瓦斯抽放條件下采空區(qū)漏風(fēng)供氧規(guī)律與煤自燃防治技術(shù)

朱海魚 武振國(guó) 宋宜猛 楊志華

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011；2.寧夏煤炭科學(xué)研究所有限公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011；3.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029)

綜放工作面回采期間，煤體釋放出的瓦斯大量聚積在采空區(qū)內(nèi)，由于采空區(qū)空間較小，工作面風(fēng)流可以直接擴(kuò)散進(jìn)入采空區(qū)深部，其內(nèi)部大量高濃度的瓦斯隨擴(kuò)散風(fēng)流涌向工作面上隅角，造成上隅角和回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?，影響工作面安全生產(chǎn)。因此，在工作面初采初放期間，必須采取有效措施解決瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題。目前國(guó)內(nèi)主要采用抽放鉆孔治理采空區(qū)瓦斯，即在回采工作面切眼附近的巷道內(nèi)向工作面采空區(qū)內(nèi)施工抽放鉆孔，抽放采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯。但是，瓦斯抽放不僅加劇采空區(qū)漏風(fēng)，造成采空區(qū)風(fēng)流紊亂，縮短采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期，增加煤自燃危險(xiǎn)性，同時(shí)由于采空區(qū)瓦斯不斷涌出，面臨火與瓦斯共存的生產(chǎn)環(huán)境?；诖?，本文以白芨溝礦2421綜放工作面為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬研究瓦斯抽放對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)和漏風(fēng)場(chǎng)的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐制定出高瓦斯礦抽放條件下采空區(qū)煤自燃防治技術(shù)。

1 瓦斯抽放對(duì)煤自燃影響分析

瓦斯抽放流量的大小對(duì)采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)狀況容易產(chǎn)生影響，會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量增大以及漏風(fēng)通道增多，使采空區(qū)內(nèi)的自燃范圍不容易被判斷。同時(shí)，瓦斯抽放口的位置因采取不同的抽放(或?qū)Я髋欧?方法，會(huì)對(duì)采空區(qū)內(nèi)的氣體分布有很大的影響，容易造成采空區(qū)風(fēng)流發(fā)生混亂，對(duì)煤自燃有很大影響。

1.1 數(shù)學(xué)模擬模型及物理模型

本文模擬不同抽放位置與抽放量對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度的影響。抽放管路從進(jìn)風(fēng)側(cè)布置，采空區(qū)傾向長(zhǎng)度取80m，走向長(zhǎng)度取100m，考慮流場(chǎng)的非均勻性，網(wǎng)格劃分采用非均勻網(wǎng)格，對(duì)漏風(fēng)口附近和回風(fēng)口附近進(jìn)行局部加密。由多孔介質(zhì)引起的動(dòng)量方程源項(xiàng)的變化由FLUENT內(nèi)嵌的程序進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，氧濃度和采空區(qū)滲透系數(shù)的源項(xiàng)采用用戶自定義函數(shù)進(jìn)行導(dǎo)入、編譯?？刂品匠痰那蠼饩捎没诮诲e(cuò)網(wǎng)格的控制容積法進(jìn)行離散計(jì)算，離散過(guò)程中的對(duì)流項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)分別采用2階中心差分格式。每個(gè)離散方程采用逐線迭代的方式求解，每條迭代線采用3對(duì)角矩陣算法和松弛因子相結(jié)合的方法進(jìn)行計(jì)算。

1.2 抽放口對(duì)采空區(qū)氧濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)分布影響

當(dāng)抽放管道由進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入采空區(qū)10m、20m、30m、40m時(shí)，抽放流量采用120m3／min，采空區(qū)兩段壓差為80Pa，利用FLUENT模擬軟件進(jìn)行求解，可以得到2421(二)綜放采空區(qū)氧濃度分布圖和漏風(fēng)強(qiáng)度分布圖，見圖1和圖2。

圖1 抽放管道進(jìn)入采空區(qū)不同位置時(shí)，采空區(qū)氧濃度分布圖 (氧氣濃度分布圖為氧氣質(zhì)量濃度分布圖，單位無(wú)因次)

(1)由圖1可知，管道進(jìn)入采空區(qū)10m、20m、30m時(shí)，距離工作面約40m回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧濃度分別約為10%～14%、12%～14%、13%～15%；管道進(jìn)入采空區(qū)40m時(shí)，管道抽放口處氧濃度約14%～16%；中部支架后距離工作面30～40m的采空區(qū)，氧氣濃度有明顯逐漸增大趨勢(shì)，而進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度變化較小。

