响，导致挡矸墙体严重变形，极易造成留巷段漏风现象^[3]。采空区漏风不仅减少了工作面的有效风量，还容易导致瓦斯积聚^[4-5]，从而产生极大的安全隐患。因此，研究无煤柱Y型通风工作面采空区的漏风及瓦斯运移特征具有重要意义。

国内外学者针对Y型通风采空区漏风特征开展了大量研究。王炯等^[6]结合Fluent数值模拟软件，分析了不同通风方式、风量及留巷长度下Y型通风风流场分布特征及漏风情况，结果表明：相同配风量下，两进一回Y型通风方式下的采空区“三带”范围更小；不同风量下，“三带”范围随总配风量增大而增大；留巷长度小于100 m时，漏风严重。杜云飞^[7]构建了切顶卸压Y型通风模式下采空区空隙率与渗透率演变数学模型，研究切顶卸压留巷Y型通风模式下采空区漏风流场变化特征，发现随着配风比的增加，沿工作面倾向方向，漏风量占比略有增加；随着留巷长度的增加，沿工作面倾向方向，漏风量总体略有减小。对于Y型通风采空区漏风情况下，瓦斯运移特征的研究多以数值模拟为主，如LI Tengteng等^[8]为揭示Y型通风下综采工作面采空区漏风及瓦斯分布特征，采用Comsol数值模拟软件模拟了采空区瓦斯分布特征，指出与U型通风相比，Y型通风可降低工作面和上隅角的气体体积分数，采空区瓦斯的三维空间分布类似于采空区裂隙的O型圈理论，沿走向方向，深部采空区瓦斯体积分数逐渐增加；在倾斜方向上，采空区中部的气体体积分数高于采空区两侧的气体体积分数；在垂直方向上，气体体积分数逐渐增加。李艳昌等^[9]运用计算流体动力学软件(Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟了不同通风模式下采空区瓦斯体积分数，结果表明：两进一回式相较于一进两回式的通风模式，在漏风方面有明显改善，使得工作面回风隅角瓦斯积聚问题基本得到解决。ZHOU Xihua等^[10]结合工作面实测参数，采用CFD模拟方法分析了Y型通风的漏风情况及采空区上隅角瓦斯体积分数超限问题，认为漏风气流会从沿空留巷向采空区移动，漏风量与采空区留巷长度呈正相关关系。综上，无煤柱Y型通风工作面采空区漏风及瓦斯运移特征的研究成果主要针对单一工作面，鲜有在与相邻采空区连通情况下，研究漏风和瓦斯运移特征的成果。

鉴于此，笔者以晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿2号井(简称寺河煤矿2号井)97312工作面为研究对象，利用SF₆示踪气体法现场测定相邻97311工作面采空区封闭前和封闭后97312工作面的漏风情况，并结合Fluent数值模拟，分析不同回采时期工作面采空区漏风和瓦斯运移特征，以期为无煤柱开采工作面采空区漏风治理和瓦斯防治提供参考。

1 无煤柱开采工作面概况

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1.1 无煤柱开采工作面巷道布置

寺河煤矿2号井97盘区共布置5个采煤工作面，均采用切顶卸压无煤柱自成巷技术。97312工作面东南为97311工作面(已采完)、西北为97313工作面(未开采)，97312工作面与相邻采空区、工作面关系(以97312采空区与97311采空区连通后状态为例)如图1所示。97312工作面走向长度1062 m，倾斜长度220 m，平均采高1.65 m。由于97312工作面走向长度大于97311工作面，因此，97312工作面在回采过程中将会经历3个时期：①97312采空区与97311采空区连通前(简称采空区连通前);②97312与97311采空区连通后(97311工作面处于拆架期间，尚未封闭，简称采空区连通后);③97311工作面封闭后。

1.2 开采工作面通风与瓦斯情况

97312工作面采用Y型通风方式，设计投产时进风量为1 285 m³/min，原煤瓦斯含量6.71 m³/t，采取顶板高位钻孔抽采采空区瓦斯、顺层钻孔预抽采本煤层瓦斯。采空区连通后，97312工作面绝对瓦斯涌出量为13.21 m³/min;相邻97311工作面封闭后，97312工作面绝对瓦斯涌出量为20.06 m³/min，无突出危险性。

