近距離老空區(qū)分階注氮—抽放稀釋惰化效應(yīng)模擬分析與實(shí)踐

褚廷湘，蘇媛媛

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

高瓦斯近距離煤層回采過程中，因?qū)娱g距較小，在下部煤層回采過程中致使覆巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致層間貫通，上部老空區(qū)在氣體壓差作用下，易造成上覆老空區(qū)積存瓦斯涌向下部工作面，增大下部工作面瓦斯涌出量，易誘導(dǎo)上隅角、回風(fēng)巷瓦斯超限及有毒有害氣體涌出，進(jìn)而威脅下伏工作面通風(fēng)安全及工作人員生命健康[1-3]。因此，近距離高瓦斯自燃煤層分層開采易誘導(dǎo)瓦斯異常涌出及煤自燃等復(fù)合災(zāi)害發(fā)生。注氮是采空區(qū)遺煤發(fā)火防治的常用措施之一，不僅能夠惰化采空區(qū)而且可以稀釋瓦斯?jié)舛?、增大采空區(qū)壓力減少漏風(fēng)量，而且還可降低瓦斯有效分壓，促使吸附態(tài)瓦斯解吸，起到促排/促抽瓦斯的作用[4-5]。鑒于采空區(qū)的特殊性和復(fù)雜性，許多學(xué)者應(yīng)用實(shí)驗(yàn)或者模擬仿真來研究不同注氮參數(shù)條件對采空區(qū)氣體分布規(guī)律的影響[6]；樊克松[7]等通過CFD數(shù)值模擬研究得出超前注氮間距越大泄水巷內(nèi)瓦斯?jié)舛仍酱?，注氮量越大泄水巷?nèi)瓦斯?jié)舛仍叫〉慕Y(jié)論；年軍[8]等利用Fluent模擬氮?dú)馀c巷道內(nèi)氣體混合的狀況和形式，得出利用氮?dú)庾⑷胂锏莉?qū)替瓦斯的方法，不僅經(jīng)濟(jì)環(huán)保，同時(shí)穩(wěn)定可靠，對處理礦井內(nèi)瓦斯積聚，盲巷和密閉瓦斯問題的處理，提供了安全可靠的處理方式；王文才等[9]通過模擬采空區(qū)注氮防滅火結(jié)果得出，向采空區(qū)注氮可以有效減小采空區(qū)氧化帶的范圍；金永飛等[10]通過FLUENT數(shù)值模擬得出合理的注氮量和注氮位置，為該煤層后續(xù)開采的防滅火工作提供參考；文虎等[11]利用CFD模擬軟件確定了最小安全推進(jìn)速度，并提出減少遺煤、兩隅角封堵、進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮與回風(fēng)側(cè)注漿等針對性的防滅火技術(shù)措施；許石青等[12]通過將不同注氮形式下采空區(qū)內(nèi)溫度場及氧氣濃度變化的模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測比較，得出針對高瓦斯礦井，相同注氮量下，聯(lián)合注氮的防滅火效果比單一注氮好。

現(xiàn)有研究對注氮防治火災(zāi)及瓦斯災(zāi)害開展了富有意義的工作，但鮮有考慮近距離分層開采老空區(qū)的瓦斯與煤自燃協(xié)同治理的問題。因此，本文以新疆某礦12032下分層工作面、12031上分層采空區(qū)為研究對象，針對近距離老空區(qū)瓦斯涌出與煤自燃協(xié)同防控問題，通過模擬分階注氮—抽放不同方式條件下老空區(qū)氣體組分的變化特征與分布規(guī)律，進(jìn)而提出了分階注氮—抽放技術(shù)方案，為近距離煤層群老空區(qū)瓦斯與煤自燃災(zāi)害的協(xié)同防治提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概況

