高抽巷抽放速率對采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害防治的影響研究

王紅梅,金珠鵬,趙善友,李俊志,翟光順,侯灃峻

(1.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評估工程實驗室，山東 濟南 250104； 2.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊，山東 濰坊 261201;3.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027； 4.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟南 250104)

隨著高瓦斯礦井產(chǎn)能的增大，基本通風系統(tǒng)將無法滿足工作面瓦斯治理的要求，因此多種瓦斯抽放技術(shù)被應(yīng)用于治理采空區(qū)瓦斯[1-2]。開采深度的增加導致地熱和巖石壓力增高，從而導致煤自燃風險增大[3-5]。此外，瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用將會導致采空區(qū)流場高度復(fù)雜，從而導致采空區(qū)出現(xiàn)較大程度的漏風，進而導致煤自燃風險性增高[6]。

高抽巷瓦斯抽放技術(shù)因其具有良好的抽放性能而在高瓦斯礦井中得到廣泛應(yīng)用，但其對煤自燃影響的研究較少[7-8]。筆者基于CFD軟件對不同抽放速率條件下瓦斯抽放效果和采空區(qū)氧化帶寬度進行風險評估，進而為后續(xù)工作面回采過程中抽放速率的優(yōu)化調(diào)整提供參考依據(jù)。

1 模型建立與控制方程

1.1 模型的建立

同煤集團塔山礦13190工作面主采的23號煤層厚度約為16 m，采用綜采放頂煤的開采方式，開采高度為2.6 m，放頂煤高度超過12.0 m，工作面平均埋深超過600 m。13190工作面絕對瓦斯涌出量約為22.4～32.5 m3/min，主采23號煤層易自燃，且最短自然發(fā)火期為30 d。采用高抽巷抽放瓦斯的方式來控制采空區(qū)內(nèi)瓦斯含量，且高抽巷布置于覆巖斷裂帶內(nèi)(距離煤層頂板30 m)，與回風平巷水平間距為20 m。所建立的三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 CFD三維數(shù)值模型

模型的長×寬×高=185 m×300 m×60 m，進風平巷和回風平巷的長度為15 m，巷道橫截面的寬×高=4.0 m×3.3 m。CFD數(shù)值模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型邊界和參數(shù)設(shè)置

注:u表示布林克曼速度矢量，m/s；v表示納維—斯托克斯速度矢量，m/s。

1.2 控制方程

納維—斯托克斯方程[9]可以用來描述管道中的瓦斯流動狀態(tài)，高抽巷和回采工作面均可被視作管道，相應(yīng)的瓦斯流動控制方程可用下式表示：

▽μ·[▽v+(▽v)T]-▽p=ρv·▽v

(1)

式中：μ為瓦斯動力黏度，Pa·s；p為瓦斯壓力，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

回采工作面后方采空區(qū)充填體中分布有大量的裂隙和孔洞，瓦斯在采空區(qū)內(nèi)的流動可被視作介于達西滲流和納維—斯托克斯?jié)B流之間的過渡流態(tài)[10-11]。關(guān)于采空區(qū)內(nèi)瓦斯流量控制方程可用下式表示：

(2)

式中：k為多孔介質(zhì)的滲透率，m2；n為孔隙率。

滲透率k是關(guān)于孔隙率n的函數(shù)，使用Blake-Kozeny公式可表示如下：

(3)

式中Dp為調(diào)和平均粒徑，m。

孔隙率n可由采空區(qū)壓實膨脹系數(shù)Kp計算得到，具體公式如下：

(4)

根據(jù)工作面開采壓力可知，Kp滿足負指數(shù)衰減規(guī)律，滿足如下公式：

(5)

為了模擬氧化帶的形態(tài)，可以通過傳質(zhì)方程求解回風平巷瓦斯抽放期間采空區(qū)O2體積分數(shù)的分布規(guī)律。氧氣在多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)可表示為：

(6)