1.3 沿空留巷情况

97224巷与97222巷沿空留巷段通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力。留巷后喷浆封堵挡矸支护侧，形成挡矸墙。现场常见由于巷道变形导致挡矸墙上产生裂隙，裂隙主要集中在挡矸墙与顶板交界处和喷浆不实处，因为内部矸石巷帮并不是完全压实状态，所以采空区与沿空留巷之间易产生漏风现象。

2 采空区漏风测定

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2.1 示踪气体法测定原理

根据MT/T 845—1999《煤矿巷道用SF₆示踪气体检测漏风技术规范》^[11]，巷道漏风分为正压与负压漏风2种类型(图2)，正压漏风为巷道向采空区内漏风，负压漏风为采空区向巷道内漏风。由图2可知：测定正压漏风时采样点M不动，移动释放点R_i;测定负压漏风时释放点R不动，移动采样点M_i^[11]，图中k表示释放点与采样点总数。根据在采样点测得SF₆体积分数c_i和释放点释放流量q;i、i+1为测点号，测点号沿风流方向递增。由下式可计算2测点间的漏风量ΔQ_i:

(1)

Δ Q i = q c i - c i + 1 c i + 1 c i

式中：ΔQ_i为2测点之间的漏风量，m³/min;q为SF₆示踪气体释放量，m³/min;c_i为测点R_i或M_i对应的SF₆气体体积分数，10^-6;

c i + 1

为R_i或M_i沿风流方向下一测点

R i + 1

或

M i + 1

对应的SF₆气体体积分数，10^-6。

2.2 测定结果与分析

采空区连通后，97222巷进风量为1 247 m³/min，97224巷进风量为688 m³/min;97311工作面封闭后，97222巷进风量为1 252 m³/min，97224巷进风量为1 205 m³/min。漏风测定结果如图3所示，图中正值表示正压漏风量，负值表示负压漏风量。

1) 97222巷漏风特征。由图3看出，97222巷在2个时期均为正压漏风。从图3a看出，采空区连通后，97222巷沿空留巷段在距离97311工作面0~135 m范围内巷道维护状态较好，未测得明显漏风；135~240 和270~375 m范围巷道漏风量分别达到180、296 m³/min;240~270、375~515 m范围由于材料堆放会对测试精度有较大影响，因此，不进行漏风测定。由图3b看出，97311工作面封闭后，97222巷自97311工作面终采线至97312工作面方向60 m范围内，向97311采空区总漏风量为312 m³/min，漏风率达到26.7%。

2) 97224巷漏风特征。由图3看出，97224巷沿空留巷段在2个时期主要为负压漏风，且沿风流方向，漏风量呈减小趋势，但在97224巷尾抽采管附近形成正压漏风。这是由于97222巷及97312工作面漏风流经采空区后汇入到97224巷沿空留巷段，形成负压漏风。97312采空区靠近97312工作面附近区域，漏风通道短，且顶板垮落后尚未压密实，孔隙率较大，漏风较容易穿过采空区进入到97224巷沿空留巷段，导致该区域负压漏风量较大；在采空区深部，采空区矸石垮落后逐渐压密压实，孔隙率降低，且漏风通道加长，风阻大，漏风量减小。在97224巷尾抽采管附近，受抽采负压影响，巷道内部分风流穿过挡矸墙裂隙进入采空区，导致97224巷尾部出现正压漏风。

97311工作面封闭后，在97224巷沿空留巷段内距离97312工作面220、420 m处各增设了瓦斯抽采管，由图3b可以看出，受抽采负压影响，这2处区域由负压漏风转为正压漏风。受矿压作用，97224巷沿空留巷段内距离97312工作面355~390 m、690~755 m区域底鼓变形严重，巷道断面减小，风阻增大，导致该区域由负压漏风转为正压漏风。97224巷沿空留巷段内距离97312工作面675~800 m虽然也存在底鼓较为严重区域，但由于该处挡矸墙进行了复喷(浆)处理，封堵了漏风通道，因此无明显漏风。

3) 97312工作面漏风特征。测定采空区连通后97312工作面漏风时，受现场采煤作业影响，未测定进风隅角至距离97222巷125 m区域负压漏风，但从图3看出，已测区域与97311工作面封闭后漏风特征基本一致，即工作面沿风流方向漏风类型依次为正压—负压—正压—负压。

