【正文】 ies of Goaf) 研究采空區(qū)氣體流動(dòng)主要是以滲流力學(xué)理論為基礎(chǔ)，為此首先需探論煤礦井下采空區(qū)是否具有滲流力學(xué)中所描述的多孔介質(zhì)的特征。此時(shí)若采空區(qū)內(nèi)外壓差，不需要調(diào)節(jié)均壓系統(tǒng)；若采空區(qū)內(nèi)外壓差時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)遺煤自燃會(huì)產(chǎn)生較大的影響，必須對(duì)均壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以降低采空區(qū)內(nèi)外的壓差。若增加調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟的面積Sw，根據(jù)公式（233）可知，調(diào)節(jié)風(fēng)窗產(chǎn)生的局部風(fēng)阻Rw減小，工作面通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)阻Rs減小，因此等效風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)會(huì)向右移動(dòng)，Pa減小為，風(fēng)量增大為，根據(jù)公式（235）上隅角氣體壓力減??；同理，調(diào)節(jié)風(fēng)窗開啟面積減小，等效風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)會(huì)向左移動(dòng)，Pa增大為，風(fēng)量減小為，根據(jù)公式（235）上隅角氣體壓力增大。m2) （228）假設(shè)采空區(qū)遺煤、巖石混合體各向同性，即處于自燃區(qū)域的漏風(fēng)為均勻漏風(fēng)，則采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的臨界漏風(fēng)風(fēng)量為 （229） 式中 qf——臨界漏風(fēng)風(fēng)量，m3/min； h——采空區(qū)冒落高度，m； V——采空區(qū)體積，m3。設(shè)因火勢發(fā)展程度而引起的采空區(qū)內(nèi)氣體壓力變化量為，則 （224）綜上所述，根據(jù)公式（220）、（221）和（224）可得在采空區(qū)內(nèi)各種因素的影響下，經(jīng)過時(shí)間t后采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力變?yōu)?（225）則，采空區(qū)內(nèi)外的壓差經(jīng)過時(shí)間t后變?yōu)? （226）由上式可見，采空區(qū)內(nèi)外壓差是關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，可設(shè) 均壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)（Regulating of the Even Pressure System）（1）采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的臨界條件對(duì)于采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量與遺煤自燃的關(guān)系，曾經(jīng)有許多人進(jìn)行了深入的研究。因此，采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力和漏風(fēng)風(fēng)量與采空區(qū)火勢發(fā)展程度密切相關(guān)，測量采空區(qū)內(nèi)氣體壓力的變化也是分析采空區(qū)火勢發(fā)展趨勢的一個(gè)重要參考依據(jù)。當(dāng)火源離工作面比較近，火勢發(fā)生變化時(shí)，因采空區(qū)風(fēng)阻R小且采空區(qū)空間不大，其平均空氣重率的相對(duì)變化較大，故火風(fēng)壓會(huì)發(fā)生明顯變化。因采空區(qū)始終比工作面熱，故一年四季都存在，其大小隨四季變化，但其方向不變。上式表明，與差值越大，越大；Zs越大，越大。根據(jù)流體力學(xué)中關(guān)于工程問題處理的假設(shè)，在一般工程條件下，即氣體壓強(qiáng)不大于20 MPa，溫度不低于253 K下，理想氣體狀態(tài)方程對(duì)于常用氣體準(zhǔn)確適用，則采空區(qū)內(nèi)氣體的變化過程可視為等溫過程。②瓦斯涌出量采空區(qū)內(nèi)瓦斯的涌出會(huì)使得采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力上升，上升的數(shù)值取決于瓦斯涌出的速度、采空區(qū)體積和漏風(fēng)情況。在進(jìn)風(fēng)側(cè)埋管向采空區(qū)釋放氮?dú)猓瑫?huì)引起采空區(qū)內(nèi)氣體壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)有害氣體在短時(shí)間內(nèi)大量地涌入到工作面中。 采空區(qū)內(nèi)氣體壓力影響因素分析（1）采空區(qū)氣體含量變化 ①采空區(qū)埋管注氮 為了盡快撲滅采空區(qū)內(nèi)的火災(zāi)，采用均壓防滅火技術(shù)時(shí)，大多數(shù)情況下會(huì)配合使用采空區(qū)埋管注氮?dú)?。進(jìn)風(fēng)巷密閉墻上的刮板輸送機(jī)口尺寸要合適，其大小要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況來決定，而且刮板輸送機(jī)口必須懸掛風(fēng)簾。風(fēng)門是均壓系統(tǒng)中重要控制設(shè)施，也是均壓系統(tǒng)管理的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，調(diào)節(jié)風(fēng)窗產(chǎn)生的局部風(fēng)阻Rw比工作面的風(fēng)阻mr大，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)壓Pa比回風(fēng)巷風(fēng)壓P1大，所以0，隨著工作面的向前推進(jìn)，上隅角的氣體壓力會(huì)逐漸升高。