地面鉆孔抽采對采空區(qū)自燃“三帶”的影響研究

文建東，苗在全，高 璐，荊士杰

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

長期以來，我國能源結(jié)構(gòu)為“富煤、貧油、少氣”，在現(xiàn)開發(fā)的一次性能源中，煤炭資源是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要工業(yè)基礎(chǔ)，因此，煤炭在國民生活中占據(jù)著非常重要的地位[1-2]，然而隨著社會(huì)的需求，煤炭產(chǎn)量的需求也隨之提高，伴隨著深井開采，煤層中的瓦斯含量也隨之增加，嚴(yán)重威脅著煤層的安全開采[3-5]。因此，采用地面鉆孔可以對采空區(qū)瓦斯、采動(dòng)區(qū)瓦斯等區(qū)域瓦斯進(jìn)行有效抽采[6-8]。但進(jìn)行地面鉆孔抽采時(shí)，卻又易造成采空區(qū)漏風(fēng)，從而使得采空區(qū)自然發(fā)火問題嚴(yán)重干擾者煤礦日常安全生產(chǎn)[9-11]。

李宗翔等[12]建立了采空區(qū)瓦斯和自燃耦合模型，得到采空區(qū)內(nèi)高強(qiáng)度的瓦斯涌出可以削弱煤的自燃氧化進(jìn)程；余明高等[13]研究發(fā)現(xiàn)，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放治理時(shí)，區(qū)內(nèi)浮煤通過自熱可產(chǎn)生“內(nèi)生火風(fēng)壓”，進(jìn)一步增加了采空區(qū)的漏風(fēng)量，干擾了自燃“三帶”的分布范圍；盧平等[14]對煤與瓦斯自燃綜合治理展開了綜合研究，表明尾抽是低透氣性高瓦斯煤層安全開采的重要手段；郭忠凱等[15]通過數(shù)值模擬軟件，確定了瓦斯抽采的“高位環(huán)形體”范圍及位置。孫海濤等[16]建立了地面鉆井抽放采空區(qū)瓦斯時(shí)，地面井附近區(qū)域內(nèi)的氣體壓力衰減梯度變化函數(shù)，證明了對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯地面鉆井抽放工作具有很高的工程意義。許多學(xué)者對煤與瓦斯突出問題衍生的自然發(fā)火進(jìn)行了有效研究，但是關(guān)于近距離煤層開采條件下的采空區(qū)自然發(fā)火的綜合防治技術(shù)卻較少開展研究，因此筆者基于魏家地煤礦的基本情況、采空區(qū)瓦斯來源的構(gòu)成比例和北1103工作面煤層頂板冒落的實(shí)際情況，通過建立數(shù)值模擬模型，有針對性地對偏W型通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步開展地面鉆孔抽采對采空區(qū)自燃三帶影響研究，用以防治采空區(qū)遺煤、殘煤自燃，為形成北1103工作面瓦斯與火耦合災(zāi)害綜合防治技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從而保證煤礦的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

甘肅靖遠(yuǎn)煤電集團(tuán)魏家地煤礦屬于高瓦斯礦井，北1103綜放工作面位于該礦北一采區(qū)，可采走向長950 m，平均斜長200 m，傾角7°～23°。礦井相對瓦斯涌出量在11～30 m3/t，絕對瓦斯涌出量在47～75 m3/min，該工作面有自燃發(fā)火危險(xiǎn)性，自燃發(fā)火期5個(gè)月左右。北1103工作面巷道布置如圖1所示。

2 理論分析

2.1 采空區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)