采空区连通后进风隅角未设置挡风帘，在进风隅角处风流进入采空区内，为正压漏风，从97222巷距离97312工作面15 m到进入97312工作面35 m区域内，共向采空区漏风302 m³/min，平均每米漏风6.04 m³/min;97311工作面封闭后，由于97312工作面进风隅角设置挡风帘，从97222巷距离97312工作面10 m到进入97312工作面30 m区域内，共向采空区漏风142 m³/min，平均每米漏风3.55 m³/min，平均每米漏风比采空区连通后漏风量减小41.2%。

根据97311工作面封闭后漏风测定结果，97312工作面距离97222巷45~88 m范围为负压漏风，漏风量为87 m³/min。这是因为在进风隅角处存在较大的涡流^[12-13]，影响了由进风隅角到工作面0~88 m区域漏风。在0~30 m范围风流经过转弯处后，由于流速较大且转弯曲率半径较小，惯性作用下，工作面部分风流由此进入采空区^[14];在45~88 m范围内，部分漏风流回到工作面内，形成负压漏风。随后2个时期在工作面内均出现一段正压漏风区域，采空区连通后，在97312工作面距离97222巷65~125 m区域为正压漏风，漏风量为184 m³/min，平均每米漏风3.07 m³/min;97311工作面封闭后，在97312工作面距离97222巷85~155 m区域为正压漏风，漏风量为72 m³/min，平均每米漏风1.03 m³/min，相比采空区连通后，平均每米漏风量减小66.4%。

在靠近工作面回风隅角处，受高位钻孔抽采负压影响，采空区内部分风流进入工作面内，为负压漏风。采空区连通后，97312工作面内距离97224巷30~75 m区域为负压漏风，漏风量为140 m³/min，平均每米漏风3.11 m³/min;97311工作面封闭后，97312工作面内距离97224巷30~60 m区域为负压漏风，漏风量为34 m³/min，平均每米漏风1.13 m³/min，平均每米漏风量较采空区连通后减小63.7%。

97311工作面封闭后相对于采空区连通后97312工作面漏风量减小的原因主要有2方面。一方面，因为风帘的设置减少了工作面向采空区的漏风量，同时也使得由采空区漏回到工作面的风量降低^[15];另一方面，主进风巷侧隅角处产生的涡流区域大小是影响工作面漏风量的关键因素^[16]，相对于采空区连通后，97311工作面封闭后工作面配风比进行了调整，调整前主、副进风巷配风比为2.6:1，调整后配风比为1:1，主进风巷进风量减小同样导致了漏风强度降低。

3 采空区流场数值模拟

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为探究不同开采时期采空区内部流场分布变化，采用Fluent数值模拟软件模拟3个时期的采空区漏风流场分布。将采空区视为多孔介质模型，气体流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。为了便于建模和计算，作如下假设：

1) 采空区内流动的气体为不可压缩流体，符合多孔介质渗流定律。

2) 将采空区看作各向同性的多孔介质，流动的气体近似为恒温、稳定的不可压缩流动过程。

3) 不考虑采空区中温度变化影响和化学反应。

3.1 主要参数设定

1) 碎胀系数和孔隙率分布。采空区垮落岩石在x(倾向)和y(走向)2个方向的碎胀系数分布函数为^[17]:

(2)

K P (x ， y) = K P ， m i n + (K P ， m a x + K P ， m i n) ×

e x p {- a 1 d 1 · [1 - e x p (k 1 · a 0 d 0)]}

式中：k₁为调整系数；K_P_，max为初始垮落碎胀系数；K_P_，min为垮落岩石压实时碎胀系数；a₀、a₁为距离煤壁和工作面的衰减率，m^-1;d₀、d₁为点(x，y)与煤壁和工作面边界的距离，m。

对应的采空区垮落带孔隙率：

(3)

n = 1 / K P (x ， y)

式中n为孔隙率，%。

为模拟沿空留巷侧挡矸墙的不同漏风程度，巷道与采空区之间建立相应的挡矸墙，并利用UDF控制挡矸墙孔隙率。97224巷、97222巷沿空留巷段挡矸墙孔隙率分布，见表1。

2) 渗透率。采空区渗透率可由采空区的平均粒径和孔隙率计算得出^[18]:

(4)

k = d p 2 n 3 150 (1 - n) 2

式中d_p为多孔介质颗粒平均直径，取0.05 m。

3) 黏性阻力系数C₁和惯性阻力系数C₂。多孔介质模型需要在动量方程中增加源项来替代流体的流动阻力，该源项包括黏性阻力系数和惯性阻力系数，可按下式计算^[19]:

(5)

C I 150 (1 - n) 2 d p 2 n 3

(6)

C 2 3.5 (1 - n) d p n 3

4) 垮落带、裂隙带高度计算。97312工作面煤层平均采高1.65 m，煤层顶板为细砂岩，中硬岩层，采空区垮落带和裂隙带高度可通过下式计算^[20]:

(7)

H m = 100 ∑ M 4.7 ∑ M + 19 ± 2.2

(8)

H h = 100 ∑ M 1.6 ∑ M + 3.6 ± 5.6

式中：H_m为垮落带高度，m;H_h为裂隙带高度，m;ΣM为累计采厚，m。

通过式(7)、式(8)计算垮落带高度为(6.2±2.2) m，取8 m;裂隙带高度为(26.4±5.6) m，取32 m。

3.2 数值模拟方案

1) 三维模型及网格划分。忽略工作面采煤设备对气体流动的影响，将采空区、采煤工作面、进风巷、沿空留巷和回风巷均设为矩形断面，模型尺寸见表2。网格划分时，先采用四面体网格进行网格划分，再将四面体网格转化为多面体网格。

2) 边界条件。将进风口设定为速度入口，出风口设定为压力出口，温度为300 K，气体质量组分设定为：氧气：21%，氮气：79%，重力加速度为9.8 m/s²，瓦斯抽采管路直径为0.475 m，抽采流量为9 m³/min，巷道和采空区与挡矸墙的交界面均设置为内部，模型外部固体边界面设为壁面，模型整体均为流体。不同时期97222巷与97224巷进风量设置见表3。

3.3 数值模拟结果

采空区漏风流流场分布模拟结果如图4、图5所示。

3.4 97311采空区漏风特征

由图5a看出，97222巷在采空区连通后和97311工作面封闭后均为正压漏风，但在97311采空区内的漏风流场分布存在一定差异。

采空区连通后，97222巷漏入到97311采空区的漏风流以弧形路径运移，靠近97311工作面的漏风流整体向97311工作面回风隅角运移；其他大部分漏风流经97311采空区与97312采空区连通段进入到97312采空区内；受瓦斯抽采负压影响，经过抽采管附近的漏风流被瓦斯抽采管抽走。

97311工作面封闭后，97222巷漏入到97311采空区的漏风流整体以较大幅度弧形路径向97311采空区深部运移；受瓦斯抽采负压影响，经过抽采管附近的漏风流被瓦斯抽采管抽走。在2采空区连通段靠近97312工作面区域，有少量漏风流由97312采空区进入到97311采空区，并与97311采空区原有漏风流汇合后经97311采空区与97312采空区连通段深部进入97312采空区。

3.5 97312采空区漏风特征

1) 采空区连通前漏风流场分布。由图4看出，采空区连通前，漏风流由97312工作面进风隅角进入到采空区后形成2条漏风路径，一条由97312工作面进风隅角向采空区深部运移最终到达97224巷沿空留巷段；另一条受97312工作面进风隅角涡流影响，部分漏风流回到工作面内，或在采空区内沿工作面方向运移。在靠近工作面回风隅角处，受高位钻孔抽采负压影响，部分风流由工作面进入到采空区内形成正压漏风，并在回风隅角处回到工作面内(负压漏风)。97312工作面沿风流方向漏风类型依次为正压—负压—正压—负压4段。由图4可知：采空区连通前97224巷沿空留巷段主要为负压漏风，97312采空区内漏风流经挡矸墙裂隙进入97224巷内；在靠近巷尾位置距离97312工作面293 m后，受瓦斯抽采负压影响，97224巷内部分风流进入到97312采空区内形成正压漏风。

2) 采空区连通后漏风流场分布。由图5b看出，与采空区连通前相同，97312工作面沿风流方向依次形成正压—负压—正压—负压4段漏风区域。由图5c看出，采空区连通后，97224巷沿空留巷段漏风特性与连通前一致，在靠近巷尾位置距离97312工作面338 m后，97224巷形成正压漏风。采空区连通后，97311采空区与97312采空区连通段走向长40 m，在连通段新增1条漏风路径。采空区连通段，漏风流先自97312采空区向97311采空区运移；随后漏风流又由97311采空区回到97312采空区。