新疆某礦12032綜采工作面是二采區(qū)12031采煤工作面下分層工作面，是開采IV13煤層下分層第一個(gè)工作面。IV13煤層為II類自燃煤層，煤層傾角平均30°，煤層平均厚度為2.3 m，發(fā)火期在3～6個(gè)月，煤層瓦斯含量6.4 m3/t。12032工作面開拓布置環(huán)境較為復(fù)雜(如圖1所示)，西部為12031工作面采空區(qū)(綜放段)；南為12010工作面采空區(qū)；北部為12051上分層采空區(qū)；工作面上部為12031工作面采空區(qū)(綜采段)。12032上順槽布置在保護(hù)煤柱下方，沿下層煤掘進(jìn)，與上層煤間距約2.7 m；12032下順槽布置在12031綜采段采空區(qū)下方，直接頂為粉-細(xì)砂巖，距上部12031老空區(qū)2 m。

2 老空區(qū)瓦斯與煤自燃風(fēng)險(xiǎn)與防治策略

如圖1所示，結(jié)合12032工作面四鄰關(guān)系可知，在12032回采期間，其工作面瓦斯主要由12031上分層老空區(qū)、12051上分層老空區(qū)、12010老空區(qū)積存瓦斯涌出，以及12032下分層瓦斯涌出構(gòu)成。其中，由于12032工作面與12031采空區(qū)間距只有2.7 m左右，煤層距離近，受重復(fù)采動影響，層間易貫通，造成12031老空區(qū)內(nèi)積存瓦斯涌向下部12032工作面，下部工作面瓦斯涌出量增大，易導(dǎo)致上隅角瓦斯超限，威脅下部回采通風(fēng)安全，因此，12031上分層老空區(qū)積存瓦斯對12032工作面回采影響最大。如圖2 所示，通過12031密閉墻對老空區(qū)內(nèi)的氣體進(jìn)行監(jiān)測，得到氣體賦存狀態(tài)。12031老空區(qū)密閉內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?2.6%～24.8%，瓦斯?jié)舛容^高；12031老空區(qū)密閉內(nèi)氧氣濃度為8%～9%，遺煤具備自燃發(fā)生條件。同時(shí)在12032順槽掘進(jìn)、回采過程中有可能造成上覆老空區(qū)瓦斯的大量涌出，對下分層開拓開采帶來威脅。

圖1 12032工作面井下四鄰關(guān)系

圖2 12031老空區(qū)內(nèi)氣體組分

為防治12031老空區(qū)瓦斯與煤自燃災(zāi)害，根據(jù)采空區(qū)狀態(tài)，擬采取分階注氮—抽放聯(lián)合處理方式對12031老空區(qū)進(jìn)行處理。通過注氮一方面稀釋瓦斯、降低老空區(qū)氧氣濃度，惰化老空區(qū)；另一方面，注氮稀釋瓦斯后，對老空區(qū)瓦斯抽放，置換瓦斯，進(jìn)而降低老空區(qū)瓦斯賦存量與濃度；同時(shí)可對后期12032下分層回采期間的瓦斯涌出及12031老空區(qū)遺煤二次氧化起到協(xié)同防治效果。

3 老空區(qū)分階注氮—抽放瓦斯稀釋置換數(shù)值模擬分析

3.1 幾何模型創(chuàng)建及基本參數(shù)

在建立老空區(qū)幾何模型時(shí)，將老空區(qū)視為規(guī)則的長方體，忽略采場礦壓及老空區(qū)煤炭自燃等因素的影響。根據(jù)12031上分層老空區(qū)的物理尺寸，建立模型的工作面走向長度300 m、傾向長150 m、冒落帶高度16 m(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合模擬計(jì)算得出高度)。在COMSOL中建立等比例的老空區(qū)二維平面模型，對已建立的老空區(qū)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分如圖3所示。

采空區(qū)模型基本參數(shù)設(shè)置見表1。其中采空區(qū)的壓力邊界、濃度邊界和溫度邊界的設(shè)置來自采空區(qū)注氮出口壓力、抽放壓差及注氮量、初始采空區(qū)氣體組分和內(nèi)部溫度。

圖3 幾何模型

表1 采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)

3.2 模擬方案

(1)在12031進(jìn)風(fēng)密閉墻側(cè)注氮15 d，觀察采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況；