式中：φ為采空區(qū)O2體積分數(shù)；D為采空區(qū)氧氣擴散系數(shù)；w為氧氣傳輸過程中的來源或去向。

2 復(fù)合型災(zāi)害的防治分析

瓦斯災(zāi)害防治與煤自燃防治機制往往是存在矛盾的，為了提高采空區(qū)瓦斯抽放效果，需要提高高抽巷抽放速率，而這將會導致漏風量增加，不利于防治煤自燃；另一方面，雖然減小抽放量可以降低煤自燃風險，但往往會造成工作面瓦斯超限。因此，采空區(qū)復(fù)合型災(zāi)害防治不僅要考慮煤自燃危險區(qū)域的劃分，還要考慮通風稀釋瓦斯的安全性。

2.1 不同抽放速率下瓦斯治理

回風平巷及上隅角CH4體積分數(shù)可作為評價工作面瓦斯超限的依據(jù)。不同抽放速率(120、180、240、300 m3/min)時回風平巷及上隅角CH4體積分數(shù)分布云圖如圖2所示。

圖2 不同抽放速率下采空區(qū)CH4體積分數(shù)分布云圖

由圖2可知，當高抽巷瓦斯抽放速率為120 m3/min時，上隅角發(fā)生瓦斯積聚，此時CH4體積分數(shù)超過1%，違反了我國有關(guān)煤炭開采的安全規(guī)定。當高抽巷抽放速率小于120 m3/min時，工作面瓦斯超限的風險將進一步增大，而當高抽巷抽放速率為180、240、300 m3/min時，可保證通風稀釋瓦斯的安全性。

2.2 漏風量變化特征

采空區(qū)氧化帶的分布受漏風量的變化影響，因此在高抽巷不同抽放速率下的漏風量能直觀地反映采空區(qū)煤自然發(fā)火危險程度。通過研究高抽巷瓦斯抽放速率為180、240、300 m3/min時工作面風量的分布情況，以得到漏風量的變化特征，如圖3所示。

(a)風量分布

(b)漏風量變化

由圖3(a)可知，由于高抽巷抽放速率的不同，導致工作面風量的分布也不同。首先,由于采空區(qū)漏風導致風量減小，隨后由于采空區(qū)瓦斯涌出而風量增大。隨著高抽巷抽放速率的提高，導致工作面風量下降趨勢加劇。此外，漏風量沿工作面分布不均勻，在0～40 m范圍內(nèi)漏風量較大。由圖3(b)可以看出，根據(jù)工作面風量最小值和位置情況，得到了高抽巷不同抽放速率下的漏風量變化特征，工作面漏風區(qū)域隨著最小風量位置向回風平巷方向移近而擴大。此外，隨著高抽巷抽放速率的提高，漏風量逐漸增大。

根據(jù)指數(shù)函數(shù)得到了漏風量與瓦斯抽放速率之間的關(guān)系式：

(7)

式中：ΔQ為工作面至采空區(qū)的漏風量，m3/min；Qd為高抽巷抽放速率，m3/min。

隨著高抽巷抽放速率的提高，工作面漏風區(qū)域的擴張呈近似線性，可表示為：

d=57+0.425Qd

(8)

式中d表示進風平巷至最小風量位置的距離，m。

2.3 不同抽放速率下的危險區(qū)

為了進一步對采空區(qū)進行風險評估，模擬得到了采空區(qū)O2體積分數(shù)的空間分布云圖，如圖4 所示。

圖4 不同抽放速率下采空區(qū)O2體積分數(shù)空間分布云圖

隨著瓦斯抽放速率的提高，高抽巷的含氧量增加，漏風逐漸向深部采空區(qū)擴展。為了確定危險區(qū)的范圍，選取采空區(qū)z=2 m截面位置的O2體積分數(shù)等值線，如圖5所示。

圖5 不同抽放速率下采空區(qū)O2體積分數(shù)等值線圖

氧化帶寬度是決定采空區(qū)煤自燃可能性的關(guān)鍵因素，根據(jù)采空區(qū)O2體積分數(shù)18%(d18%)和8%(d8%)輪廓線位置，得到氧化帶的分布情況。不同抽放速率下采空區(qū)氧化帶的最大寬度分布情況如圖6所示。

圖6 不同抽放速率下采空區(qū)氧化帶寬度

采空區(qū)氧化帶寬度應(yīng)小于工作面推進速度與最短自然發(fā)火期的乘積[12-13]。13190工作面開采速度為2.3 m/d，最短自然發(fā)火期為30 d，因此當氧化帶寬度超過69 m時，不利于防止煤體自燃。由圖6可見，當高抽巷瓦斯抽放速率為240 m3/min或300 m3/min時，氧化帶寬度超過安全界限，因此，高抽巷的瓦斯抽放速率應(yīng)設(shè)定為180 m3/min，以實現(xiàn)瓦斯超限與煤自燃的復(fù)合災(zāi)害防治。