3) 97311工作面封闭后漏风流场分布。由图5b看出，与前2个阶段相同，97312工作面沿风流方向依次形成正压—负压—正压—负压4段漏风区域。由图5c看出，97311工作面封闭后，97224巷沿空留巷段除220 和420 m处抽采管附近和720 ~800 m巷尾范围为正压漏风外，其余区域均为负压漏风。97311工作面封闭后，采空区连通段走向长470 m。在距离工作面0~130 m范围内，漏风流自97312采空区向97311采空区运移；随后连通段大部分漏风由97311采空区向97312采空区运移。

4 采空区瓦斯运移特征

收起

利用CFD软件模拟采空区瓦斯体积分数分布特征，并与现场实测数据对比，见表4。结果表明：采空区瓦斯体积分数分布模拟结果可以有效反映巷道与工作面内瓦斯体积分数分布特征，因此，将以此为基础开展后续研究。不同时期采空区及巷道内瓦斯体积分数分布如图6—图9所示(图7—图9中瓦斯体积分数监测线设置在距离顶板0.1 m处、距离采空区0.2 m处位置)。可以看出，不同时期瓦斯分布整体类似，但局部有所不同。

4.1 采空区连通前瓦斯体积分数分布

由图6a看出，采空区连通前，97312采空区97222巷侧瓦斯体积分数处于较低水平，在距离工作面310 m处(临近开切眼)瓦斯体积分数最高，为3.48%。由97222巷沿空留巷侧向97224巷侧方向，采空区内瓦斯体积分数逐渐上升，并在97224巷沿空留巷侧形成明显的高体积分数区域。一方面，这是因为在工作面进风隅角处为正压漏风，漏风流运移方向是由97222巷到97224巷，采空区内遗煤释放的瓦斯也被带到97224巷侧，进而在97224巷沿空留巷侧聚集；另一方面，在采空区深部，孔隙率降低，且漏风通道加长，风阻大，漏风量减小，带出的瓦斯也少。在97224巷沿空留巷侧中部位置，采空区内瓦斯聚集最为严重，采空区瓦斯体积分数最高为13.3%，主要原因是在巷尾设置有瓦斯抽采管，靠近巷尾处，受抽采作用瓦斯体积分数逐渐降低，采空区内瓦斯体积分数沿风流方向有所降低，形成了两头低、中间高的瓦斯体积分数分布特征。

由图7a看出，97224巷沿空留巷段内的瓦斯体积分数变化与97224巷沿空留巷侧采空区内瓦斯体积分数变化趋势相似，即先增大后减小，最高瓦斯体积分数为0.56%。由图7b看出，97312工作面瓦斯体积分数在回风隅角处波动较大，在回风隅角处为负压漏风，采空区内瓦斯涌出至工作面导致工作面瓦斯体积分数升高，最高瓦斯体积分数为0.20%，随后受97224新鲜风流的稀释作用，瓦斯体积分数又迅速降低。

4.2 采空区连通后瓦斯体积分数分布

由图6b看出，采空区连通后，97312采空区97222巷侧瓦斯体积分数在靠近工作面进风隅角区域较高，越往深部瓦斯体积分数有明显降低趋势，在距离工作面64 m处瓦斯体积分数最高，达到6.22%，最高瓦斯体积分数是采空区连通前的1.79倍。这是由于2采空区连通后，新增了一条瓦斯运移通道，漏风流携带97311采空区内瓦斯进入到97312采空区，导致97312采空区内瓦斯体积分数升高。还可看出，97224巷沿空留巷侧瓦斯采空区最高瓦斯体积分数为13.6%，比采空区连通前最高瓦斯体积分数略有增加，瓦斯总体分布特征基本一致。

由图8看出，97312工作面与97224巷沿空留巷段瓦斯体积分数变化趋势与采空区连通前基本一致。由于采空区连通后97311采空区漏风流进入到97312采空区内导致的97312采空区97222巷侧瓦斯体积分数升高进而导致了97312工作面瓦斯体积分数的升高，沿空留巷段最高瓦斯体积分数为0.75%，工作面最高瓦斯体积分数为0.29%。此外，随着工作面推进，采空区内遗煤增多，瓦斯释放量增大，这也是导致97224巷沿空留巷段内瓦斯体积分数相对采空区连通前增大的原因。显然，沿空留巷巷道比采煤工作面瓦斯超限风险更大。