(2)在第(1)步計(jì)算的結(jié)果上，模擬12031進(jìn)風(fēng)密閉墻側(cè)注氮、回風(fēng)密閉墻側(cè)抽放同時(shí)進(jìn)行30 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況；

(3)在第(2)步模擬的結(jié)果的基礎(chǔ)上，模擬12032下分層進(jìn)風(fēng)巷頂板走向插管注氮15 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況。

(4)在完成第(3)步模擬計(jì)算的結(jié)果上，模擬12032下分層回風(fēng)巷頂板走向插管抽放15 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況。

3.3 模擬效果分析

3.3.1 老空區(qū)氮?dú)夥植寄M效果

圖4反映了不同注氮及抽放階段，采空區(qū)N2運(yùn)移及濃度分布特征。如圖4(a)、圖4(b)所示，N2運(yùn)移區(qū)域變化并不明顯，說明在密閉墻邊注邊抽的情況下，注氮對采空區(qū)的惰化效果不明顯，注入N2因抽放流出采空區(qū)，對采空區(qū)的稀釋作用降低。綜合圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)可知，先注后抽方式下，采空區(qū)惰化效果非常顯著；如圖4(c)所示，下分層進(jìn)風(fēng)巷插管注氮15 d后，采空區(qū)內(nèi)氮?dú)舛杌瘏^(qū)域明顯增加，N2濃度80%以上區(qū)域由60%增加到80%左右；與圖4(c)相比，在圖4(d)中，采空區(qū)氮?dú)鉂舛?0%以上區(qū)域由80%增加到95%左右。由此可見注-抽結(jié)合對采空區(qū)惰化效果最好。通過圖4 中四個(gè)階段的模擬，可以發(fā)現(xiàn)采取注抽結(jié)合的階段注氮技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采空區(qū)的高度惰化。

圖4 不同注氮與抽放方式下N2運(yùn)移及分布

3.3.2 老空區(qū)瓦斯稀釋置換效果

就技法本身的來看，指頭畫的特點(diǎn)與其適宜的題材以及所面對的觀眾是相互統(tǒng)一而成體系的。“指墨畫乃大寫意粗放之畫種，故宜解衣磅礴，以亂頭粗服之法為之。為此，指畫題材亦以粗獷、簡古者為宜，并宜作大幅巨幛。倘若以冊頁斗方作纖細(xì)精工之畫，則無由得指畫之獨(dú)特意趣?！盵12]58

圖5為不同注氮及抽放階段的瓦斯分布模擬結(jié)果。如圖5(a)所示，進(jìn)風(fēng)密閉注氮15天后，采空區(qū)51.49%區(qū)域中瓦斯?jié)舛忍幱?%以下，說明進(jìn)風(fēng)密閉注氮對停采線附近區(qū)域的瓦斯稀釋作用明顯，但在注氮壓力的作用下，瓦斯往采空區(qū)深部移動，且瓦斯含量并未發(fā)生改變。對比圖5(b)與(a)發(fā)現(xiàn)，在圖5(b)中CH4被稀釋區(qū)域略有增大，回風(fēng)密閉以里30 m范圍內(nèi)仍積存高濃度的瓦斯，稀釋效果不明顯。但是通過抽放，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被置換出來，從源頭降低了瓦斯的涌出來源，降低了12031采空區(qū)內(nèi)的瓦斯賦存量。如圖5(c)所示，瓦斯?jié)舛鹊陀?%的區(qū)域由圖5(b)的60%增加至80%，且高濃度瓦斯往采空區(qū)深部移動現(xiàn)象更加明顯；如圖5(b)所示回風(fēng)密閉墻以里30 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?0%左右，而在圖5(c)階段，在回風(fēng)密閉墻以里100 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%，說明瓦斯稀釋作用顯著。如圖5(d)所示，瓦斯?jié)舛鹊陀?%的區(qū)域由圖5(c)中的80%增加至95%，且高濃度瓦斯區(qū)域明顯進(jìn)一步縮小?？梢姡孟路謱踊仫L(fēng)巷頂板走向插管抽放，使得之前注入的N2充分運(yùn)移到采空區(qū)深部。通過圖5中四個(gè)階段的模擬，發(fā)現(xiàn)通過先注氮再間歇抽放的方式，不但有助于采空區(qū)的惰化與置換，而且有利于前期注入氮?dú)獾倪M(jìn)一步流動，進(jìn)而惰化整個(gè)采空區(qū)。

