綜采面采空區瓦斯抽采對自燃“三帶”的影響研究

王瑞青

(陽泉煤業(集團)有限責任公司五礦,山西 045000)

煤炭自燃是礦井火災的主要形式，每年由于煤炭自燃引起的火災占總數的90%以上。防治瓦斯與火共生災害時，瓦斯抽采會因抽采強度過大，采空區抽采負壓升高，增大工作面尾部專用排瓦斯巷內外壓差，從而向采空區大量漏風，導致發生采空區煤炭自燃。

近年來科研工作者對此難題開展了大量研究，秦波濤等針對付村礦3下煤層綜放面采空區抽放瓦斯過程容易導致遺煤自燃的難題，施工旁路式高位鉆孔來抽采瓦斯，并將三相泡沫防滅火材料通過鉆孔注入采空區，“抽-注”一體化的綜合治理技術很好的解決了采空區瓦斯與煤自燃的難題；何福勝等在某某煤礦開展上隅角淺部埋管抽采與篩管注氮耦合治理技術以防治瓦斯與火共生災害，得到當注氮時間為15h/d和配風量為2000m3/min可以有效消除瓦斯與火共生致災的危險，保障安全生產；周西華等在天池煤礦102孤島工作面通過現場試驗和COMSOL數值模擬，確定采空區自燃“三帶”分布規律，發現了瓦斯爆炸危險區域，此區域位于進風側距離切頂線20～70m內風速小于0.004m/s及O2濃度超過12%。

以上研究主要是分析了采空區自燃“三帶”與注氮量、注氮位置、注氮時間和風量等之間的關系，雖然對采空區自然發火起到了很好的預防作用，但前期準備注氮材料耗時較長，所需成本較高，沒有很好解決采空區瓦斯在抽采過程中會導致遺煤自然發火的危險性，因此在抽采瓦斯的同時，還需要兼顧采空區自然發火防治，即面臨的瓦斯與火共治的技術難題。為更好指導某礦15108綜采工作面自燃煤層采空區瓦斯抽采對自燃“三帶”問題，本文以某煤礦15108大采高工作面為例，采用COMSOL數值模擬采空區自燃“三帶”與瓦斯抽采量和抽采口位置之間的關系，得到瓦斯抽采量與自燃“三帶”之間的規律及瓦斯抽采口的最佳位置，以有效指導煤層自然發火和瓦斯治理。

1 15108工作面概況

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

15108工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為14.27m3/min，供風量為2200m3/min，回風流瓦斯濃度最高達到0.65%，只依靠通風不能解決瓦斯難題，加上15號煤為自燃煤層，遺煤容易發生自燃導致瓦斯爆炸，因此需要實施瓦斯抽采。依據15108工作面的具體情況，提出采空區上隅角埋管來抽采瓦斯。

2 采空區瓦斯抽采對自燃“三帶”的影響

2.1 現場監測自燃“三帶”

通過在15108回風巷不等距的布置溫度和氣體監測點，測點布置如圖1所示，來實時監測監控15108工作面采空區氣體的變化情況。

圖1 束管及溫度傳感器安設布置

針對現場實際回采過程中采空區瓦斯抽采量不能任意變化，因此本次試驗的研究條件是給15108工作面供風2200m3/min，采空區瓦斯抽采量是80m3/h，抽采管路末端與切頂線距離為20m的情況監測采空區O2濃度，利用實測數據得到O2濃度變化曲線并進行分析，得到采空區自燃“三帶”分布規律，采空區O2濃度變化見表1。

表1 實測和模擬結果的比較

2.2 參數設置及邊界條件

采用COMSOL數值模擬采空區流場分布，數值模擬的計算范圍為沿15108工作面傾向264m，走向長度160m，煤厚4.7m。入口(進風巷)參數：面積23.56m2(高3.8m、寬6.2m)，錨桿、錨索、金屬網、鋼帶聯合支護)，出口(回風巷)參數：面積為21.88m2(高度為3.8m、寬度為5.6m)，采用錨桿、錨索、金屬網和鋼帶綜合支護)。

由多孔介質Carman公式，得滲透率：

(1)

