綜采面采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃“三帶”的影響研究

王瑞青

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦,山西 045000)

煤炭自燃是礦井火災(zāi)的主要形式，每年由于煤炭自燃引起的火災(zāi)占總數(shù)的90%以上。防治瓦斯與火共生災(zāi)害時(shí)，瓦斯抽采會(huì)因抽采強(qiáng)度過(guò)大，采空區(qū)抽采負(fù)壓升高，增大工作面尾部專(zhuān)用排瓦斯巷內(nèi)外壓差，從而向采空區(qū)大量漏風(fēng)，導(dǎo)致發(fā)生采空區(qū)煤炭自燃。

近年來(lái)科研工作者對(duì)此難題開(kāi)展了大量研究，秦波濤等針對(duì)付村礦3下煤層綜放面采空區(qū)抽放瓦斯過(guò)程容易導(dǎo)致遺煤自燃的難題，施工旁路式高位鉆孔來(lái)抽采瓦斯，并將三相泡沫防滅火材料通過(guò)鉆孔注入采空區(qū)，“抽-注”一體化的綜合治理技術(shù)很好的解決了采空區(qū)瓦斯與煤自燃的難題；何福勝等在某某煤礦開(kāi)展上隅角淺部埋管抽采與篩管注氮耦合治理技術(shù)以防治瓦斯與火共生災(zāi)害，得到當(dāng)注氮時(shí)間為15h/d和配風(fēng)量為2000m3/min可以有效消除瓦斯與火共生致災(zāi)的危險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)；周西華等在天池煤礦102孤島工作面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和COMSOL數(shù)值模擬，確定采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，此區(qū)域位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距離切頂線20～70m內(nèi)風(fēng)速小于0.004m/s及O2濃度超過(guò)12%。

以上研究主要是分析了采空區(qū)自燃“三帶”與注氮量、注氮位置、注氮時(shí)間和風(fēng)量等之間的關(guān)系，雖然對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火起到了很好的預(yù)防作用，但前期準(zhǔn)備注氮材料耗時(shí)較長(zhǎng)，所需成本較高，沒(méi)有很好解決采空區(qū)瓦斯在抽采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性，因此在抽采瓦斯的同時(shí)，還需要兼顧采空區(qū)自然發(fā)火防治，即面臨的瓦斯與火共治的技術(shù)難題。為更好指導(dǎo)某礦15108綜采工作面自燃煤層采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃“三帶”問(wèn)題，本文以某煤礦15108大采高工作面為例，采用COMSOL數(shù)值模擬采空區(qū)自燃“三帶”與瓦斯抽采量和抽采口位置之間的關(guān)系，得到瓦斯抽采量與自燃“三帶”之間的規(guī)律及瓦斯抽采口的最佳位置，以有效指導(dǎo)煤層自然發(fā)火和瓦斯治理。

1 15108工作面概況

某煤礦15108工作面位于15采區(qū)輔助運(yùn)輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實(shí)煤區(qū)，可采走向長(zhǎng)度為3200m，傾斜長(zhǎng)為260m，煤層傾角平均9.4°，平均厚度4.70m，采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法。

15108工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為14.27m3/min，供風(fēng)量為2200m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到0.65%，只依靠通風(fēng)不能解決瓦斯難題，加上15號(hào)煤為自燃煤層，遺煤容易發(fā)生自燃導(dǎo)致瓦斯爆炸，因此需要實(shí)施瓦斯抽采。依據(jù)15108工作面的具體情況，提出采空區(qū)上隅角埋管來(lái)抽采瓦斯。

2 采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃“三帶”的影響

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)自燃“三帶”

通過(guò)在15108回風(fēng)巷不等距的布置溫度和氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控15108工作面采空區(qū)氣體的變化情況。

圖1 束管及溫度傳感器安設(shè)布置

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回采過(guò)程中采空區(qū)瓦斯抽采量不能任意變化，因此本次試驗(yàn)的研究條件是給15108工作面供風(fēng)2200m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采量是80m3/h，抽采管路末端與切頂線距離為20m的情況監(jiān)測(cè)采空區(qū)O2濃度，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到O2濃度變化曲線并進(jìn)行分析，得到采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，采空區(qū)O2濃度變化見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果的比較

2.2 參數(shù)設(shè)置及邊界條件

采用COMSOL數(shù)值模擬采空區(qū)流場(chǎng)分布，數(shù)值模擬的計(jì)算范圍為沿15108工作面傾向264m，走向長(zhǎng)度160m，煤厚4.7m。入口(進(jìn)風(fēng)巷)參數(shù)：面積23.56m2(高3.8m、寬6.2m)，錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護(hù))，出口(回風(fēng)巷)參數(shù)：面積為21.88m2(高度為3.8m、寬度為5.6m)，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)和鋼帶綜合支護(hù))。

由多孔介質(zhì)Carman公式，得滲透率：

(1)

式中:K為采空區(qū)滲透率，m2；Dm為多孔介質(zhì)骨架的平均粒徑，m；n為孔隙率，n=1-1/Kp。

依據(jù)邊界層理論計(jì)算得到斜溝礦15108工作面采空區(qū)滲透率K的擬合曲線為

(2)