(2)由圖2可以看出，4個(gè)抽放位置對(duì)漏風(fēng)強(qiáng)度影響分布接近，但受瓦斯管道抽放的影響，漏風(fēng)中部支架后采空區(qū)30～40m漏風(fēng)流速度隨著抽放口深度增加有變大趨勢(shì)。

隨抽放管道進(jìn)入采空區(qū)深度的增加，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度分布變化較小，而中部支架后和回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧濃度分布變化較大，回風(fēng)側(cè)距離工作面50～60m氧濃度有逐漸增大趨勢(shì)；采空區(qū)30～40m的漏風(fēng)強(qiáng)度隨著抽放口深度增加有變大趨勢(shì)。

1.3 瓦斯抽放量對(duì)漏風(fēng)風(fēng)量的影響分析

假設(shè)瓦斯抽放量為0～250m3／min，考慮距離工作面18m、70m抽放位置，在簡(jiǎn)化條件和理想情況下得到的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)抽放量小于50m3／min，漏風(fēng)量為140～150m3／min，漏風(fēng)量變化不大。抽采對(duì)漏風(fēng)的影響與抽放的位置有關(guān)，在深部抽放時(shí)(Lx＝70m)，工作面漏風(fēng)隨抽放流量的增大而逐漸增大。當(dāng)抽放口與工作面的位置較近時(shí) (Lx＝18m)，抽放流量在小于某一臨界值時(shí)，工作面漏風(fēng)隨抽放流量的增大反而逐漸降低，而當(dāng)抽放流量超過(guò)一定值后轉(zhuǎn)而增加，這是由于抽放口距離工作面很近，抽放負(fù)壓影響區(qū)位于冒落松散帶內(nèi)，抽放流量小于臨界值時(shí)，抽放對(duì)采空區(qū)深部流態(tài)的影響會(huì)減小。

2 高瓦斯礦抽放條件下采空區(qū)煤自燃防治技術(shù)

2.1 2421工作面概況

白芨溝礦歷年來(lái)瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果均為高瓦斯礦井，近年來(lái)礦井瓦斯涌出量呈逐年增加的趨勢(shì)。2421(一)、2421 (二)、2421 (三)、2421 (四)工作面位于白芨溝礦南二采區(qū)四階段和南四采區(qū)六階段，平均煤厚10m。這些工作面走向長(zhǎng)約1500m，傾斜寬150m，煤層傾角0°～18°。開采工藝為綜合機(jī)械化放頂煤開采，采高3m，放頂煤高度7m。目前正在開采2421(二)工作面，其他工作面已經(jīng)順利完成了回采。

2421(二)工作面上覆2421(一)采空區(qū)，2421(一)工作面后部采空區(qū)之前曾發(fā)生瓦斯爆炸事故，引起采空區(qū)長(zhǎng)時(shí)間大面積著火。2421(二)工作面開采過(guò)程中，上部采空區(qū)仍存在著尚未熄滅的火點(diǎn)和高溫區(qū)域，采空區(qū)內(nèi)浮煤和巖體在不停地釋放瓦斯，該工作面開采過(guò)程中面臨火與瓦斯共存的生產(chǎn)環(huán)境。該礦現(xiàn)有永久抽放泵站3座，移動(dòng)抽放泵站2座，已形成額定抽采能力1051m3／min，抽采管路總長(zhǎng)14286m的瓦斯抽放系統(tǒng)。該工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)有瓦斯抽放管路系統(tǒng)，抽放位置位于采空區(qū)深部30～40m，抽放量為120～150m3／min，工作面采用單一拖放式埋管瓦斯抽放，抽放流量相對(duì)高位鉆孔抽放量較小，該抽放方式容易導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)范圍擴(kuò)大，致使自燃高溫區(qū)范圍擴(kuò)大，尤其在大流量抽放或?qū)Я魍咚骨闆r下，自燃危險(xiǎn)程度會(huì)更高，表現(xiàn)為使原來(lái)的進(jìn)風(fēng)側(cè)危險(xiǎn)火區(qū)自燃加劇和在抽放口附近容易引起局部次生火區(qū)。在抽放口附近形成比工作面回風(fēng)出口壓力更低的低風(fēng)壓區(qū)，加大了工作面邊界上工作面與采空區(qū)內(nèi)外壓力差，使工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量增大。此時(shí)，工作面邊界上漏入、漏回風(fēng)的平衡點(diǎn)位置發(fā)生上移。針對(duì)這些問(wèn)題，白芨溝礦采取以下綜合技術(shù)措施，防治煤自燃。