圖5 不同注氮與抽放方式下CH4濃度分布

3.3.3 老空區(qū)氧氣惰化效果

圖6反映了不同注氮與抽放階段，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布變化特征。如圖6(a)所示，通過進(jìn)風(fēng)密閉注氮15 d后，采空區(qū)內(nèi)55.17%的區(qū)域O2濃度處于5%以下，進(jìn)風(fēng)密閉注氮對停采線進(jìn)風(fēng)密閉附近區(qū)域的氧氣進(jìn)行了有效稀釋，但回風(fēng)密閉處一定范圍內(nèi)O2濃度未得到有效稀釋。如圖6(b)所示，雖然回風(fēng)密閉處O2被稀釋區(qū)域體現(xiàn)更加明顯，但由于抽放導(dǎo)致大量注入N2流入抽放系統(tǒng)中，整體稀釋區(qū)域并無明顯增大。如圖6(c)所示，O2濃度低于5%的區(qū)域由圖6(b)的55%增加至80%，停采線以里，沿進(jìn)風(fēng)密閉走向300 m，幾乎都得到稀釋與惰化；沿回風(fēng)走向以里90 m范圍內(nèi)得到惰化；采空區(qū)傾向中部走向200 m范圍得到了稀釋與惰化?？梢姡孟路謱舆M(jìn)風(fēng)巷頂板走向插管注氮對采空區(qū)的氧氣稀釋作用顯著。如圖6(d)所示，O2濃度低于5%的區(qū)域由圖6(c)的80%增加至95%，且相對高濃度氧氣富集區(qū)域范圍進(jìn)一步縮小。從采空區(qū)氧氣濃度的分布來看，在下分層回風(fēng)順槽頂板走向插管抽放21 d后，停采線以里沿走向300 m，幾乎都得到稀釋與惰化。

圖6 不同注氮與抽放方式下O2濃度分布

綜上所述，結(jié)合圖4、圖5、圖6中瓦斯、N2及O2濃度的演化特征，綜合分析分階段注氮效果。在進(jìn)風(fēng)密閉只注氮15 d時(shí)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯因注氮，造成內(nèi)部壓力升高，瓦斯往采空區(qū)深部移動，高濃度瓦斯富集在采空區(qū)回風(fēng)傾向方向。N2擴(kuò)散區(qū)域沒有明顯增大，集中在采空區(qū)前部，采空區(qū)深部的氧氣和瓦斯?jié)舛却?。采空區(qū)整體未得到有效的稀釋與惰化。在進(jìn)風(fēng)密閉注氮15 d后，模擬了進(jìn)風(fēng)密閉注氮、回風(fēng)密閉同時(shí)抽放30 d的情況。由于靠近停采線，采空區(qū)內(nèi)空隙率及滲透率較大，導(dǎo)致注入氮?dú)鈳缀踹M(jìn)入抽采管路，隨著邊注—邊抽時(shí)間增加，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛茸兓⒉幻黠@，但通過抽放，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)的賦存瓦斯的置換，從源頭降低了瓦斯的涌出來源。在進(jìn)風(fēng)密閉注氮、回風(fēng)密閉抽放同時(shí)進(jìn)行30 d后，模擬了12032下分層進(jìn)風(fēng)順槽頂板走向插管注氮15 d的工況，采空區(qū)內(nèi)高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域隨注氮時(shí)間的增加進(jìn)一步縮小，75%左右區(qū)域瓦斯?jié)舛仍?%以下，80%左右區(qū)域氧氣濃度在5%以下，氮?dú)鉂舛?0%以上區(qū)域達(dá)到80%左右，CH4和O2稀釋效果明顯。但采空區(qū)回風(fēng)側(cè)切眼附近CH4和O2濃度較高，且靠近切眼位置的進(jìn)風(fēng)巷兩組注氮鉆孔之間存在惰化不明顯區(qū)域，仍需要進(jìn)一步惰化與稀釋。在下分層插管注氮15 d后，再次通過12032下分層回風(fēng)順槽頂板走向插管抽放21 d，從模擬結(jié)果可以看出，采空區(qū)95%左右區(qū)域CH4和O2濃度在5%以下，N2濃度80%以上區(qū)域在95%左右，只有回風(fēng)側(cè)切眼附近仍有部分高濃度瓦斯賦存，瓦斯和氧氣稀釋效果明顯。在下分層回風(fēng)巷頂板插管抽放過程中，之前注入的氮?dú)獬浞诌\(yùn)移到采空區(qū)深部，再通過注氮及間歇抽放的方式，一方面有助于采空區(qū)的惰化與置換，另一方面有利于前期注入氮?dú)獾倪M(jìn)一步流動。

