某煤礦極近距離上覆老空區(qū)注氮—抽放稀釋置換瓦斯數(shù)值模擬分析

王 磊

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦）

近距離煤層開采中因重復采動，煤巖冒落帶及裂隙帶進一步擴大，易溝通上下采空區(qū)，致使下部煤層回采過程中將面臨瓦斯涌出、漏風及自燃情況的發(fā)生，影響下部煤層的回采［1-3］。注氮技術(shù)在煤礦生產(chǎn)過程中，在防滅火方面具有良好的效果，得到廣泛應用［4-5］。在處理密閉老空區(qū)方面今年來有新進展［6］，氮氣注入密閉老空區(qū)后，這樣可有效地降低密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋瑫r還可阻礙氧氣濃度增加以及新空氣的進入。因而在預防瓦斯與煤自燃共生災害方面，這種技術(shù)被廣泛地應用，且表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。但密閉老空區(qū)注氮后，雖然稀釋了瓦斯?jié)舛龋浣^對量并未發(fā)生改變，因此在注氮稀釋的基礎(chǔ)上，通過抽放置換瓦斯很有必要。本研究根據(jù)某煤礦的地質(zhì)條件，論證上覆老空區(qū)通過注氮—抽放稀釋置換瓦斯技術(shù)方案的可行性，利用數(shù)值模擬方法分析了利用老空區(qū)進、回風側(cè)密閉注氮—抽放稀釋與置換老空區(qū)瓦斯的效果，為制定現(xiàn)場技術(shù)方案提供參考。

1 工作面概況

某煤礦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煤層下分層第一個工作面。IV13煤層自燃發(fā)火傾向等級為II類，發(fā)火期在3~6個月，煤層傾角30°，煤層瓦斯含量6.4 m3/t。12032工作面開拓布置環(huán)境較為復雜，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)。12032上順槽布置在保護煤柱下方，沿下層煤掘進，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—細砂巖，距上部12031老空區(qū)2.0 m。

IV13煤層從屬性分析可知，為自然發(fā)火煤層，其有一定自燃概率，通風系統(tǒng)和12031采空區(qū)相隔離。不過在開采過程中煤柱、圍巖、遺留煤中的瓦斯不斷的釋放而進入到采空區(qū)，使得此區(qū)域中的瓦斯?jié)舛炔粩嗵岣撸唧w情況見圖1。在此工程背景下，同時在下分層回采期間，因?qū)娱g距較小，致使煤巖裂隙進一步發(fā)育，層間貫通，上部老空區(qū)受氣體壓差的擾動，易造成老空區(qū)殘存瓦斯氣體涌向下部工作面，下部工作面瓦斯存在超限的風險。

從圖1可知，在12031密閉老空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?2.6%~24.8%，老空區(qū)內(nèi)氧氣8%~9%；可見12031老空區(qū)內(nèi)封存的瓦斯?jié)舛容^高，一旦12032回采，因?qū)娱g的貫通，易造成老空區(qū)內(nèi)封存的瓦斯涌向12032工作面，造成上隅角瓦斯超限，嚴重影響安全生產(chǎn)。

為了論證老空區(qū)注氮—抽放稀釋與置換瓦斯的可行性，采用數(shù)值模擬進行了注氮—抽放稀釋與置換瓦斯分析。

2 老空區(qū)注氮稀釋置換效果數(shù)值模擬方案

2.1 物理模型

在進行建模（圖2）時，對12031老空區(qū)內(nèi)環(huán)境假設(shè)如下。①其空間可看作為一個規(guī)則長方體，不考慮采場礦壓和煤自燃因素。②是由矸石和遺煤混合而形成的特殊多孔介質(zhì)，其中的多孔介質(zhì)保持各向同性。在進行建模過程中為簡化處理，而不考慮到冒落帶上部巖層。③在冒落穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)進行氣體的運輸和混合，其中的混合氣體不可壓縮。可基于守恒定理對其性質(zhì)進行分析。

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為300 m，傾向長為150 m，冒落帶高度根據(jù)經(jīng)驗公式結(jié)合模擬來確定，經(jīng)計算取為16 m。密閉內(nèi)瓦斯、氧氣、氮氣的初始濃度分別為28.9、10.09、4.0 mol/m3。采空區(qū)注氮出口壓力為0.2 MPa。進風巷頂板插管注氮間距60 m，回風巷頂板插管抽放間距60 m。

2.2 采空區(qū)空隙率與滲透率設(shè)置

在覆巖應力的作用下，采空區(qū)隨著時間推移逐漸被壓實。因此，采空區(qū)冒落煤巖的碎脹系數(shù)分布滿足：

式中，Kp(x,y)具體表示相應碎脹系數(shù)分布；K'p為采空區(qū)冒落煤巖被壓實后的碎脹系數(shù)；ax為冒落煤巖碎脹系數(shù)距離工作面的衰減率，m-1；ay表示此系數(shù)的衰減率，m-1；dy為距離固壁的距離，m；ξ1表示調(diào)整系數(shù)。