當(dāng)賦存在地下的煤炭資源開采后，使煤巖體原始平衡狀態(tài)被打破，處于失衡狀態(tài)，由于煤巖失衡會(huì)導(dǎo)致煤原巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，隨著時(shí)間的推移，直至達(dá)到一個(gè)新的平衡[17]。當(dāng)前對覆巖破壞與移動(dòng)的認(rèn)識已相對成熟，“上三帶”理論已被國內(nèi)外學(xué)者學(xué)習(xí)接受，對覆巖破壞與位移研究的理論積累學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)明顯的分帶性，依據(jù)各帶的特征、地質(zhì)條件分為冒落帶、裂縫帶和彎曲帶。當(dāng)采空區(qū)上覆冒落帶煤(巖)體的密實(shí)程度較疏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)附近圍巖裂隙數(shù)量增多，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)程度隨之加大，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)存在一定濃度的氧氣時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的遺煤易引發(fā)自燃。因此，采空區(qū)水平冒落帶裂隙數(shù)量與采空區(qū)自燃“三帶”有相互影響作用。當(dāng)采空區(qū)頂板冒落的煤巖體呈自由狀態(tài)堆積時(shí)，區(qū)域內(nèi)裂隙空間大，加上采空區(qū)與工作面相鄰，容易發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的煤與氧氣產(chǎn)生熱量后，能通過裂隙夠迅速轉(zhuǎn)移分散，不易積聚在煤體內(nèi)部，此時(shí)相當(dāng)于采空區(qū)自燃“三帶”中的散熱帶。當(dāng)采空區(qū)頂板冒落的煤(巖)體在上覆巖層壓力作用下被逐漸壓實(shí)后，密實(shí)程度增加，存在的裂隙數(shù)量明顯減少，導(dǎo)致漏風(fēng)量也隨之較小，使煤氧化后釋放的能量蓄積在煤體內(nèi)部，使其溫度升高，此時(shí)相當(dāng)于自燃“三帶”中的氧化帶。隨著采空區(qū)內(nèi)的煤(巖)體進(jìn)一步被壓實(shí)，其內(nèi)部孔隙數(shù)量急劇減少，加上遺煤附近氧濃度減少，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)不會(huì)發(fā)生煤氧化反應(yīng)，此時(shí)相當(dāng)于采空區(qū)自燃“三帶”中的窒息帶。

圖1 工作面巷道布置Fig.1 Roadway layout of working face

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采與自燃發(fā)火理論

采空區(qū)內(nèi)煤與瓦斯自燃發(fā)火作用主要表現(xiàn)為采空區(qū)內(nèi)煤自燃條件的變化所引起的相互干擾作用[18]。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯含量較高時(shí)，采空區(qū)內(nèi)氧氣量則較低，發(fā)生氧化程度較慢，使得區(qū)內(nèi)遺煤自燃可能性下降。當(dāng)瓦斯絕對涌出量與采空區(qū)內(nèi)風(fēng)量處于相對平衡狀態(tài)時(shí)，瓦斯含量與煤自燃相互作用明顯。因此，瓦斯對煤自燃的作用受采空區(qū)通風(fēng)效果的影響。當(dāng)采空區(qū)存在大量瓦斯時(shí)，將抑制采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火，相反，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯被抽采減少后，將促進(jìn)采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火。

2.3 瓦斯抽采對采空區(qū)自燃“三帶”影響因素分析

當(dāng)對工作面進(jìn)行通風(fēng)，由于漏風(fēng)因素始終存在，導(dǎo)致部分風(fēng)流會(huì)進(jìn)入到采空區(qū)。當(dāng)對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流場將會(huì)受到影響，導(dǎo)致采空區(qū)自燃“三帶”發(fā)生改變[19]。瓦斯抽采對采空區(qū)自燃“三帶”影響因素主要為以下2個(gè)方面[20]。

(1)抽采方式不同。采空區(qū)自燃“三帶”分布受瓦斯抽采方式的影響主要體現(xiàn)為瓦斯抽放口與工作面的空間位置。當(dāng)瓦斯抽放口距離采空區(qū)越近時(shí)，采空區(qū)深部流場受其影響越大。反之，當(dāng)瓦斯抽放口距離采空區(qū)越遠(yuǎn)時(shí)，采空區(qū)深部流場受其影響越小。