通過對密閉老空區(qū)注氮的模擬，發(fā)現(xiàn)通過先注氮后抽放的方式，可以實(shí)現(xiàn)對老空區(qū)瓦斯的稀釋與置換，同時(shí)可以降低采空區(qū)氧氣濃度。因此，以不同注氮方式下的數(shù)值模擬結(jié)果為指導(dǎo)，統(tǒng)籌考慮12032下分層開拓時(shí)序，制定了老空區(qū)分階注氮工藝技術(shù)體系，如圖7所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

基于上述模擬結(jié)果，提出了近距離老空區(qū)分階注氮—抽放稀釋置換瓦斯與煤自燃協(xié)同防治的技術(shù)策略，結(jié)合12032下分層開拓時(shí)序，劃分為四個(gè)階段：

圖7 老空區(qū)分階注氮工藝技術(shù)體系

第一階段：在12032下分層未開拓時(shí)，通過12031老空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉墻進(jìn)行注氮，從而稀釋及惰化瓦斯，注氮方案如圖8所示。通過12031老空區(qū)的進(jìn)、回風(fēng)密閉墻觀察孔取樣探測老空區(qū)氣體組分變化、利用注氣孔行注氮及抽放。

第二階段：在進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉墻處注氮一段時(shí)間后，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉墻注氮、回風(fēng)側(cè)密閉墻抽放，注氮—抽放方案如圖9所示。

圖8 12031老空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉注氮方案

圖9 12031老空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉注氮、回風(fēng)側(cè)密閉注氮稀釋與抽放方案

第三階段：在進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉墻注氮、回風(fēng)側(cè)密閉墻抽放一段時(shí)間后，在下分層12032工作面進(jìn)風(fēng)順槽頂板走向插管注氮。如圖10所示為12032進(jìn)風(fēng)巷走向插管注氮稀釋瓦斯方案圖，每隔60 m，沿頂板走向布置注氮鉆孔，通過進(jìn)風(fēng)順槽插管注氮，6組鉆孔同時(shí)注氮。

圖10 12032進(jìn)風(fēng)巷走向插管注氮稀釋瓦斯方案

第四階段：在下分層進(jìn)風(fēng)順槽頂板走向插管注氮一段時(shí)間后，在下分層回風(fēng)順槽頂板走向插管抽放，置換瓦斯。如圖11所示為12032回風(fēng)巷走向插管抽放瓦斯方案圖，每隔60 m沿頂板走向布置抽放鉆孔，通過回風(fēng)順槽插管抽放，6組鉆孔同時(shí)抽放。

通過上述分階注氮—抽放措施的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對12031老空區(qū)內(nèi)瓦斯的稀釋與置換，這對降低下分層12032順槽掘進(jìn)、回采過程中瓦斯涌出量及防止工作面瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)具有重要的作用。