采空區(qū)冒落煤巖空隙率與碎脹系數(shù)的關(guān)系為

采空區(qū)冒落煤巖滲透率與空隙率的表達式為

式中，Dp為采空區(qū)冒落煤巖的平均顆粒直徑，m。

2.3 控制方程及邊界條件

采空區(qū)注氮控制方程為

式中，p為此區(qū)域的氣流動壓力，Pa；μ動力黏度，Pa?s；k表示滲透率，m2；β具體表示非達西流因子，m-1；H具體表示分布函數(shù)；Qs為對應于此區(qū)域的氣體源（匯）項；ci為相應組分的氣體摩爾濃度，mol/m3；c為混合氣體的摩爾濃度，mol/m3；Wi為相應的反應源項。

2.4 密閉老空區(qū)注氮模擬方案

根據(jù)12031老空區(qū)的概況，制定了如下模擬方案。①進風密閉墻側(cè)注氮15 d內(nèi)老空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植迹虎谠诘冖俨接嬎愕慕Y(jié)果上，模擬了進風密閉墻側(cè)注氮、回風密閉墻側(cè)抽放30 d工況下，老空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植肌?/p>

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 進風密閉注氮瓦斯?jié)舛饶M分析

根據(jù)12031老空區(qū)的情況，結(jié)合12032下分層的開拓接續(xù)，首先模擬了12032下分層未開拓時，通過12031老空區(qū)進風密閉注氮稀釋及惰化情況。圖3是密閉老空區(qū)在注氮15 d內(nèi)，不同注氮時間下的瓦斯?jié)舛确植肌?/p>

由圖3可知在進風密閉注氮下，采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓哂幸韵绿卣鳌?/p>

（1）隨著注氮時間增加，采空區(qū)內(nèi)瓦斯被稀釋區(qū)域逐漸擴大，且以注氮口位置逐漸沿老空區(qū)走向、傾向范圍運移。

（2）在注氮3、6、9、12、15 d后，采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀?0%的范圍分別為傾向70 m、走向70 m滲透擴散環(huán)形形態(tài)，滲流擴散半徑70 m左右；傾向90 m、走向90 m滲透擴散呈環(huán)形形態(tài)，擴散半徑90 m左右；傾向100 m、走向100 m，滲透擴散呈環(huán)形形態(tài)，擴散半徑100 m左右；傾向120 m、走向180 m滲透擴散呈橢圓形態(tài)；傾向140 m走向280 m滲透擴散呈橢圓形態(tài)。

（3）以采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀?%為稀釋評價指標，則注氮3、6、9、12、15 d的稀釋影響區(qū)域面積占整個老空區(qū)面積的比例分別為6.89%、10.64%、12.9%、28.37%、51.49%。④老空區(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，高濃度瓦斯富集在老空區(qū)回風傾向方向。

3.2 進風密閉注氮與回風密閉抽放瓦斯?jié)舛饶M分析

進風密閉注氮15 d后，在此基礎(chǔ)上模擬了進風密閉注氮、回風密閉同時抽放30 d的注氮稀釋及置換情況，見圖4。

從圖4可以看到在進風密閉注氮、回風密閉抽放30 d、邊注邊抽工況下，老空區(qū)瓦斯?jié)舛仍诓煌鞌?shù)下的變化特征如下。

（1）在邊注邊抽情況下，由于靠近停采線，采空區(qū)內(nèi)空隙率及滲透率較大，導致注入氮氣幾乎進入抽采管路，隨著邊注邊抽時間增加，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓⒉幻黠@。

（2）從采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植紒砜矗谶呑⑦叧?5 d以前，回風閉墻以里30 m位置，瓦斯?jié)舛容^高，也就是說如果閉墻埋管進入采空區(qū)30 m時，在前15 d可以有效抽放瓦斯。邊注邊抽30 d后，采空區(qū)回風側(cè)高濃度瓦斯富集區(qū)往后部移動，若通過閉墻插管抽放顯然效果不佳，抽出的氣體大部分為前期注入的氮氣，從整個30 d的抽放工況下瓦斯?jié)舛葓龅淖兓f明了這一點。

（3）在邊注邊抽30 d內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%,受影響區(qū)域并無太大改變，但通過抽放降低了老空區(qū)內(nèi)瓦斯的賦存量，起到了置換效果。

4 結(jié)論

（1）通過進風密閉注氮階段，可對停采線附近區(qū)域的瓦斯進行有效稀釋。

（2）通過閉墻實施邊注邊抽，實現(xiàn)了老空區(qū)內(nèi)的賦存瓦斯的置換量，從源頭降低了瓦斯的涌出來源，置換效果明顯。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，后期現(xiàn)場可以通過12031老空區(qū)進風密閉、回風密閉采用注氮與抽放相結(jié)合的方式，對老空區(qū)內(nèi)瓦斯進行稀釋與置換，這對現(xiàn)場技術(shù)實施提供了參考。