2.2 專用排瓦斯巷排放采空區(qū)瓦斯

2421(二)工作面是白芨溝礦首例在直接頂下放頂煤開采的工作面，在首分層開采后，原有的穿層抽放鉆孔幾乎全部報(bào)廢，造成二分層瓦斯預(yù)抽時(shí)間縮短。工作面高強(qiáng)度的放采，放煤口及采空區(qū)將涌出大量瓦斯，單靠一進(jìn)一回的通風(fēng)方式，工作面及回風(fēng)流的瓦斯將超限。為此，在工作面回風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)沿煤層頂板開掘了一條專用瓦斯引放巷，貫穿于工作面走向；在工作面內(nèi)布置了2條工藝巷，采用聯(lián)絡(luò)巷將工藝巷和引放巷與回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷溝通，形成了3進(jìn)2回的通風(fēng)系統(tǒng)，引放巷作為專用排放瓦斯使用，巷道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)到2.5%。由于受采動(dòng)動(dòng)壓作用，引放巷支架容易變形，斷面變小，影響瓦斯排放。為了確保通風(fēng)斷面，提高引放效果，礦組織專門隊(duì)伍定期對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)，加強(qiáng)工作面上口段放煤管理，保證引放巷與采空區(qū)完全溝通，真正實(shí)現(xiàn)引放巷的作用。在2421(二)工作面開采期間，引放瓦斯?jié)舛绕骄_(dá)到了1.5%以上，降低了工作面風(fēng)排瓦斯壓力。

2.3 局部通風(fēng)機(jī)處理上隅角瓦斯

2421(二)工作面開采時(shí)，引放巷主要解決了采空區(qū)涌出的瓦斯，但引放巷距離回風(fēng)巷道約10m距離，由于工作面上隅角不放頂煤，引放巷對(duì)上隅角瓦斯治理作用甚小。上隅角瓦斯時(shí)常超限，但超限范圍較小，所以在工作面上部支架頂梁下安設(shè)了2臺(tái)5.5kW的局部通風(fēng)機(jī)，連接風(fēng)筒向上隅角供風(fēng)，通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了三專兩閉鎖功能，并由通風(fēng)部門專人看管，解決了上隅角局部瓦斯超限的問(wèn)題。

2.4 采用均壓通風(fēng)技術(shù)抑制采空區(qū)有害氣體涌出

白芨溝礦煤層賦存淺，地表無(wú)黃土覆蓋層，工作面開采后，采空區(qū)就形成溝通地表的裂縫，工作面配風(fēng)困難，在2321(四)綜放工作面開采時(shí)，應(yīng)用了主、輔通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，抽、壓結(jié)合的通風(fēng)方式解決漏風(fēng)問(wèn)題，技術(shù)比較成熟。2421(二)工作面開采時(shí)，同樣存在著采空區(qū)漏風(fēng)問(wèn)題，且漏風(fēng)將采空區(qū)大量瓦斯帶入工作面。所以在工作面回風(fēng)側(cè)設(shè)置調(diào)量風(fēng)門，與井底的輔助通風(fēng)機(jī)配合采用了均壓通風(fēng)技術(shù)，使工作面處于微負(fù)壓狀態(tài)，回風(fēng)量較進(jìn)風(fēng)量略大，這樣既有效抑制了漏風(fēng)，也控制了采空區(qū)瓦斯大量涌出，減輕了工作面風(fēng)排瓦斯壓力。

2.5 防滅火技術(shù)措施

工作面均壓通風(fēng)解決了漏風(fēng)問(wèn)題，阻止了采空區(qū)有害氣體的涌出，也阻止了采空區(qū)供氧，抑制了浮煤的氧化自燃，但也造成采空區(qū)內(nèi)積聚高濃度瓦斯，且發(fā)火隱患在井下不易被發(fā)現(xiàn)。由于2421(一)采空區(qū)瓦斯爆炸引起采空區(qū)著火面積大，灌漿死角仍存在隱蔽的火點(diǎn)和高溫異常區(qū)域，受采掘動(dòng)壓影響，漏風(fēng)通道小，有可能完全消除，只要形成供氧條件，就有復(fù)燃的可能。經(jīng)過(guò)多方面分析，控制瓦斯涌出是不現(xiàn)實(shí)的，只有從防滅火角度出發(fā)，才能避免火與瓦斯同時(shí)出現(xiàn)，保證工作面安全生產(chǎn)。

