高抽巷抽采對(duì)煤自燃帶影響的理論分析

安朝峰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

瓦斯災(zāi)害和煤自燃均是煤礦的主要災(zāi)害，礦井瓦斯抽采會(huì)降低瓦斯?jié)舛龋菚?huì)產(chǎn)生漏風(fēng)效應(yīng)，增大遺煤自燃的可能性[1-3]。周福寶等[4-5]提出裂隙場(chǎng)、CH4濃度場(chǎng)、O2濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多場(chǎng)交匯致災(zāi)機(jī)理及防控技術(shù)；褚廷湘等[6-9]研究表明瓦斯抽采加劇了采空區(qū)浮煤的氧化，影響采空區(qū)遺煤自燃的可能性。

上述研究缺乏高位巷抽采對(duì)煤自燃影響方面的理論研究，因此，本文主要在理論方面簡要分析高位巷抽采對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響。

1 綜放采空區(qū)裂隙帶內(nèi)空隙滲流特性

采空區(qū)氣體濃度的變化與氣體的滲流、運(yùn)移規(guī)律密切相關(guān)，以綜放采空區(qū)裂隙帶空隙滲流特性為切入點(diǎn)，深入剖析采空區(qū)漏風(fēng)通道、漏風(fēng)動(dòng)力源的形成機(jī)理。

1.1 采動(dòng)裂隙帶煤巖碎脹特征及空隙率分布

工作面的回采過程上覆巖層會(huì)逐步呈現(xiàn)離層、斷裂、下沉的現(xiàn)象，煤層開采后，采空區(qū)后方頂板巖性以及垮落巖體破壞特性，可將其分為：自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)[10-11]，隨工作面的推進(jìn)，采空區(qū)深度不斷增加，不同深度處冒落巖石的碎脹系數(shù)因所受覆巖應(yīng)力條件不同而發(fā)生改變，進(jìn)而影響采空區(qū)冒落巖石空隙率的大小，導(dǎo)致空隙率隨采空區(qū)深度發(fā)生變化。

根據(jù)“砌體梁”理論，巖層內(nèi)的移動(dòng)曲線方程[12]

=hφ-[∑hi+h(1-φ)](KP-1)

(1)

煤巖碎脹系數(shù)及采動(dòng)裂隙帶空隙率的計(jì)算如下

(2)

(3)

式中，V為上覆巖層垮落后的體積，m3；H為上覆巖層的垮落高度，m；V空間為上覆巖層垮落后的空隙體積，m3；H空間為垮落后上覆巖層的空隙高度，m。

聯(lián)立式(2)、(3)可得

(4)

采動(dòng)裂隙帶的空隙率ε隨采空區(qū)深度x的變化規(guī)律如下

(5)

從公式(5)分析可以得出，綜放采空區(qū)裂隙帶內(nèi)冒落煤巖的空隙率越大，采空區(qū)氣體的滲流、運(yùn)移狀態(tài)越好。

1.2 采動(dòng)裂隙帶滲透率分布

采動(dòng)裂隙帶內(nèi)，滲透率能夠有效反映采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)難易程度，直接影響氣體在采空區(qū)內(nèi)滲流運(yùn)移狀況，進(jìn)而影響采空區(qū)的漏風(fēng)。采動(dòng)裂隙帶空隙率隨采空區(qū)深度的變化而不斷發(fā)生變化，采空區(qū)裂隙帶滲透率呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，將表達(dá)式(5)帶入到多孔介質(zhì)的Carman公式[10]可得到采動(dòng)裂隙帶滲透率的計(jì)算公式如下

(6)

式中，Dm為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)破斷巖塊平均粒徑，m；從Carman公式可看出采動(dòng)裂隙帶內(nèi)冒落煤巖的滲流特性主要取決于采動(dòng)裂隙帶內(nèi)破斷巖塊的平均粒徑Dm和空隙率ε。

當(dāng)認(rèn)為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)破斷巖塊的平均粒徑Dm隨采空區(qū)深度的增加變化較小時(shí)，采動(dòng)裂隙帶滲透率隨采空區(qū)深度變化規(guī)律如圖1所示，采空區(qū)后方支架后一定距離內(nèi)，冒落巖石處于自然堆積區(qū)，巖石碎脹系數(shù)較大，區(qū)內(nèi)的滲透率A也較大，往采空區(qū)深部延伸，冒落巖石處于載荷影響區(qū)，由于載荷的影響，滲透率在一定程度上有所減小，繼續(xù)向采空區(qū)深部延伸，冒落巖石處于壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)，滲透率幾乎不發(fā)生變化，近似可認(rèn)為其為定值，當(dāng)采空區(qū)深部達(dá)到一定值時(shí)，理論上滲透率存在一個(gè)極限值B。

