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(yè)集團 晉圣公司坡底煤業(yè)，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?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊戦_采作業(yè)環(huán)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(fā)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(shù)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(qū)內(nèi)積聚的瓦斯氣體進行抽排時，將會導(dǎo)致更多的氧氣涌入采空區(qū)內(nèi)，造成采空區(qū)內(nèi)氧濃度增大。在過高的氧濃度環(huán)境下，會加劇采空區(qū)內(nèi)遺留煤體發(fā)生自燃危險的可能性。

本文對晉能控股煤業(yè)集團某礦5204工作面高抽巷不同瓦斯抽采速率下的瓦斯?jié)舛群脱鯘舛冗M行模擬研究，確定最優(yōu)的抽采流量值，并進行現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用，對模擬結(jié)果進行驗證。

1 三維模型的建立

晉能控股煤業(yè)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(guī)程》中規(guī)定的5.0 m3/min，屬于高瓦斯礦井。同時對5#煤層進行相關(guān)測試得知其為易自然發(fā)火煤層，最短發(fā)火周期為28 d.該工作面沿傾向?qū)挾葹?90 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(zhì)泥巖層(均厚1.0 m)、細砂巖層(均厚8.4 m)、砂質(zhì)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(zhì)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?；谏鲜龉こ痰刭|(zhì)背景，采用CFD數(shù)值模擬軟件建立三維模型，見圖1.

圖1 三維數(shù)值模擬模型圖

模型長190 m×寬330 m×高60 m，其中進風(fēng)平巷的進風(fēng)速率設(shè)置為1 200 m3/min，回風(fēng)平巷的回風(fēng)速率不設(shè)置，5204采空區(qū)的瓦斯涌出速率設(shè)置為27.8 m3/min.根據(jù)相關(guān)文獻研究可知，5204工作面與采空區(qū)、5204采空區(qū)與瓦斯抽采巷道之間的間隔面設(shè)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(qū)進行瓦斯抽采時，隨著抽采流量的提高，采空區(qū)內(nèi)積聚瓦斯的抽放效率提升，但同時導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量的激增，漏風(fēng)量的激增，又會促進采空區(qū)內(nèi)遺留煤體自燃現(xiàn)象的發(fā)生。因此，對于瓦斯抽采巷道抽采流量的合理設(shè)計，兼顧提升抽采流量、降低采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊耐瑫r，還要考慮控制煤體自燃現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

2.1 抽采流量對瓦斯?jié)舛鹊挠绊懛治?/h3>

根據(jù)圖1所建三維數(shù)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(qū)內(nèi)瓦斯氣體濃度演變規(guī)律。根據(jù)相關(guān)瓦斯治理經(jīng)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(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛妊葑円?guī)律見圖2.

圖2 5204采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛妊葑円?guī)律圖

由圖2可知，隨著高抽巷抽采流量的提升，5204采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛忍荻炔钪禂U大，同時瓦斯?jié)舛瘸^1%的范圍進一步向采空區(qū)深部縮小。這表明抽采流量的提升能夠使風(fēng)流涌出采空區(qū)內(nèi)，對采空區(qū)邊緣位置的瓦斯?jié)舛冗M行稀釋，減小工作面后方淺部采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛戎担嵘ぷ髅孀鳂I(yè)的安全性。而在圖2a)所示的高抽巷抽采流量條件下，回風(fēng)平巷上隅角易出現(xiàn)瓦斯?jié)舛却笥诘扔?%的情況，而《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，不允許在瓦斯?jié)舛却笥?%的環(huán)境下作業(yè)，因此設(shè)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(shù)值，相應(yīng)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(yè)的要求。

2.2 抽采流量對氧濃度的影響分析

數(shù)值模擬4種不同抽采流量下5204采空區(qū)內(nèi)氧濃度演變規(guī)律，見圖3.

圖3 5204采空區(qū)內(nèi)氧濃度演變規(guī)律圖

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

根據(jù)煤層開采高度，取其中間位置做水平剖面，得到采空區(qū)內(nèi)氧濃度的平面等值線云圖，見圖4.

根據(jù)圖4，并依據(jù)相關(guān)文獻[4]研究，將采空內(nèi)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(jù)相關(guān)文獻[5]可知，采空區(qū)氧化帶寬度不應(yīng)該大于工作面推進速度和最短自然發(fā)火期乘積，由于5204工作面的最短發(fā)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(qū)內(nèi)氧化帶的最大寬度范圍應(yīng)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(tǒng)計，并根據(jù)計算結(jié)果采空區(qū)內(nèi)氧化帶的最大寬度應(yīng)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(qū)內(nèi)氧濃度平面等值線圖

圖5 5204采空區(qū)內(nèi)氧濃度平面等值線圖

結(jié)合圖5可知，設(shè)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(shù)值，相應(yīng)的高抽巷的抽采流量取值為120 m3/min和180 m3/min的參數(shù)值均能滿足安全作業(yè)的要求。

根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，高抽巷的抽采流量滿足提升采空區(qū)內(nèi)積聚瓦斯抽放效率的同時，還要防止因氧濃度過高而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺留煤體自燃現(xiàn)象的發(fā)生。因此綜合選定高抽巷的抽采流量為180 m3/min.

3 現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用

通過上述數(shù)值模擬研究確定了高抽巷的最優(yōu)抽采流量為180 m3/min，在此基礎(chǔ)上對其進行現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用。采用束管監(jiān)測手段[6]對高抽巷抽采流量為180 m3/min時5204采空區(qū)的氧濃度進行監(jiān)測，束管測點的布置方案見圖6.

圖6 束管監(jiān)測布置方案示意圖

由圖6可知，束管測點分別在進風(fēng)平巷側(cè)和回風(fēng)平巷側(cè)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(jiān)測到的氧濃度數(shù)據(jù)變化情況見圖7.

由圖7可知，進風(fēng)平巷側(cè)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(fēng)平巷側(cè)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(jù)工作面兩側(cè)監(jiān)測的采空區(qū)內(nèi)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(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺留煤體自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7 氧濃度監(jiān)測結(jié)果圖

同時對5204工作面回風(fēng)平巷側(cè)和上隅角處的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖8.

由圖8可知，回風(fēng)平巷側(cè)的瓦斯?jié)舛仍诒O(jiān)測日期范圍內(nèi)(2016.07.21—2016.09.23)保持在0.13%～0.31%，而上隅角的瓦斯?jié)舛缺３衷?.22%～0.60%，均滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的瓦斯?jié)舛炔淮笥?%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(yè)空間對于瓦斯氣體的濃度要求。

圖8 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果圖

4 結(jié) 論

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

2)現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用期間，根據(jù)工作面兩側(cè)監(jiān)測的采空區(qū)內(nèi)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(fēng)平巷側(cè)的瓦斯?jié)舛缺３衷?.13%～0.31%，而上隅角的瓦斯?jié)舛缺３衷?.22%～0.60%，均滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的瓦斯?jié)舛炔淮笥?%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(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊耐瑫r，還能控制煤體自燃現(xiàn)象的發(fā)生。