大采高工作面采空區(qū)瓦斯抽采對自燃“三帶”影響

畢建乙 張 輝 王宗貴

（1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

防治瓦斯與火共生災(zāi)害時(shí)，瓦斯抽采會(huì)因抽采強(qiáng)度過大，采空區(qū)抽采負(fù)壓升高，增大工作面尾部專用排瓦斯巷內(nèi)外壓差，從而向采空區(qū)大量漏風(fēng)，導(dǎo)致發(fā)生采空區(qū)煤炭自燃[1]。

近年來科研工作者對此難題開展了大量研究，秦波濤等[2]針對付村礦3下煤層綜放面采空區(qū)抽放瓦斯過程容易導(dǎo)致遺煤自燃的難題，開展“抽-注”一體化的綜合治理技術(shù)很好地解決了采空區(qū)瓦斯與煤自燃的難題；何福勝等[3]在斜溝煤礦開展上隅角淺部埋管抽采與篩管注氮耦合治理技術(shù)以防治瓦斯與火共生災(zāi)害，保障安全生產(chǎn)。本文借助斜溝煤礦18205大采高工作面，采用COMSOL數(shù)值模擬采空區(qū)自燃“三帶”與瓦斯抽采量和抽采口位置之間的關(guān)系，得到瓦斯抽采量與自燃“三帶”之間的關(guān)系及瓦斯抽采口的合理區(qū)域，以有效指導(dǎo)煤層自然發(fā)火和瓦斯治理[4-5]。

1 工作面概況

斜溝煤礦18205工作面位于12采區(qū)輔助運(yùn)輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實(shí)煤區(qū)，可采走向長度為2800m，傾斜長為264m，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。

18205工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為14.27m3/min，供風(fēng)量為2200m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到0.65%，只依靠通風(fēng)不能解決瓦斯難題，加上8#煤為自燃煤層，遺煤容易發(fā)生自燃導(dǎo)致瓦斯爆炸，因此需要實(shí)施瓦斯抽采。依據(jù)18205工作面的具體情況，提出采空區(qū)上隅角埋管來抽采瓦斯，18205巷道布置如圖1所示。

圖1 18205工作面巷道布置

2 采空區(qū)瓦斯抽采對自燃“三帶”的影響

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測自燃“三帶”

通過在18205回風(fēng)巷不等距地布置溫度和氣體監(jiān)測點(diǎn)（測點(diǎn)布置如圖2所示），來實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控18205工作面采空區(qū)有毒有害氣體的變化情況。

圖2 束管及溫度傳感器安設(shè)布置

針對現(xiàn)場實(shí)際回采過程中采空區(qū)瓦斯抽采量不能任意變化，因此本次試驗(yàn)的研究條件是給18205工作面供風(fēng)2200m3/min，采空區(qū)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(jiān)測采空區(qū)O2濃度，利用實(shí)測數(shù)據(jù)得到O2濃度變化曲線并進(jìn)行分析，得到采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，采空區(qū)O2濃度變化見表1。

表1 實(shí)測和模擬結(jié)果的比較

2.2 參數(shù)設(shè)置

采用COMSOL數(shù)值模擬采空區(qū)流場分布以更加有效地預(yù)測預(yù)報(bào)采空區(qū)遺煤自燃，數(shù)值模擬的計(jì)算范圍為沿18205工作面傾向264m，走向長度160m，煤厚4.7m。入口（進(jìn)風(fēng)巷）參數(shù)：面積23.56m2（高3.8m，寬6.2m，錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護(hù)），出口（回風(fēng)巷）參數(shù)：面積為21.88m2（高度為3.8m，寬度為5.6m，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)和鋼帶聯(lián)合支護(hù)）。

由多孔介質(zhì)Carman公式，得滲透率：

式中：

K-采空區(qū)滲透率，m2；

Dm-多孔介質(zhì)骨架的平均粒徑，m；

n-孔隙率，n=1-1/Kp。

依據(jù)邊界層理論計(jì)算得到斜溝礦18205工作面采空區(qū)滲透率K的擬合曲線為：

2.3 瓦斯抽采量對自燃“三帶”的影響

2.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

設(shè)置采空區(qū)不同瓦斯抽采量和抽采口與工作面切頂線的距離為20m，自燃“三帶”模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3得到，瓦斯抽采量升高過程中，氧化升溫帶的范圍緩慢增大。表2為通過模擬計(jì)算的采空區(qū)氧化升溫帶寬度，發(fā)現(xiàn)氧化升溫帶的寬度會(huì)隨瓦斯抽采量的增大而增寬，在工作面回風(fēng)流瓦斯不超限的前提下，將采空區(qū)瓦斯抽采量降到最低，可有效防治自然發(fā)火。