在現(xiàn)場實(shí)施過程中，首先在下分層12032未開拓布置之前，通過12031老空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉注氮，主要目的稀釋老空區(qū)瓦斯、氧氣濃度。進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉注氮一定周期后，停止注氮，然后通過回風(fēng)側(cè)密閉抽放老空區(qū)瓦斯，降低老空區(qū)內(nèi)瓦斯的絕對量。在12032順槽未掘進(jìn)之前，再次通過12031老空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉注氮、回風(fēng)側(cè)密閉抽放同時(shí)進(jìn)行，且注氮量要大于抽放量，以氮?dú)庾鳛檩d氣，再次稀釋及置換老空區(qū)內(nèi)的瓦斯。在注氮—抽放進(jìn)行前后，進(jìn)風(fēng)側(cè)及回風(fēng)側(cè)內(nèi)氣體組分濃度見表2，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛扔沙跏嫉?5.6%降低至8.7%、回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛扔沙跏嫉?7.8%降低至8.6%，老空區(qū)內(nèi)瓦斯得到了有效惰化。進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的O2濃度在分階注氮后均低于5%，采空區(qū)中遺煤不具備自然發(fā)火條件，起到了防治煤自燃的目的。同時(shí)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)CO濃度都降至0 ppm，說明老空區(qū)不存在氧化現(xiàn)象。

圖11 12032回風(fēng)巷走向插管抽放瓦斯方案

表2 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)密閉注氮、回風(fēng)密閉抽放、邊抽邊注前后氣體濃度變化

待下分層順槽掘進(jìn)及工作面開拓布置完成后，先通過進(jìn)風(fēng)順槽插管注氮，然后通過回風(fēng)頂板走向插管抽放，實(shí)施了頂板走向鉆孔間歇注氮與抽放技術(shù)。并利用進(jìn)、回風(fēng)順槽施工的鉆孔，檢測到采空區(qū)內(nèi)氣體組分變化見表3。進(jìn)風(fēng)巷頂板鉆孔注氮、回風(fēng)巷頂板鉆孔抽放階段的瓦斯?jié)舛染h(yuǎn)低于利用密閉注氮—抽放期間的超前鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，可見通過該階段的注氮—抽放對采空區(qū)瓦斯的稀釋效果更加顯著。O2濃度低于5%，不具備煤自燃條件。CO濃度為0 ppm，說明采空區(qū)不存在氧化現(xiàn)象。

表3 頂板走向鉆孔間歇注氮與抽放前后氣體濃度變化

為了檢驗(yàn)上述措施對下分層掘進(jìn)的保證效果，在掘進(jìn)期間，跟蹤了掘進(jìn)迎頭的瓦斯及CO涌出情況，如圖12、圖13所示。

圖12 下分層進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間氣體涌出統(tǒng)計(jì)

圖13 下分層回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間氣體涌出統(tǒng)計(jì)

在下分層掘進(jìn)期間，進(jìn)風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛仍?.08%～0.33%之間，回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛仍?.03%～0.35%之間，瓦斯涌出量未超限。CO濃度均為0 ppm，采空區(qū)內(nèi)不存在氧化情況，可以保護(hù)下分層順槽掘進(jìn)的安全。

5 結(jié)論

(1) 以新疆某礦12032下分層工作面、12031上分層采空區(qū)為研究對象，利用COMSOL模擬分析得到不同工況下采空區(qū)內(nèi)瓦斯、氮?dú)?、氧氣濃度場的變化?guī)律，建立了老空區(qū)分解注氮—抽放技術(shù)體系。

(2) 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，實(shí)施分階注氮—抽放后，老空區(qū)瓦斯?jié)舛冉抵?.8%左右；在下分層掘進(jìn)期間，進(jìn)風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛仍?.08%～0.33%之間，回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛仍?.03%～0.35%之間，有效防止了老空區(qū)瓦斯涌出及瓦斯超限現(xiàn)象；老空區(qū)內(nèi)氧氣濃度基本穩(wěn)定在5%以下，CO消失，老空區(qū)得到有效惰化。

(3) 在分階注氮-稀釋方式下，可實(shí)現(xiàn)對老空區(qū)瓦斯的稀釋與置換，及協(xié)同降低老采空區(qū)氧氣濃度，有利于防止老空區(qū)遺煤二次氧化的發(fā)生，該方法為近距離分層開采瓦斯涌出及煤自燃協(xié)同防治提供了技術(shù)參考。