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

依據邊界層理論計算得到斜溝礦15108工作面采空區滲透率K的擬合曲線為

(2)

2.3 瓦斯抽采量對自燃“三帶”的影響

2.3.1 數值模擬結果分析

當抽采量為60m3/h、70m3/h、80m3/h、90m3/h、120m3/h和150m3/h時，鋪設在采空區內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程中，氧化升溫帶的范圍緩慢增大，增長速度很小，氧化升溫帶和窒息帶逐漸擴大到采空區深部。模擬抽采量與氧化升溫帶寬度的變化規律見表2，借助數據的回歸分析，發現抽采量升高時，氧化升溫帶的距離在擴大，遺煤的自燃的危險性在增大。在工作面回風流瓦斯不超限的前提下，將采空區瓦斯抽采量降到最低，可有效防止自燃發火。

表2 氧化升溫帶與抽采量的變化關系

2.3.2 極限抽采量與推進速度的關系

為了防止采空區遺煤不發生自燃，推進速度需要滿足如下條件

(3)

15108工作面推進速度為3m/d，根據自燃傾向性鑒定報告得到15號煤層的最短自燃發火期為20d，通過計算得到為了防止采空區遺煤自燃，控制瓦斯抽采量低于31.71m3/h時，氧化升溫帶寬度小于60m，而當瓦斯抽采量超出合理瓦斯抽采量時，采空區容易自燃，因此需采取有效措施使其在合理范圍之內。

從式(3)發現在風量和煤的自然發火期不變條件下，采空區遺煤自燃的危險性與推進速度成反比，極限抽采量也不同。瓦斯極限抽采量與推進速度的關系見表3和如圖2所示，從表3和圖2發現瓦斯極限抽采量與工作面的推進速度近似成正比。可以通過提高工作面的推進速度，在保證采空區不自燃的前提下，獲得工作面較大的瓦斯抽采量。當工作面的推進速度由3m/d提高到3.2m/d時，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速度的關系

圖2 瓦斯極限抽采量與推進速度的變化關系

2.4 抽采口的位置對自燃“三帶”的影響

為了得到工作面采空區氧化升溫帶與瓦斯抽采口的變化規律，在供風量為2200m3/min和瓦斯抽采量為80m3/h時，設置抽采口與切頂線的距離不同時，模擬采空區自燃“三帶”的范圍，模擬結果見表4。由表4發現，隨著瓦斯抽采口逐漸埋入采空區深部，氧化升溫帶范圍擴大；工作面開采速度是3～3.2m時，采空區氧化升溫帶的范圍為 60～64m，抽采管路的抽采口最佳設置區域為與工作面切頂線10～20m的距離。

表4 抽采口不同時氧化升溫帶分布規律

3 采空區瓦斯抽采對自燃的影響

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

當抽采負壓升高時，導致采空區漏風加大，遺煤自然發火可能性增大；當增大抽采口與工作面切頂線距離時，氧化升溫帶區域擴大，增大了遺煤的自燃危險性。15號煤層為低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽采效果很差，需要進行埋管抽采，如果抽采量增大及抽采口與切頂線很遠，使遺煤自燃更容易發生。為了防止采空區自燃發火，理論計算確定當推進速度是3m/d時，15108采空區瓦斯極限抽采量為31.71m3/h；通過加快開采速度到3.2m/d時，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，且阻止了采空區遺煤自燃。所以為了防止采空區自燃發火和提高瓦斯抽采效果，確定最佳的抽采參數對平衡二者之間的矛盾至關重要。

4 結論

(1)通過模擬結果發現：當工作面以3m/d的開采速度加快到3.2m/d時，15108采空區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的瓦斯抽采量。

(2)由擬合曲線發現，采空區遺煤自燃危險性跟瓦斯抽采量成正比。合理的提高開采速度有利于抽采量的增大，只有在回風巷抽采量滿足要求時，而且抽采量未超過極限抽采量時，才能有效的防止自然發火的發生。

(3)隨著埋入采空區的瓦斯抽采口越遠，氧化升溫帶相應朝采空區深部區域移動，根據現場測試發現，最佳的瓦斯抽采口位置在距工作面切頂線10～20m處。