表2 氧化升溫帶與抽采量的變化關(guān)系

圖3 數(shù)值模擬氧化升溫帶的分布規(guī)律

2.3.2 極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系

為了防止采空區(qū)遺煤自燃，推進(jìn)速度需要滿足如下條件：

式中：

τm-遺煤被氧化的時(shí)間，d；

Lm-自燃氧化升溫帶寬度，m；

υ1-工作面推進(jìn)速度，m/d；

18205工作面推進(jìn)速度為3m/d，根據(jù)自燃傾向性鑒定報(bào)告得到8#煤層的最短自然發(fā)火期為20d，

-煤的最短發(fā)火期，d。通過計(jì)算得到為了防止采空區(qū)遺煤自燃，控制瓦斯抽采量低于31.71m3/h時(shí)，氧化升溫帶寬度小于60m，而當(dāng)瓦斯抽采量超出合理瓦斯抽采量時(shí)，采空區(qū)容易自燃；瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系如圖4所示。從圖4發(fā)現(xiàn)，瓦斯極限抽采量與開采速度近似成正比，為了采空區(qū)不發(fā)生自燃，可以提高工作面的推進(jìn)速度，以保證18205瓦斯抽采量。當(dāng)工作面以3m/d的推進(jìn)速度提高到3.2m/d時(shí)，18205瓦斯抽采量提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。因此通過合理加快推進(jìn)速度保證回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊陀?.8%，且抽采量低于瓦斯極限抽采量，能更加有效地防治自然發(fā)火。

圖4 瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的變化關(guān)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(qū)氧化升溫帶與瓦斯抽采口的變化規(guī)律，在供風(fēng)量為2200m3/min和瓦斯抽采量為80m3/h時(shí)，設(shè)置抽采口與切頂線的距離不同時(shí)，模擬采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，結(jié)果見表3。由表3發(fā)現(xiàn)，隨著瓦斯抽采口逐漸埋入采空區(qū)深部，氧化升溫帶范圍擴(kuò)大；工作面開采速度是3～3.2m時(shí)，采空區(qū)氧化升溫帶的范圍為60～64m，抽采管路的抽采口最佳設(shè)置區(qū)域?yàn)榕c工作面切頂線10～20m的距離。

表3 抽采口不同時(shí)氧化升溫帶分布規(guī)律

3 采空區(qū)瓦斯抽采對自燃的影響

當(dāng)抽采負(fù)壓升高時(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)加大，遺煤自然發(fā)火可能性增大；當(dāng)增大抽采口與工作面切頂線距離時(shí)，氧化升溫帶區(qū)域擴(kuò)大，增大了遺煤的自燃危險(xiǎn)性。8#煤層為低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽采效果很差，需要進(jìn)行埋管抽采，如果抽采量增大及抽采口與切頂線很遠(yuǎn)，使遺煤自燃更容易發(fā)生。為了防止采空區(qū)自然發(fā)火，理論計(jì)算確定當(dāng)推進(jìn)速度是3m/d時(shí)，18205采空區(qū)瓦斯極限抽采量為31.71m3/h；通過加快開采速度到3.2m/d時(shí)，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(qū)遺煤自燃。所以為了防止采空區(qū)自燃和提高瓦斯抽采效果，確定最佳的抽采參數(shù)對平衡二者之間的矛盾至關(guān)重要。

4 結(jié)論

（1）通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工作面以3m/d的開采速度加快到3.2m/d時(shí)，18205采空區(qū)的瓦斯極限抽采量升高近4倍，從31.71m3/h升高到120m3/h，大幅度提高了采空區(qū)的瓦斯抽采量。

（2）由擬合曲線發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性跟瓦斯抽采量成正比。因此合理提高工作面的開采速度，達(dá)到增加瓦斯抽采量且小于瓦斯極限抽采量的目的，以有效防治遺煤自然發(fā)火。

（3）埋進(jìn)采空區(qū)的抽采管路越深，氧化升溫帶朝采空區(qū)深部區(qū)域移動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳的瓦斯抽采口設(shè)置在與工作面切頂線的距離為10～20m，但是此時(shí)的瓦斯抽采效率仍需開展大量的研究。