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大面积复合采空区风流动态平衡自动调控：策略、装备与实践

一、绪论

1.1研究背景与意义

煤炭作为我国的主要能源之一，在经济发展中占据着举足轻重的地位。随着煤炭开采深度和强度的不断增加，大面积复合采空区的问题日益凸显。大面积复合采空区是指在煤炭开采过程中，由于多个采空区相互连通、叠加而形成的规模较大、结构复杂的采空区域。这些采空区内部存在着复杂的风流流动现象，其风流状态受到多种因素的影响，如采空区的几何形状、顶板垮落情况、通风系统布置等。

在大面积复合采空区中，风流的动态平衡对于矿井的安全生产至关重要。一旦风流失衡，可能引发一系列严重的灾害事故。例如，瓦斯积聚是一个常见的问题，当采空区内的风流无法有效稀释和排出瓦斯时，瓦斯浓度会逐渐升高，达到爆炸极限后，稍有火源就可能引发瓦斯爆炸，这不仅会对井下作业人员的生命安全造成巨大威胁，还会严重破坏矿井的生产设施，导致生产中断，带来巨大的经济损失。煤炭自燃也是不容忽视的风险，采空区内遗煤在适宜的条件下会与氧气发生氧化反应，产生热量。如果风流不能及时带走这些热量，热量就会不断积聚，使煤体温度升高，最终引发煤炭自燃。煤炭自燃不仅会造成煤炭资源的浪费，还会产生大量的有害气体，如一氧化碳、二氧化碳等，这些有害气体随风流扩散，会污染矿井空气，危害人员健康，同时也可能引发瓦斯爆炸等二次灾害。此外，风流失衡还可能导致通风阻力增大，通风效率降低，增加矿井通风成本，影响矿井的正常生产。

合理调控大面积复合采空区的风流，实现动态平衡，对于提高煤炭资源回收率也具有重要意义。通过优化风流分布，可以减少采空区内的漏风现象，降低煤炭氧化和自燃的风险，从而使更多的煤炭资源能够得到安全、有效的开采。这不仅有助于提高矿井的经济效益，还能延长矿井的服务年限，保障能源的稳定供应。

从环境保护的角度来看，有效控制采空区风流可以减少有害气体的排放，降低对大气环境的污染。同时，避免煤炭自燃和瓦斯爆炸等灾害事故的发生，也能减少对土地、水资源等的破坏，有利于实现煤炭行业的可持续发展。

大面积复合采空区风流动态平衡调控对于保障矿井安全生产、提高煤炭资源利用率以及保护环境都具有不可忽视的重要性。开展相关策略与装备研发的研究迫在眉睫，对于推动煤炭行业的安全、高效、绿色发展具有深远的现实意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1采空区气体流动和灾害气体运移规律

在采空区气体流动规律的研究方面，国外起步相对较早。20世纪中叶，一些矿业发达国家如美国、德国等，开始运用流体力学的基本原理，对采空区内气体流动进行理论分析。他们通过建立简单的数学模型，初步探讨了气体在采空区多孔介质中的流动特性，为后续研究奠定了基础。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法逐渐成为研究采空区气体流动的重要手段。国外学者利用CFD（计算流体力学）软件，如FLUENT、ANSYS等，对采空区三维气体流动进行模拟，能够更直观地展示气体的流速、压力分布等情况，深入分析了采空区几何形状、通风方式等因素对气体流动的影响。例如，美国的一些研究团队通过数值模拟，研究了不同通风系统下采空区的风流分布特征，发现通风系统的布局和风机的运行参数对采空区风流稳定性有着关键作用。

国内对采空区气体流动规律的研究也取得了显著进展。许多科研机构和高校，如中国矿业大学、辽宁工程技术大学等，在这一领域开展了大量的研究工作。国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国煤矿开采的实际特点，建立了更符合国情的采空区气体流动数学模型。例如，考虑到我国煤矿采空区顶板垮落的复杂性，通过引入相关参数来描述顶板垮落对采空区孔隙率和渗透率的影响，从而更准确地模拟气体流动。同时，国内也注重现场实测研究，通过在煤矿井下布置传感器，实时监测采空区气体的流动参数，验证和完善理论模型。如中国矿业大学的研究人员在多个煤矿现场进行实测，分析了采空区不同位置的风流速度和方向变化，为理论研究提供了丰富的数据支持。

对于采空区灾害气体运移规律，国内外研究主要集中在瓦斯和一氧化碳等气体。瓦斯是采空区最主要的灾害气体之一，其运移规律的研究对于预防瓦斯爆炸和瓦斯突出事故至关重要。国外学者在瓦斯运移方面，从瓦斯的生成、涌出机理到在采空区的扩散、运移过程进行了全面研究。他们利用实验室实验和数值模拟相结合的方法，研究了瓦斯在不同地质条件和通风条件下的运移特性。例如，澳大利亚的研究人员通过实验室模拟，研究了瓦斯在采空区裂隙中的扩散规律，发现瓦斯的扩散系数与裂隙的大小、形状以及气体压力等因素密切相关。

国内在瓦斯运移规律研究方面也取得了丰硕成果。通过理论分析、数值模拟和现场实测等多种手段，深入研究了瓦斯在采空区的涌出、运移和积聚规律。国内学者提出了多种瓦斯运移模型，如考虑瓦斯吸附解吸特性的双孔介质模型，能够更准确地描述瓦斯在煤体和采空区中的运移过程。