易自燃煤層高抽巷瓦斯合理抽采流量研究

梁國紅

(晉能控股煤業集團 晉圣公司坡底煤業，山西 晉城 048006)

煤作為一種不可再生能源，在其開采過程中伴隨有瓦斯氣體的排出，瓦斯濃度的大小直接影響開采作業環境的安全。同時煤作為一種可燃燒的能源材料，其本身具有自然發火的潛在可能性[1-2].針對煤層開采期間的瓦斯治理，通常采用抽采技術手段，開掘抽采巷道成為常用的一種瓦斯治理方法[3].而采用抽采巷道對工作面后方采空區內積聚的瓦斯氣體進行抽排時，將會導致更多的氧氣涌入采空區內，造成采空區內氧濃度增大。在過高的氧濃度環境下，會加劇采空區內遺留煤體發生自燃危險的可能性。

本文對晉能控股煤業集團某礦5204工作面高抽巷不同瓦斯抽采速率下的瓦斯濃度和氧濃度進行模擬研究，確定最優的抽采流量值，并進行現場工業性應用，對模擬結果進行驗證。

1 三維模型的建立

晉能控股煤業集團某礦主采5#煤層,開采期間瓦斯涌出量較大，其目前所開采的5204工作面回采期間相對瓦斯涌出量27.8 m3/min，遠高于《煤礦安全規程》中規定的5.0 m3/min，屬于高瓦斯礦井。同時對5#煤層進行相關測試得知其為易自然發火煤層，最短發火周期為28 d.該工作面沿傾向寬度為190 m，走向長為870 m，距離地表平均埋深超過550 m，開采深度較大，所采5#煤層均厚6.5 m，屬于特厚煤層，采用綜采放頂煤開采工藝。工作面傾向角為2°～8°，走向角為0°～11°，屬于近水平煤層開采條件。考慮到工作面上覆巖層賦存情況，從下向上依次為泥巖層(均厚0.6 m)、粉砂巖層(均厚3.5 m)、砂質泥巖層(均厚1.0 m)、細砂巖層(均厚8.4 m)、砂質泥巖層(均厚4.4 m)、粗砂巖層(均厚6.6 m)等，因此將瓦斯抽采巷道(以下簡稱高抽巷)布置在距5204工作面上方垂距為13.5 m的砂質泥巖層(均厚4.4 m)中，這樣能夠在滿足高效率掘進的同時控制掘進成本。基于上述工程地質背景，采用CFD數值模擬軟件建立三維模型，見圖1.

圖1 三維數值模擬模型圖

模型長190 m×寬330 m×高60 m，其中進風平巷的進風速率設置為1 200 m3/min，回風平巷的回風速率不設置，5204采空區的瓦斯涌出速率設置為27.8 m3/min.根據相關文獻研究可知，5204工作面與采空區、5204采空區與瓦斯抽采巷道之間的間隔面設置為納維-斯托克斯速度矢量等于布林克曼速度矢量條件。

2 抽采流量模擬研究

采用高抽巷對5204采空區進行瓦斯抽采時，隨著抽采流量的提高，采空區內積聚瓦斯的抽放效率提升，但同時導致采空區漏風量的激增，漏風量的激增，又會促進采空區內遺留煤體自燃現象的發生。因此，對于瓦斯抽采巷道抽采流量的合理設計，兼顧提升抽采流量、降低采空區內瓦斯濃度的同時，還要考慮控制煤體自燃現象發生的可能性。

2.1 抽采流量對瓦斯濃度的影響分析

根據圖1所建三維數值模擬模型，在其他條件不變的情況下，改變5204工作面上方高抽巷的抽采流量值，模擬不同抽采流量下5204采空區內瓦斯氣體濃度演變規律。根據相關瓦斯治理經驗,高抽巷的抽采流量取值分別為120 m3/min、180 m3/min、240 m3/min和300 m3/min，4種不同抽采流量下5204采空區內瓦斯濃度演變規律見圖2.

圖2 5204采空區內瓦斯濃度演變規律圖

由圖2可知，隨著高抽巷抽采流量的提升，5204采空區內瓦斯濃度梯度差值擴大，同時瓦斯濃度超過1%的范圍進一步向采空區深部縮小。這表明抽采流量的提升能夠使風流涌出采空區內，對采空區邊緣位置的瓦斯濃度進行稀釋，減小工作面后方淺部采空區內的瓦斯濃度值，提升工作面作業的安全性。而在圖2a)所示的高抽巷抽采流量條件下，回風平巷上隅角易出現瓦斯濃度大于等于1%的情況，而《煤礦安全規程》規定，不允許在瓦斯濃度大于1%的環境下作業，因此設計高抽巷的抽采流量時需排除抽采流量為120 m3/min這一參數值，相應的高抽巷抽采流量取值為180 m3/min、240 m3/min和300 m3/min均能滿足安全作業的要求。

2.2 抽采流量對氧濃度的影響分析

數值模擬4種不同抽采流量下5204采空區內氧濃度演變規律，見圖3.