2.3 瓦斯抽采量對(duì)自燃“三帶”的影響

2.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)抽采量為60m3/h、70m3/h、80m3/h、90m3/h、120m3/h和150m3/h時(shí)，鋪設(shè)在采空區(qū)內(nèi)的抽采管路與工作面切頂線的距離為20m，在瓦斯抽采量的升高過(guò)程中，氧化升溫帶的范圍緩慢增大，增長(zhǎng)速度很小，氧化升溫帶和窒息帶逐漸擴(kuò)大到采空區(qū)深部。模擬抽采量與氧化升溫帶寬度的變化規(guī)律見(jiàn)表2，借助數(shù)據(jù)的回歸分析，發(fā)現(xiàn)抽采量升高時(shí)，氧化升溫帶的距離在擴(kuò)大，遺煤的自燃的危險(xiǎn)性在增大。在工作面回風(fēng)流瓦斯不超限的前提下，將采空區(qū)瓦斯抽采量降到最低，可有效防止自燃發(fā)火。

表2 氧化升溫帶與抽采量的變化關(guān)系

2.3.2 極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系

為了防止采空區(qū)遺煤不發(fā)生自燃，推進(jìn)速度需要滿足如下條件

(3)

15108工作面推進(jìn)速度為3m/d，根據(jù)自燃傾向性鑒定報(bào)告得到15號(hào)煤層的最短自燃發(fā)火期為20d，通過(guò)計(jì)算得到為了防止采空區(qū)遺煤自燃，控制瓦斯抽采量低于31.71m3/h時(shí)，氧化升溫帶寬度小于60m，而當(dāng)瓦斯抽采量超出合理瓦斯抽采量時(shí)，采空區(qū)容易自燃，因此需采取有效措施使其在合理范圍之內(nèi)。

從式(3)發(fā)現(xiàn)在風(fēng)量和煤的自然發(fā)火期不變條件下，采空區(qū)遺煤自燃的危險(xiǎn)性與推進(jìn)速度成反比，極限抽采量也不同。瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系見(jiàn)表3和如圖2所示，從表3和圖2發(fā)現(xiàn)瓦斯極限抽采量與工作面的推進(jìn)速度近似成正比。可以通過(guò)提高工作面的推進(jìn)速度，在保證采空區(qū)不自燃的前提下，獲得工作面較大的瓦斯抽采量。當(dāng)工作面的推進(jìn)速度由3m/d提高到3.2m/d時(shí)，15108瓦斯抽采量可提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。

表3 瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系

圖2 瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的變化關(guān)系

2.4 抽采口的位置對(duì)自燃“三帶”的影響

為了得到工作面采空區(qū)氧化升溫帶與瓦斯抽采口的變化規(guī)律，在供風(fēng)量為2200m3/min和瓦斯抽采量為80m3/h時(shí)，設(shè)置抽采口與切頂線的距離不同時(shí)，模擬采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，模擬結(jié)果見(jiàn)表4。由表4發(fā)現(xiàn)，隨著瓦斯抽采口逐漸埋入采空區(qū)深部，氧化升溫帶范圍擴(kuò)大；工作面開(kāi)采速度是3～3.2m時(shí)，采空區(qū)氧化升溫帶的范圍為 60～64m，抽采管路的抽采口最佳設(shè)置區(qū)域?yàn)榕c工作面切頂線10～20m的距離。

表4 抽采口不同時(shí)氧化升溫帶分布規(guī)律

3 采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃的影響

為了確保工作面的安全生產(chǎn)，需在降低遺煤自燃危險(xiǎn)性的條件下開(kāi)始瓦斯抽采，所以瓦斯與火共治是同一流場(chǎng)中互相作用的耦合難題，研究分析兩者的基本原理和規(guī)律是至關(guān)重要的。

當(dāng)抽采負(fù)壓升高時(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)加大，遺煤自然發(fā)火可能性增大；當(dāng)增大抽采口與工作面切頂線距離時(shí)，氧化升溫帶區(qū)域擴(kuò)大，增大了遺煤的自燃危險(xiǎn)性。15號(hào)煤層為低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽采效果很差，需要進(jìn)行埋管抽采，如果抽采量增大及抽采口與切頂線很遠(yuǎn)，使遺煤自燃更容易發(fā)生。為了防止采空區(qū)自燃發(fā)火，理論計(jì)算確定當(dāng)推進(jìn)速度是3m/d時(shí)，15108采空區(qū)瓦斯極限抽采量為31.71m3/h；通過(guò)加快開(kāi)采速度到3.2m/d時(shí)，瓦斯極限抽采量升高4倍，增大到120m3/h，瓦斯抽采率顯著提高，且阻止了采空區(qū)遺煤自燃。所以為了防止采空區(qū)自燃發(fā)火和提高瓦斯抽采效果，確定最佳的抽采參數(shù)對(duì)平衡二者之間的矛盾至關(guān)重要。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工作面以3m/d的開(kāi)采速度加快到3.2m/d時(shí)，15108采空區(qū)的瓦斯極限抽采量可以從31.71m3/h升高到120m3/h，提高近4倍，大幅度提高了采空區(qū)的瓦斯抽采量。

(2)由擬合曲線發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性跟瓦斯抽采量成正比。合理的提高開(kāi)采速度有利于抽采量的增大，只有在回風(fēng)巷抽采量滿足要求時(shí)，而且抽采量未超過(guò)極限抽采量時(shí)，才能有效的防止自然發(fā)火的發(fā)生。

(3)隨著埋入采空區(qū)的瓦斯抽采口越遠(yuǎn)，氧化升溫帶相應(yīng)朝采空區(qū)深部區(qū)域移動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最佳的瓦斯抽采口位置在距工作面切頂線10～20m處。