(2)抽采流量大小不同。采空區(qū)瓦斯抽采流量與采空區(qū)自然“三帶”的分布也有一定相關(guān)性，且是動(dòng)態(tài)變化的。當(dāng)瓦斯抽采流量較大時(shí)，隨著瓦斯抽采流量的持續(xù)增大，采空區(qū)漏風(fēng)量隨之增大，但是當(dāng)最大瓦斯抽采流量低于某一值時(shí)，隨著瓦斯抽采流量的減少，采空區(qū)漏風(fēng)量卻逐漸增加，從而影響著采空區(qū)自燃“三帶”的分布。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)魏家地北1103通風(fēng)工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，采用COMSOL 數(shù)值軟件對地面鉆孔抽采對采空區(qū)自燃 “三帶”的影響情況展開模擬研究。現(xiàn)對計(jì)算模型進(jìn)行如下簡化[20]。

(1)忽略礦井周期來壓對工作面流場的影響，只考慮從工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量、運(yùn)輸巷和進(jìn)風(fēng)巷以及專用通防巷對北1103采煤工作面通風(fēng)流場的影響。

(2)將工作面、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和專用通防巷視為規(guī)則長方體，北1103切眼長200 m，巷道凈寬6.8 m，凈高2.8 m，凈斷面面積18.92 m2；北1103運(yùn)輸巷凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面面積15.76 m2；北1103回風(fēng)巷凈寬4.8 m，凈高3.8 m，凈斷面面積15.76 m2。

(3)只考慮裂隙帶部分，垮落帶(豎向破斷裂隙帶)與煤層頂板高度為20 m，煤層厚讀為7 m，采空區(qū)長度為400 m，寬度為200 m，高度為50 m。

基于前期對現(xiàn)場的實(shí)地考察、測量和工作面原有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)礦井通風(fēng)理論，進(jìn)行瓦斯抽放對采空區(qū)自燃“三帶”影響規(guī)律研究。簡化后的幾何模型剖面如圖2所示。

圖2 三維物理模型Fig.2 3D physical model

數(shù)值模擬根據(jù)真實(shí)尺寸建立模型，模型原點(diǎn)為北1103工作面回風(fēng)巷上隅角下部端點(diǎn)，設(shè)定x軸、軸y和z軸正方向分別為采空區(qū)深部方向、工作面傾向方向和垂直向上方向，邊界條件設(shè)定采空區(qū)邊界為固定邊界不產(chǎn)生位移，僅考慮入口風(fēng)速，數(shù)據(jù)以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為主，出口邊界設(shè)置為壓力流出、抑制回流。采用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量為221 402個(gè)。

3.2 模擬結(jié)果分析

由于此次地面鉆孔抽采采用負(fù)壓抽采，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)形成壓力梯度，使得采空區(qū)氧化帶范圍明顯發(fā)生變化，地面鉆孔抽采前后采空區(qū)氧氣濃度分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 無地面鉆孔抽采采空區(qū)氧濃度范圍Fig.3 Range of oxygen concentration in goaf without ground drilling

由圖3、圖4可知，在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷以及工作面的氧氣濃度與空氣中的氧氣含量幾乎相同。無地面鉆孔抽采時(shí)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，氧氣大量向采空區(qū)擴(kuò)散，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧氣影響范圍擴(kuò)散至采空區(qū)深部110 m處，更深處氧氣濃度幾乎為零。優(yōu)化化后的U型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧氣影響范圍沿走向至采空區(qū)深部70 m處，經(jīng)地面鉆孔抽采瓦斯后，采空區(qū)內(nèi)氧化帶寬度明顯增加。

圖4 地面鉆孔抽采后采空區(qū)氧濃度范圍Fig.4 Range of oxygen concentration in goaf after ground drilling