4.3 97311工作面封闭后瓦斯体积分数分布

由图6c看出，97311工作面封闭后，97312采空区与97222巷侧瓦斯体积分数随采空区深度增大呈先升后降再升高的变化趋势，整体出现2个瓦斯体积分数峰值，第1个峰值在距离工作面107 m处，瓦斯体积分数为2.78%，整个连通段瓦斯体积分数较采空区连通后明显降低；第2个峰值出现在距离工作面800 m处，即开切眼处，瓦斯体积分数达到5.03%，最高瓦斯体积分数是采空区连通前的1.45倍，采空区连通后的0.81倍。根据3.3节分析可知：这是因为随着2采空区连通范围的增大，由97312工作面进风隅角进入到97311采空区的漏风范围扩大(图5b)，97311采空区漏风流携带瓦斯进一步向采空区深部运移，从而导致进风隅角处采空区瓦斯体积分数下降。由图6c还可看出，97224巷沿空留巷侧采空区瓦斯最高体积分数为12.7%，比采空区连通后降低0.9%。由图9a可看出，由于在97224巷沿空留巷段距离工作面220、420 m处增设了瓦斯抽采管进行采空区瓦斯抽采，97224巷沿空留巷段瓦斯体积分数在瓦斯抽采处有明显下降，尽管风流经过巷道内抽采管位置后瓦斯体积分数又逐渐上升，但最高瓦斯体积分数仅为0.57%，较采空区连通后最高瓦斯体积分数0.75%明显要低。由图9b看出，97312工作面瓦斯体积分数分布特征与2采空区连通后基本一致，工作面最高瓦斯体积分数为0.10%，也较采空区连通后最高瓦斯体积分数0.29%明显要低。

5 讨论

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综上分析，97312工作面回采过程中，97222巷侧97312采空区瓦斯体积分数分布受相邻采空区连通状态(连通范围)影响较大，实际上仍受漏风流控制。分析采空区流场可知：采空区连通前进风隅角处一部分漏风由97312采空区97222巷侧进入到97312采空区深部，另一部分则会回流到97312工作面，对工作面内瓦斯体积分数分布造成直接影响；采空区连通后，97311采空区漏风流携带瓦斯经连通段进入到97312采空区，导致97312采空区、97312工作面及97224巷沿空留巷段瓦斯不同程度升高，导致工作面和巷道瓦斯超限风险增大；97311工作面封闭后，随着连通范围的扩大，采空区连通段漏风流发生改变，同时得益于采空区瓦斯抽采措施的加强，有效降低97224巷沿空留巷段瓦斯体积分数。在无煤柱工作面实际生产中，需要注意与相邻采空区连通状态，预防工作面瓦斯超限。尤其是作为回风巷的沿空留巷巷道主要为负压漏风，易受采空区瓦斯涌出影响，应加强沿空留巷巷道漏风及瓦斯治理，避免巷道内瓦斯超限。

6 结论

收起

1) 综合SF₆示踪气体现场实测和数值模拟结果，97312工作面沿风流方向依次形成正压—负压—正压—负压4段漏风类型；主进风巷97222巷为正压漏风；回风巷97224巷沿空留巷段主要为负压漏风，但在抽采管附近区域及巷道变形严重区域易形成正压漏风。

2) 相对于采空区连通前，采空区连通后新增了1条漏风路径，97311采空区瓦斯经连通段向97312采空区内运移，导致97312采空区、97312工作面及97224巷沿空留巷段瓦斯体积分数不同程度升高，沿空留巷段存在较大瓦斯超限风险；97311工作面封闭后，采空区连通段靠近97312工作面处向97311采空区的漏风范围增大，瓦斯体积分数降低。

3) 与相邻采空区连通状态对采空区内部漏风流场及瓦斯运移均有影响，在瓦斯治理时需要注意与相邻采空区连通状态，并加强对沿空留巷段漏风和瓦斯治理，通过采取埋管瓦斯抽采措施，能够有效控制沿空留巷巷道瓦斯体积分数。

参考文献

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文献

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2024年第34卷第11期

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doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.1721

接收时间：2024-05-11
首发时间：2025-07-09
出版时间：2024-11-28

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收稿日期：2024-05-11
修回日期：2024-08-20