圖3 5204采空區內氧濃度演變規律圖

由圖3可知，隨著高抽巷抽采流量的提升，5204采空區內氧濃度梯度差值擴大，氧濃度大于20.7%的范圍向采空區深度擴大，這表明采空區內將會含有更多的氧氣，對促進采空區內遺留煤體自燃創造了先決條件。

根據煤層開采高度，取其中間位置做水平剖面，得到采空區內氧濃度的平面等值線云圖，見圖4.

根據圖4，并依據相關文獻[4]研究，將采空內氧濃度為8.0%的位置定性為臨界值，進而可以得到高抽巷不同抽采流量下氧化帶的寬度范圍。同時根據相關文獻[5]可知，采空區氧化帶寬度不應該大于工作面推進速度和最短自然發火期乘積，由于5204工作面的最短發火周期為28 d，且工作面回采平均推進速度為2.5 m/d，其乘積為70 m，即表明采空區內氧化帶的最大寬度范圍應該不大于70 m.將圖4中高抽巷不同抽采流量下氧濃度大于8.0%的氧化帶的寬度范圍進行匯總統計，并根據計算結果采空區內氧化帶的最大寬度應滿足不大于70 m的條件，可以進一步對高抽巷的抽采流量進行篩選，見圖5.

圖4 5204采空區內氧濃度平面等值線圖

圖5 5204采空區內氧濃度平面等值線圖

結合圖5可知，設計高抽巷的抽采流量時要排除抽采流量為240 m3/min和300 m3/min的參數值，相應的高抽巷的抽采流量取值為120 m3/min和180 m3/min的參數值均能滿足安全作業的要求。

根據數值模擬分析可知，高抽巷的抽采流量滿足提升采空區內積聚瓦斯抽放效率的同時，還要防止因氧濃度過高而導致采空區內遺留煤體自燃現象的發生。因此綜合選定高抽巷的抽采流量為180 m3/min.

3 現場工業性應用

通過上述數值模擬研究確定了高抽巷的最優抽采流量為180 m3/min，在此基礎上對其進行現場工業性應用。采用束管監測手段[6]對高抽巷抽采流量為180 m3/min時5204采空區的氧濃度進行監測，束管測點的布置方案見圖6.

圖6 束管監測布置方案示意圖

由圖6可知，束管測點分別在進風平巷側和回風平巷側對稱性的各布置一組，每組4個測點，依次間隔30 m.隨著5204工作面的回采推進，所監測到的氧濃度數據變化情況見圖7.

由圖7可知，進風平巷側隨著工作面的回采推進在距離工作面76 m寬度范圍時氧濃度降低至8.0%；回風平巷側隨著工作面的回采推進在距離工作面62 m寬度范圍時氧濃度降低至8.0%；根據工作面兩側監測的采空區內氧化帶的最大寬度范圍值，計算可以得到其平均值為69 m，滿足不大于70 m的條件，說明高抽巷的抽采流量為180 m3/min時能夠防止因氧濃度過高而導致采空區內遺留煤體自燃現象的發生。

圖7 氧濃度監測結果圖

同時對5204工作面回風平巷側和上隅角處的瓦斯濃度進行監測，監測結果見圖8.

由圖8可知，回風平巷側的瓦斯濃度在監測日期范圍內(2016.07.21—2016.09.23)保持在0.13%～0.31%，而上隅角的瓦斯濃度保持在0.22%～0.60%，均滿足《煤礦安全規程》規定的瓦斯濃度不大于1%的要求，說明在高抽巷的抽采流量為180 m3/min時能夠滿足作業空間對于瓦斯氣體的濃度要求。

圖8 瓦斯濃度監測結果圖

4 結 論

1)高抽巷的抽采流量要既能滿足提升采空區內積聚瓦斯的抽放效率，還要防止因氧濃度過高而導致采空區內遺留煤體自燃現象的發生。因此綜合判定高抽巷的抽采流量為180 m3/min.

2)現場工業性應用期間，根據工作面兩側監測的采空區內氧化帶的最大寬度平均值為69 m，滿足不大于70 m的條件。同時回風平巷側的瓦斯濃度保持在0.13%～0.31%，而上隅角的瓦斯濃度保持在0.22%～0.60%，均滿足《煤礦安全規程》規定的瓦斯濃度不大于1%的要求。說明在高抽巷的抽采流量為180 m3/min時,滿足降低采空區內瓦斯濃度的同時，還能控制煤體自燃現象的發生。