瓦斯抽采對采空區(qū)自燃“三帶”的影響研究

葉春輝

（煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232000）

采空區(qū)煤自燃危險性評估多采用“三帶”理論，劃分“三帶”的依據(jù)主要有采空區(qū)內(nèi)漏風風速、采空區(qū)內(nèi)升溫速度梯度、采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度[1]。目前，解決礦井瓦斯問題，經(jīng)常采取的方式為加強礦井通風能力、加大瓦斯抽采量[2-3]。在瓦斯抽采條件下，采空區(qū)將會形成新漏風通道，漏風動力增強，漏風量變大[4]。受此影響，瓦斯抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”將會與未抽采時的分布區(qū)域不同。文虎等[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測不同抽采條件下采空區(qū)氧濃度場分布規(guī)律，得到采空區(qū)煤自燃“三帶”分布情況，結(jié)果較為一致，并據(jù)此提出針對性防滅火技術對策。

朱集東礦1161（1）工作面預計瓦斯涌出量為55 m3/min，工作面回采期間利用多種抽采措施綜合治理瓦斯，對采空區(qū)自燃“三帶”造成影響。因此以朱集東礦1161（1）工作面為研究對象，對其不同瓦斯抽采條件下的采空區(qū)自燃“三帶”進行研究。

1 1161（1）工作面概況

朱集東礦采用立井、多水平、分組集中大巷、分區(qū)通風的開拓方式。礦井通風方式為中央并列式，采用抽出式通風方法。1161（1）工作面回采期間采用“U”型通風，運輸順槽進風、軌道順槽回風。

朱集東煤礦1161（1）工作面走向長1673 m，傾斜長度219.5 m，1161（1）工作面所采11-2煤層平均厚度1.2 m。工作面為一次采全高綜合機械化工作面，采高1.7～1.9 m，取1.9 m。上覆13-1煤層及下伏8 煤層均無采掘活動。11-2煤層自然發(fā)火期為89 d，自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃。

2 影響采空區(qū)“三帶”的因素分析

2.1 采空區(qū)浮煤厚度

1161（1）工作面煤層平均厚度為1.2 m，工作面采高取1.9 m，工作面兩巷高2.8 m，工作面回采率在99.31%左右，采空區(qū)內(nèi)部空隙率可考慮為30%。根據(jù)前后觀測的工作面頂煤厚度以及工作面的回采率估算出采空區(qū)平均浮煤厚度。

（1）進、回風兩側(cè)及兩端頭支架處浮煤厚度為0。

（2）采空區(qū)中部由于回采率為99.31%，則其浮煤厚度為：

1.2×（1-99.31%）/（1-30%）=0.01 m

根據(jù)能量守恒原理，采空區(qū)浮煤自然氧化放熱量大于頂?shù)装迳岷惋L流帶走的熱量之和時，才可能引起煤體自燃升溫。因此，采空區(qū)遺煤自燃前提是要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚。對于最小浮煤厚度，可用公式（1）計算：

式中：Tm為自燃臨界煤溫，K；Tw為圍巖溫度，K；φ為空氣干燥狀態(tài)下煤濕度，%；kp為原煤樣吸氧量，m3/（k·s）；ρm為煤的平均密度，kg/m3。

即當浮煤厚度h≤hmin時，松散煤體不能引起自燃升溫，hmin為最小浮煤厚度。

11-2煤層水分為1.53%，密度為1.37 t/m3，常溫常壓下干煤吸氧量為6×10-10，11-2煤自燃臨界溫度為65 ℃，平均原巖溫度為43.14 ℃。

將上述數(shù)值代入最小浮煤厚度計算公式，可計算出，11-2煤最小遺煤厚度0.26 m。

綜上所述，1161（1）工作面正?；夭汕闆r下，采空區(qū)進、回風兩側(cè)及兩端頭支架處和采空區(qū)中部浮煤厚度均小于最小浮煤厚度，無法引起遺煤自燃升溫。

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采

1161（1）工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為55 m3/min。工作面風量2268 m3/min，風速2.9 m/s。僅依靠通風方法很難解決瓦斯難題，因此必須采用瓦斯抽采進行治理。1161（1）工作面采空區(qū)瓦斯抽采方式主要有：地面鉆井抽采、軌道順槽鉆場鉆孔抽采、運輸順槽頂板巷密閉墻埋管抽采、上隅角埋管抽采。

（1）地面鉆井抽采。工作面回采期間，利用地面鉆井（9 口）抽采13-1煤卸壓瓦斯。

（2）軌道順槽鉆場鉆孔抽采。共設計施工13個平鉆場。在鉆場內(nèi)施工13-1煤穿層鉆孔、11-2煤頂板走向鉆孔抽采13-1煤卸壓瓦斯。

（3）運輸順槽頂板巷密閉墻埋管抽采。工作面回采前，提前將1161（1）運輸順槽頂板巷封閉，并在密閉墻埋管抽采13-1煤卸壓瓦斯。

（4）上隅角埋管抽采。在1161（1）回風隅角埋管抽采采空區(qū)瓦斯，管路接至工作面回風隅角，管路末端安設埋管。

研究上隅角埋管抽采及地面鉆井抽采兩種抽采條件下的采空區(qū)自燃“三帶”。1161（1）軌順上隅角埋管以及1161（1）1#～6#地面井抽采氣體取樣分析化驗結(jié)果，數(shù)據(jù)如圖1、圖2。