基金

作者信息

¹ 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁葫芦岛 125105

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，辽宁葫芦岛 125105

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

97224巷	97224巷与97312面距离/m	n/%
(0，150]	(0，200]	(0，200]	5
(150，250]	(200，300]	(200，400]	6
(250，280]	(300，330]	(400，600]	8
(280，320]	(330，370]	(600，800]	12
97222巷	采空区连通后97222巷与 97311面距离/m	n/%	97311工作面封闭后 97222巷与97311面距离/m	n/%
(0，300}	5	(0，100}	5
(300，530}	4	(100，570}	1.5
(530，570}	1.5	-	-

97224巷

97224巷与97312面距离/m

n/%

采空区连通前

采空区连通后

97311封闭后

(0，150]

(0，200]

(150，250]

(200，300]

(200，400]

(250，280]

(300，330]

(400，600]

(280，320]

(330，370]

(600，800]

97222巷

采空区连通后97222巷与
97311面距离/m

n/%

97311工作面封闭后
97222巷与97311面距离/m

n/%

(0，300}

(0，100}

(300，530}

(100，570}

1.5

(530，570}

1.5

开采时期	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)	几何名称	长×宽×高/(m×m×m)
采空区连通前	97222巷	50×5×2.6	97312采空区	320×215×40
97224巷	370×5×2.6	顶板高位钻孔抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
采空区连通后	97222巷	580×5×2.6	97311采空区	570×175×40
97224巷	470×5×2.6	97312采空区	370×215×40
97311工作面	175×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.457×0.457
97311工作面封闭后	97222巷	150×5×2.6	97311采空区	570×170×40
97224巷	860×5×2.6	97312采空区	800×215×40
97311工作面	170×4×1.9	顶板高位抽采孔	0.113×0.113
97312工作面	220×5×1.65	采空区埋管抽采孔	0.475×0.475

开采时期

几何名称

长×宽×高/(m×m×m)

几何名称

长×宽×高/(m×m×m)

采空区
连通前

97222巷

50×5×2.6

97312采空区

320×215×40

97224巷

370×5×2.6

顶板高位钻孔抽采孔

0.113×0.113

97312工作面

220×5×1.65

采空区埋管抽采孔

0.457×0.457

采空区
连通后

97222巷

580×5×2.6

97311采空区

570×175×40

97224巷

470×5×2.6

97312采空区

370×215×40

97311工作面

175×4×1.9

顶板高位抽采孔

0.113×0.113

97312工作面

220×5×1.65

采空区埋管抽采孔

0.457×0.457

97311工作面
封闭后

97222巷

150×5×2.6

97311采空区

570×170×40

97224巷

860×5×2.6

97312采空区

800×215×40

97311工作面

170×4×1.9

顶板高位抽采孔

0.113×0.113

97312工作面

220×5×1.65

采空区埋管抽采孔

0.475×0.475

回采时期	97222巷进风量/ (m³·min^-1)	97224巷进风量/ (m³·min^-1)
采空区连通前	1 174	725
采空区连通后	1 664	628
97311工作面封闭后	1 252	1 205

回采时期

97222巷进风量/
(m³·min^-1)

97224巷进风量/
(m³·min^-1)

采空区连通前

1 174

725

采空区连通后

1 664

628

97311工作面封闭后

1 252

1 205

开采时期	校验点	现场瓦斯体积分数	模拟瓦斯体积分数	误差
采空区连通前	97312工作面回风隅角	0.22~0.26	0.22~0.27	0.01
97224巷尾	0.20	0.19	0.01
采空区连通后	97312工作面进风隅角	0.06~0.08	0.06~0.07	0.01
97224巷胶带机头	0.04	0.04	0
97224巷尾	0.20~0.38	0.20~0.34	0.04
97311工作面封闭后	97224巷沿空留巷段距离97312 工作面300m	0.20	0.25	0.05
97224巷沿空留巷段距离97312 工作面600m	0.30	0.27	0.03

开采
时期

校验点

现场瓦斯
体积分数

模拟瓦斯
体积分数

误差

采空区
连通前

97312工作面回
风隅角

0.22~0.26

0.22~0.27

0.01

97224巷尾

0.20

0.19

0.01

采空区
连通后

97312工作面进
风隅角

0.06~0.08

0.06~0.07

0.01

97224巷胶带机头

0.04

97224巷尾

0.20~0.38

0.20~0.34

0.04

97311工
作面封
闭后

97224巷沿空留
巷段距离97312
工作面300m

0.20

0.25

0.05

97224巷沿空留
巷段距离97312
工作面600m

0.30

0.27

0.03