根據(jù)公式（28）、公式（29）和公式（210）聯(lián)立可知，在自然風(fēng)壓影響下，經(jīng)過時(shí)間t后上隅角氣體壓力變化量為 （211）（2） 摩擦風(fēng)阻隨著工作面向前推移，調(diào)節(jié)風(fēng)窗到工作面的距離L不斷減小，進(jìn)、回風(fēng)巷中產(chǎn)生的摩擦風(fēng)阻逐漸地減小，工作面通風(fēng)系統(tǒng)中各通風(fēng)參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得采空區(qū)內(nèi)外壓差發(fā)生變化。在一些山區(qū)，由于地面氣溫在一晝夜之內(nèi)也有較大變化，所以自然風(fēng)壓也會(huì)隨之發(fā)生變化，夜晚，AB段進(jìn)風(fēng)；午間，BA段出風(fēng)[32]。例如（圖22所示）BC是水平巷道，OE是通過系統(tǒng)最高點(diǎn)的水平線。根據(jù)公式（28）可知，在自然風(fēng)壓上升時(shí)，工作面上隅角的氣體壓力也會(huì)隨之上升，新鮮空氣漏入采空區(qū)速度增加，而污濁空氣漏出來空區(qū)的速度降低；自然風(fēng)壓降低時(shí)則相反。s2/m8。假設(shè)局部通風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)窗到工作面的距離相等；回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷和工作面中的風(fēng)阻均勻分布，且單位長度巷道的風(fēng)阻值與單位長度工作面的風(fēng)阻值都為r；局部通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)不發(fā)生變化。為研究均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性，本文重點(diǎn)分析研究采空區(qū)內(nèi)外風(fēng)壓的變化對(duì)其漏風(fēng)風(fēng)量的影響。圖21 局部通風(fēng)機(jī)—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓系統(tǒng)示意圖Figure 21 The Even Pressure system of the Local Fans Regulation Windshield Diagram設(shè)工作面中間點(diǎn)的氣體壓力為Ps，采空區(qū)中心點(diǎn)的氣體壓力為Pn。如圖21為一個(gè)典型的采煤工作面，工作面通風(fēng)路線為從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)、經(jīng)過工作面、由回風(fēng)巷回風(fēng)。根據(jù)煤礦井下實(shí)施均壓技術(shù)的區(qū)域是否封閉，均壓技術(shù)可以分為開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓兩種類型。第一種措施屬于密閉防火，第二種措施則屬于均壓防滅火。均壓技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)就是控制火區(qū)或采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)風(fēng)壓差，控制漏風(fēng)，控制風(fēng)流交換，控制有害氣體的涌出。 均壓防滅火技術(shù)的原理均壓防滅火是建立在科學(xué)合理的風(fēng)網(wǎng)關(guān)系和礦井主要通風(fēng)機(jī)合理運(yùn)行的工況條件下，通過井下風(fēng)流的調(diào)整，改變有關(guān)巷道風(fēng)壓分布，均衡火區(qū)或采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷兩端的風(fēng)壓差，減少和杜絕漏風(fēng)，使火區(qū)內(nèi)空氣不發(fā)生流動(dòng)和交換，斷絕氧氣來源，達(dá)到窒息、惰化火區(qū)或抑制煤炭自然發(fā)火的目的。m2）[29]。（min關(guān)于煤炭自燃與漏風(fēng)的關(guān)系，曾經(jīng)有許多人做過研究。因?yàn)槊旱淖匀純A向性是固有的、不易改變的條件。在總結(jié)國內(nèi)外對(duì)均壓系統(tǒng)研究成果及成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)后，首先，對(duì)均壓系統(tǒng)非穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行深入分析；其次，采用滲流力學(xué)理論研究采空區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)，建立采空區(qū)內(nèi)CO滲流的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)6201綜放工作面采空區(qū)的CO滲流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得出滲流區(qū)域的CO濃度分布和壓力分布；最后，以內(nèi)蒙古特弘集團(tuán)來葉溝煤礦為例，應(yīng)用局部通風(fēng)機(jī)—調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓系統(tǒng)，成功啟封了來葉溝煤礦6201綜放工作面采空區(qū)火區(qū)。