(1)超前探測(cè)。在工作面前方已經(jīng)施工的回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道、工藝巷、瓦斯引放巷內(nèi)向采空區(qū)施工探火鉆孔，安排專人采集氣樣，用色譜化驗(yàn)分析氣體成分，判定前方采空區(qū)狀態(tài)，如出現(xiàn)CO等標(biāo)志性氣體時(shí)，及時(shí)在地面對(duì)應(yīng)位置施工滅火鉆孔，灌注滅火材料，提前處理。

(2)常規(guī)監(jiān)測(cè)。由于工作面上覆采空區(qū)存在高溫發(fā)火異常，加強(qiáng)了工作面常規(guī)檢測(cè)手段的應(yīng)用。以瓦檢員定點(diǎn)檢查為主，包括上分層采空區(qū)密閉、工作面回風(fēng)巷、上隅角、支架后尾梁、工藝巷、瓦斯引放巷等地點(diǎn)氣體濃度、空氣溫度及淋水點(diǎn)溫度，根據(jù)檢查情況判斷工作面開采范圍內(nèi)采空區(qū)發(fā)火狀況，提供采取處理措施的依據(jù)。另外以束管檢測(cè)為輔，根據(jù)工作面推進(jìn)，分別在采空區(qū)密閉內(nèi)、上隅角采空區(qū)、下隅角采空區(qū)等重點(diǎn)防火部位埋設(shè)探頭，每班抽取氣樣化驗(yàn)分析氣體變化情況，判斷發(fā)火征兆。

(3)高強(qiáng)度注氮。從地面、井下向工作面后部采空區(qū)、前方采空區(qū)連續(xù)注氮。地面利用灌漿鉆孔交替向采空區(qū)注氮，連續(xù)注氮3～5d后，灌注各種滅火材料，再人工采集氣樣分析氣體變化情況，氣體濃度穩(wěn)定后更換其它鉆孔。井下可以從下隅角向后部采空區(qū)注氮以及從工藝巷、運(yùn)輸巷道探火鉆孔向前方采空區(qū)注氮，保證工作面開采前方100m范圍內(nèi)采空區(qū)氧濃度低于7%。高強(qiáng)度的注氮可以惰化采空區(qū)，降低氧濃度，起到防火作用，亦可抑制瓦斯爆炸。

(4)地面灌漿、注膠、注三相泡沫覆蓋隱患區(qū)域。高熱區(qū)主要存在于地面鉆孔灌漿死角和無(wú)鉆孔的空白區(qū)域，受采掘活動(dòng)影響，高熱區(qū)域得到漏風(fēng)供氧后，發(fā)展蔓延快，并隨漏風(fēng)區(qū)域的增大，向工作面推進(jìn)前方延伸。采取從工作面附近逐漸向前方實(shí)施滅火措施，井下邊掘邊探，地面有針對(duì)性的增加灌漿鉆孔，填補(bǔ)空白區(qū)域，縮小灌漿死角。選擇價(jià)格便宜，制備方便的黃土為灌漿材料灌注，同時(shí)配入適量復(fù)合膠體添加劑，增加泥漿稠度，堆積采空區(qū)裂隙，抬高灌漿水位，對(duì)降溫滅火起到一定效果。在出現(xiàn)有明顯發(fā)火跡象時(shí)，及時(shí)灌注膠體材料、三相泡沫覆蓋火點(diǎn)，起到明顯滅火作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽放量和抽放位置對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)影響較大。一般情況下隨著抽放管道進(jìn)入采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度也增加。

(2)現(xiàn)場(chǎng)高瓦斯礦抽放條件下煤自燃防治表明，采用專用排瓦斯巷排放采空區(qū)瓦斯，可以降低瓦斯壓力；局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)可以解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題；均壓技術(shù)控制了采空區(qū)瓦斯大量涌出，減輕了工作面風(fēng)排瓦斯壓力；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、高強(qiáng)度注氮及地面灌漿、注膠、注三相泡沫覆蓋隱患區(qū)域等防治煤自燃綜合措施的實(shí)施，避免火與瓦斯同時(shí)出現(xiàn)。

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