3 工業(yè)性試驗

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，在選定工作面推進過程中，通過改變負壓，將高抽巷抽放速率調(diào)整為180 m3/min，同時，通過束管監(jiān)測可得到采空區(qū)O2體積分數(shù)隨工作面推進的變化規(guī)律。監(jiān)測方案及其束管布置情況如圖7所示。

圖7 O2體積分數(shù)監(jiān)測點布置平面圖

圖7中1#、2#、3#和4#測點布置間隔為10 m，靠近進風平巷側(cè)；5#、6#、7#和8#測點依次與1#～4#測點對稱布置，靠近回風平巷側(cè)。在工作面回采推進過程中獲得了4#和8#測點的O2體積分數(shù)變化情況，如圖8所示。

由圖8可以看出，當4#測點進入采空區(qū)內(nèi)20 m時，O2體積分數(shù)為18%；沿工作面推進方向，在工作面后方77 m處O2體積分數(shù)下降至8%。在回風平巷附近，進入采空區(qū)10 m位置時8#測點的O2體積分數(shù)為18%；當O2體積分數(shù)為8%時，測點位于工作面后方64 m處。根據(jù)現(xiàn)場測量，氧化帶在采空區(qū)10～77 m內(nèi)，氧化帶寬度為67 m(未超過安全閾值)。

抽放期間高抽巷內(nèi)O2和CH4氣體體積分數(shù)變化曲線如圖9所示。

圖9 高抽巷內(nèi)O2和CH4氣體體積分數(shù)變化曲線

由圖9可知：在測量期間，CH4體積分數(shù)為7.5%～12.4%，平均為9.67%；O2體積分數(shù)為11.6%～15.4%，平均為13.31%。與圖4(b)相比，高抽巷中的O2體積分數(shù)小于模擬值，但差異較小。

上隅角和回風平巷內(nèi)CH4體積分數(shù)變化曲線如圖10所示。

圖10 上隅角和回風平巷內(nèi)CH4體積分數(shù)變化曲線

由圖10可知：回風平巷CH4體積分數(shù)在0.14%～0.30%內(nèi)波動，平均為0.22%；上隅角CH4體積分數(shù)為0.20%～0.59%，平均為0.38%。從圖2(b)中的模擬結(jié)果可以看出，回風平巷和上隅角的CH4體積分數(shù)分別為0.12%和0.24%。實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果吻合度較高，驗證了CFD數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

采用SF6進行了工作面示蹤試驗[14-15]，得到了現(xiàn)場風量沿工作面寬度方向的分布曲線，如圖11所示。

圖11 風量沿工作面寬度方向的分布曲線

由圖11可知：沿著工作面寬度方向在x=127 m處的最小風量為1 128 m3/min，漏風量為172 m3/min。數(shù)值模擬結(jié)果表明，沿著工作面寬度方向在x=130 m處的最小風量為1 130 m3/min，漏風量為170 m3/min。因此，現(xiàn)場實測的漏風特征與模擬結(jié)果相符。

4 結(jié)論

1)采用CFD三維模型評價了高抽巷不同抽放速率下的瓦斯治理及煤自燃防治效果，數(shù)值模擬針對采空區(qū)CH4體積分數(shù)、漏風量變化和氧化帶分布進行了詳細的風險評估，并根據(jù)風險評價結(jié)果將高抽巷瓦斯抽放速率設(shè)定為180 m3/min。

2)隨著高抽巷抽放速率的提高，瓦斯治理效果逐漸提升，并且在抽放速率超過180 m3/min時能夠保證通風稀釋瓦斯的安全性。

3)高抽巷抽放速率的提高會增大漏風量，而漏風區(qū)域隨著最小風量點向回風平巷方向移近而擴大。同時漏風量增大使得氧化帶寬度增大，而煤自燃的可能性按氧化帶寬度進行分類，因此會導致煤自燃危險性增大。

4)通過CFD數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了數(shù)值模擬對采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害風險評估的準確性。