近些年來，經(jīng)過我國學(xué)者的不斷探索，對(duì)于均壓防滅火技術(shù)的研究有了很大的進(jìn)展，如下：20世紀(jì)80年代國內(nèi)外均壓防滅火技術(shù)已經(jīng)非常成熟，芙蓉礦務(wù)局的李先才在全國各地應(yīng)用均壓系統(tǒng)正反兩方面經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和對(duì)現(xiàn)有的理論初步研究分析的基礎(chǔ)上，對(duì)均壓系統(tǒng)的均壓參數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)影響均壓系統(tǒng)穩(wěn)定性因素，如自然風(fēng)壓、局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)、火風(fēng)壓等進(jìn)行了初步分析[23]；20世紀(jì)90年代，由大同礦務(wù)局、阜新礦院、煤炭科學(xué)院常州自動(dòng)化所協(xié)作共同開發(fā)研制了KJ7礦井監(jiān)控系統(tǒng)，即均壓防滅火自動(dòng)監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。同期，我國也在淮南、遼源、開灤等礦區(qū)試用了這一防滅火新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雖然均壓法不能完全消除火區(qū)漏風(fēng)負(fù)壓（均壓精度為1mm水柱），但在短時(shí)間內(nèi)滅火效果與完全密閉滅火效果是相同的。1956年波蘭學(xué)者貝斯特隆提出礦井通風(fēng)壓能圖理論，用于分析礦井通風(fēng)壓能分布，為均壓防滅火技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。目前，三相泡沫防滅火技術(shù)已經(jīng)大量地應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場，有效地防治了柴里煤礦、老虎臺(tái)煤礦和大興煤礦等礦井的煤炭自燃；同時(shí)成功地?fù)錅缌藢幭陌总笢厦旱V的特大采空區(qū)瓦斯爆炸火區(qū)[20][21]。三相泡沫集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍匦赃M(jìn)行防滅火，大大提高了防滅火效率。西安科技大學(xué)從20世紀(jì)90年代初開始，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，開發(fā)和研制出了適用于礦井不同條件的系列膠體防滅火材料和相應(yīng)的注膠設(shè)備及應(yīng)用工藝，該技術(shù)集堵漏、降溫、阻化、固結(jié)水等性能于一體，較好地解決了灌漿、注水的水泄漏流失問題，適用于各種類型的礦井自燃火災(zāi)[17] [18]。因此，漏風(fēng)封堵是防治煤炭自燃的重要措施之一。目前，西方諸采煤國家都把氮?dú)庾鳛槌Ｒ?guī)的防滅火手段[13]。其中，氮?dú)庠诜罍缁鹬袘?yīng)用最多。②阻化劑和煤中的活性分子之間相互吸引，破壞了表面力場，提高了氧的活化能，減少了活性結(jié)構(gòu)與氧之間的有效碰撞幾率，使煤氧化作用速度受到抑制。阻化劑也稱阻氧劑，目前常用的阻化劑主要是一些無機(jī)鹽類化合物，如氯化鈣（CaCl2）、氯化鈉（NaCl）、氯化鎂（MgCl2）、水玻璃（Na2SiO3）等。對(duì)于開采易自然發(fā)火的煤層，從防止自然發(fā)火的角度出發(fā)，對(duì)開拓、開采的要求是：最小的煤層暴露面、最大的煤炭回收率、最快的回采速度、易于隔絕的采區(qū)、正規(guī)的開采方式及合理的開采順序[7]。與灌漿防滅火、注阻化劑防滅火、注墯氣防滅火等技術(shù)相比，其具有工程量少、投資少、見效快等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此，防止自燃火災(zāi)，特別是防止采空區(qū)內(nèi)自燃火災(zāi)的發(fā)生，是避免煤礦火災(zāi)、保證安全生產(chǎn)的重點(diǎn)工作之一。在采空區(qū)自燃火災(zāi)中，隨煤層開采厚度的不同，自然發(fā)火頻率也不一樣。近年來，綜采放頂煤技術(shù)得到大力的推廣和應(yīng)用，礦井生產(chǎn)逐步向高產(chǎn)高效集約化發(fā)展。在原煤產(chǎn)量快速增長的同時(shí)，必須保證礦井的安全高效開采。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭的需求量越來越大。由于自燃火災(zāi)共封閉工作面64個(gè)，凍結(jié)煤量3225萬噸，造成了多人死亡和上億元的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，按采空區(qū)、巷道及其它地點(diǎn)分類，采空區(qū)自然發(fā)火次數(shù)占火災(zāi)總數(shù)的60%，巷道煤柱自然發(fā)火占29%，其它地點(diǎn)自然發(fā)火占11%。而且在多煤層開采的礦井中，火區(qū)下的煤層不能開采，給礦井安全生產(chǎn)帶來了很多問題，如采掘部署，生產(chǎn)線很長，用風(fēng)地點(diǎn)多，通風(fēng)阻力大，通風(fēng)與自燃的矛盾不僅不能解決而且還有可能形成惡性循環(huán)，使礦井的自燃火災(zāi)越來越嚴(yán)重[5]。它是以“降壓減風(fēng)、管風(fēng)防火、堵風(fēng)防漏、以風(fēng)治火”為主旨，達(dá)到利用通風(fēng)技術(shù)防止采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃和撲滅采空區(qū)火災(zāi)的目的。國內(nèi)不少礦區(qū)的易自然發(fā)火礦井，通過優(yōu)化礦井開拓系統(tǒng)、改革巷道支護(hù)方式、采用合理的開采方法和先進(jìn)的開采裝備，實(shí)現(xiàn)了礦井漏風(fēng)小、巷道高冒少、丟煤少和快速開采，從而改變了煤層易自然發(fā)火的被動(dòng)局面。（3）阻化劑防滅火技術(shù)阻化劑防滅火技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的，在國內(nèi)外一些礦井進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的效果[9]。一些吸水性比較強(qiáng)的藥劑可以使煤處于潮濕的狀態(tài)，從而在一定程度上抑制煤炭自燃。目前可以被用作礦井防滅火的惰性氣體主要有三種：二氧化碳（CO2）、燃燒產(chǎn)生的惰