利用氧氣濃度10%～18%的劃分標(biāo)準(zhǔn)對采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行劃分，利用comsol后處理功能對優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)地面鉆孔抽采前后的采空區(qū)氧化自燃帶進(jìn)行立體表征分別如圖5、圖6所示。

圖5 無地面鉆孔抽采采空區(qū)氧化自燃帶Fig.5 Stereoscopic map of oxidation spontaneous combustion zone in goaf without ground drilling

圖6 地面鉆孔抽采后采空區(qū)氧化自燃帶Fig.6 Stereoscopic map of oxidation spontaneous combustion zone in goaf after surface borehole extraction

通過圖5和圖6可知，原通風(fēng)方式形成的采空區(qū)氧化自燃帶寬度明顯小于地面鉆孔抽采后采空區(qū)氧化自燃帶，形成這種現(xiàn)象的原因在于原有通風(fēng)系統(tǒng)由于在靠近回風(fēng)巷的中部增加一條進(jìn)風(fēng)巷道，加劇了工作面中部向采空區(qū)的漏風(fēng)，根據(jù)錢鳴高院士提出的“O”型圈理論得知，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)與回風(fēng)巷側(cè)由于邊界實(shí)體煤的存在，頂板垮落但是不會(huì)完全壓實(shí)，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)與回風(fēng)巷側(cè)的采空區(qū)滲透率明顯大于采空區(qū)中部，由此形成的采空區(qū)傾向中部氧化自燃帶范圍擴(kuò)大。經(jīng)地面鉆孔瓦斯抽采后，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化自燃帶向采空區(qū)走向深部轉(zhuǎn)移。

綜上可知，采空區(qū)內(nèi)自燃三帶范圍為立體不規(guī)則狀，不同高度處，自燃帶范圍存在差異。自燃帶范圍氧氣濃度較高，地面鉆井終孔位置應(yīng)位于窒息帶以內(nèi)，該范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，結(jié)合采空區(qū)流場分布規(guī)律可知，回風(fēng)側(cè)氧氣濃度高于進(jìn)風(fēng)側(cè)。根據(jù)采空區(qū)遺煤經(jīng)驗(yàn)高度，選擇2 m高度處采空區(qū)氧化自燃帶范圍，地面鉆孔對采空區(qū)自燃“三帶”影響情況如圖7所示。由圖7可知，在實(shí)施地面鉆孔后，采空區(qū)氧化帶寬度明顯增加，具體數(shù)值從原有29 m氧化帶變?yōu)?9 m。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)地面抽采鉆孔后，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的氧化帶向頂板深部移動(dòng)，當(dāng)?shù)孛驺@孔設(shè)置在回風(fēng)巷上隅角20 m處時(shí)，氧化帶范圍會(huì)在傾向上明顯增加。具體布設(shè)地面鉆孔前后采空區(qū)三帶影響范圍見表1。

圖7 地面鉆孔對采空區(qū)自燃“三帶”影響(z=2 m)Fig.7 Effect of ground drilling on spontaneous combustion "Three Zones" in goaf (z=2 m )

4 現(xiàn)場實(shí)踐

4.1 北1103工作面采空區(qū)“三帶”卸壓鉆井布置

對北1103工作面采空區(qū)進(jìn)行地面鉆井抽采工作，此次共布置3個(gè)卸壓鉆井，均位于采空區(qū)回風(fēng)巷一側(cè)，且終孔位置分別距離切眼位置108、342、456 m。同時(shí)地面鉆井施工過程中，工作面仍向前推進(jìn)，因?yàn)榈孛嫘秹恒@井實(shí)施后形成井上下立體瓦斯抽采模式，必然導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶的變寬，應(yīng)加強(qiáng)對卸壓鉆井的抽采管控，采取以間歇式抽采為主的方式進(jìn)行地面抽采，14個(gè)月后，測點(diǎn)的 O2濃度降至 5 %左右，停止觀測。