圖1 1161（1）軌順上隅角埋管取樣化驗結(jié)果

圖2 1161（1）1#～6#地面井取樣化驗結(jié)果

根據(jù)圖1、圖2 可得，隨著1161（1）軌順上隅角抽采管埋深增加，直至埋深到將近1000 m 時，氧濃度仍未降至18%。工作面不斷回采，地面井位置逐漸進入采空區(qū)深部，工作面退尺到1000多米時，1#地面井在采空區(qū)內(nèi)1000 m 左右，氧濃度最低在6.95%；4 號地面井在采空區(qū)內(nèi)500 m 左右，氧濃度仍在8%以上。

由于地面井抽采是從1161（1）工作面采空區(qū)經(jīng)過13 煤層到達地面，考慮氧濃度在此期間因煤氧化消耗而降低，實際1161（1）工作面采空區(qū)的氧濃度比地面井化驗結(jié)果的氧濃度高。

綜上所述，因抽采瓦斯治理模式的影響，造成采空區(qū)漏風較大，風流帶走大量熱量，導致采空區(qū)氧濃度高。同時結(jié)合采空區(qū)浮煤厚度結(jié)論，確定實際條件下無法劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

3 采空區(qū)煤自燃“三帶”數(shù)值模擬

為研究不同抽采條件對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，為礦方預防采空區(qū)煤自燃提供依據(jù)，結(jié)合前文分析，采用COMSOL 軟件模擬1161（1）工作面采空區(qū)漏風流場，依據(jù)漏風風速劃分“三帶”標準，確定采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律。

3.1 參數(shù)設置及邊界條件

模擬范圍為1161（1）工作面傾向長度1000 m，走向長度220 m。進出口參數(shù)見表1。假設采空區(qū)浮煤大于極限浮煤厚度，設定為0.3 m。

表1 進出口參數(shù)

空隙率n隨距工作面距離x的關系如公式（2）：

3.2 不同抽采條件時的模擬結(jié)果與分析

按照漏風風速劃分“三帶”：（1）散熱帶：采空區(qū)漏風風速大于0.24 m/min 的區(qū)域；（2）氧化帶：漏風風速在0.1～0.24 m/min 的區(qū)域；（3）窒息帶：漏風風速小于0.1 m/min 的區(qū)域。

不同抽采條件下的采空區(qū)氧化帶（漏風風速0.1～0.24 m/min 的區(qū)域）分布情況如圖3 ～圖5。

從圖3 ～圖5 中分析得出：抽采量不同，導致采空區(qū)氧化帶寬度及位置均不同。其中地面井停止抽采、地面井和上隅角停止抽采時，抽采量減少，氧化帶向工作面方向移動的同時寬度變窄；上隅角停止抽采時，抽采量減少，但5#和6#井抽采對于氧化帶周邊漏風的影響雖導致氧化帶向工作面移動，但氧化帶寬度變寬。

圖3 正常抽采情況下采空區(qū)漏風風速分布圖

圖4 地面井停止抽采時采空區(qū)漏風風速分布圖

圖5 上隅角停止抽采時采空區(qū)漏風風速分布圖

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)采空區(qū)浮煤大于最小浮煤厚度時，不同抽采條件下的采空區(qū)漏風流場數(shù)值模擬結(jié)果，得到朱集東礦1161（1）工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍見表2。

表2 采空區(qū)“三帶”劃分表

圖6 地面井和上隅角停止抽采時采空區(qū)漏風風速分布圖

根據(jù)漏風風速劃分采空區(qū)“三帶”標準，地面井和上隅角停止抽采時（相當于工作面正?；夭蓵r），采空區(qū)自燃“三帶”分布圖如圖7。

圖7 采空區(qū)自燃“三帶”分布

4 結(jié)論

以朱集東煤礦1161（1）工作面為研究對象，通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬方法研究瓦斯抽采對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，為朱集東礦工作面采空區(qū)煤自燃防治提供基礎。

（1）根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)及礦方相關資料，得到1161（1）工作面正?；夭善陂g，采空區(qū)幾乎無浮煤，浮煤厚度小于最小浮煤厚度；同時考慮瓦斯抽采治理模式的影響，造成采空區(qū)漏風較大，確定無法劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

（2）掌握不同瓦斯抽采條件對采空區(qū)自燃“三帶”的影響。分析模擬結(jié)果得到：抽采量不同，導致采空區(qū)氧化帶寬度及位置均不同。抽采量減少，氧化帶向工作面方向移動時寬度變窄；當抽采影響氧化帶周邊漏風時，氧化帶向工作面移動，但寬度變寬。