表1 實(shí)施地面鉆孔前后采空區(qū)“三帶”分布Tab.1 Distribution of "Three Zones" in goaf before and after surface drilling

4.2 北1103工作面采空區(qū)“三帶”觀測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)觀測點(diǎn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得到北1103工作面回采期間1號、2號和3號地面卸壓抽采鉆井終孔點(diǎn)位置氣體參數(shù)(O2濃度)與工作面推幫線之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 O2濃度與工作面推幫線之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between O2 concentration and thrust line in working face

由圖8可知，當(dāng)工作面推幫線距地面鉆井位置0～35 m時(shí)，O2濃度為18%～21%；當(dāng)工作面推幫線距地面鉆井位置35～68 m時(shí)，O2濃度為8%～18%；當(dāng)工作面推幫線距地面鉆井位置為68 m以上時(shí)，O2濃度為8%以下。綜上所述，結(jié)合所得O2濃度可知，北1103工作面在地面實(shí)施卸壓鉆井后，采空區(qū)三帶分布規(guī)律為工作面推幫線后0～35 m為散熱帶、工作面推幫線后35～68 m為氧化帶、工作面推幫線68 m之后為窒息帶。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，相比較原采空區(qū)三帶，地面卸壓鉆井實(shí)施后對三帶影響規(guī)律為散熱帶寬帶減少10 m、氧化帶寬度增加16 m，這主要是由于地面卸壓瓦斯抽采影響了礦井的漏風(fēng)程度，從而擾亂了井下采空區(qū)流場，使得采空區(qū)自燃“三帶”范圍發(fā)生改變。

5 自然發(fā)火防治措施

魏家地北1103工作面礦井火災(zāi)的內(nèi)因涉及方面比較多，主要原因是通風(fēng)不足，煤層瓦斯含量高，當(dāng)煤氧化產(chǎn)生的熱量不易流失時(shí)，導(dǎo)致煤自燃，對北1103工作面進(jìn)行地面瓦斯抽采的同時(shí)，可以采取以下防治措施。

(1)注氮防滅火。在北1103工作面進(jìn)行日程回采過程時(shí)，可向煤層采空區(qū)注入氮?dú)猓梢杂行У囟杌煽諈^(qū)內(nèi)的遺煤，抑制其發(fā)生氧化，使得采空區(qū)內(nèi)部氧化帶延展率降低，有利于減小采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)。

(2)注漿防滅火。當(dāng)北1103采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火征兆時(shí)，如監(jiān)測到CO濃度升高，應(yīng)立即向采空區(qū)進(jìn)行注漿工作，直至CO濃度降低，同時(shí)應(yīng)及時(shí)處理工作面浮煤。

(3)堵漏防滅火。在北1103工作面日常生產(chǎn)中，當(dāng)出現(xiàn)地表裂隙或地表下沉現(xiàn)象后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回填，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)工作面支護(hù)強(qiáng)度。

6 結(jié)論

(1)對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行地面鉆孔抽采，可以影響其氧化帶范圍，布設(shè)地面鉆孔后，采空區(qū)散熱帶寬度由56 m增加至61 m；氧化帶寬度由29 m增加至40 m；窒息帶寬度由315 m減少至300 m。

(2)當(dāng)?shù)孛嫘秹恒@井終孔位置處于氧化帶時(shí)，采取以間歇式抽采為主，可將氧化帶等分為3個(gè)塊段，抽、停相互交替，當(dāng)推進(jìn)氧化帶兩端時(shí)以開啟抽采閘閥的2/3、當(dāng)推進(jìn)氧化帶中部時(shí)，應(yīng)停止卸壓鉆井的抽采，以自然引排為主。

(3)北1103工作面一煤層屬Ⅱ類易燃煤層，最短自燃發(fā)火期僅21 d，當(dāng)?shù)孛驺@井抽采時(shí)，采空區(qū)氧化帶長度為32 m，可有效減少采空區(qū)漏風(fēng)問題導(dǎo)致的采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。