圖1 采動(dòng)裂隙帶滲透率隨采空區(qū)深度變化規(guī)律Fig.1 Variation law of permeability of mining fracture zone with goaf depth

工作面上覆巖層的垮落高度平均為30 m，上覆巖層的最大理論下沉值為7.38 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[10]自然堆積區(qū)的碎脹系數(shù)取值1.32，巖體垮落破碎后的平均粒徑取0.35，壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)的碎脹系數(shù)取1.12，巖體垮落破碎后的平均粒徑取0.23，因此計(jì)算可得到支架后部滲透率值A(chǔ)的理論值為42.5×106m2，采空區(qū)深部滲透率極限值B的理論值為6.27×106m2，則綜放采空區(qū)裂隙帶滲透率介于6.27×106～42.5×106m2之間。

2 抽采對(duì)自燃“三帶”分布影響理論分析

2.1 高位巷道抽采瓦斯作用機(jī)理

工作面的回采過程上覆巖層會(huì)逐步呈現(xiàn)離層、斷裂、下沉的現(xiàn)象，逐漸演化形成覆巖裂隙發(fā)育的橢拋帶展布[11-12]，為瓦斯運(yùn)移和聚集提供了通道和空間，聚集高濃度的瓦斯。在距煤層頂板一定距離沿煤層走向布置一高位抽放巷道，對(duì)采動(dòng)裂隙帶內(nèi)部的高濃度瓦斯進(jìn)行抽采，減少采空區(qū)瓦斯涌向工作面，高位巷道布置如圖2所示。

圖2 高位巷道布置Fig.2 Layout of high-level roadway

2.2 綜放采空區(qū)漏風(fēng)通道的形成及其漏風(fēng)動(dòng)力

采空區(qū)冒落巖石符合多孔介質(zhì)的特征，根據(jù)雙重介質(zhì)理論，可認(rèn)為采動(dòng)裂隙是采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流滲流、運(yùn)移的主要通道[13]。

由于高位巷道貫穿于整個(gè)采動(dòng)裂隙帶，工作面回采過程中，上覆巖層受煤層采動(dòng)及高位巷道松動(dòng)效應(yīng)影響誘導(dǎo)覆巖裂隙發(fā)育，引發(fā)高位巷、采動(dòng)裂隙帶形成貫通態(tài)勢(shì)，形成漏風(fēng)通道；由于冒落巖石間存在空隙，氣體在壓力作用下便可沿空隙發(fā)生滲流運(yùn)移，在高位巷內(nèi)，抽采壓力為負(fù)值，氣流沿著漏風(fēng)通道彌散，進(jìn)而形成采空區(qū)漏風(fēng)動(dòng)力，漏風(fēng)量大小與高位巷道的抽采負(fù)壓密切相關(guān)，抽采負(fù)壓增大導(dǎo)致漏風(fēng)通道兩端壓差增大，漏風(fēng)量相應(yīng)增大，漏風(fēng)也就越嚴(yán)重；同時(shí)采空區(qū)遺煤的氧化導(dǎo)致周圍環(huán)境升溫，采空區(qū)混氣密度減小，導(dǎo)致混氣產(chǎn)生升浮擴(kuò)散效應(yīng)，形成內(nèi)生火風(fēng)壓，加劇采空區(qū)的漏風(fēng)，形成了漏風(fēng)的另一動(dòng)力源。

2.3 瓦斯抽采負(fù)壓對(duì)自燃“三帶”分布影響

在采動(dòng)裂隙帶淺部范圍內(nèi)，風(fēng)流速度較大，流動(dòng)為紊流，可認(rèn)為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)，風(fēng)流的流動(dòng)規(guī)律近似遵循Bachmat[14]提出的非線性滲流方程

(7)

式中，K為滲透率，m2；J為水力梯度，J=-(P+ρgk)/γ，P為高位巷道抽采負(fù)壓值，Pa；k為垂直向上單位矢量；γ為重度，N/m3；ρ為混合氣體的密度，kg/m3；v為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),m2/s；g為重力加速度，m/s2；q為比流量，L/(s·m)；β為幾何形狀系數(shù)；ε為空隙率；Dm為采動(dòng)裂隙帶內(nèi)破斷巖塊的平均粒徑，m。

將空隙率表達(dá)式(5)及滲透率表達(dá)式(6)帶入非線性滲流方程(7)可得高位巷道負(fù)壓值與采空區(qū)深度x處漏風(fēng)比流量的關(guān)系式如下

(8)

高位巷道為負(fù)壓抽采，抽采負(fù)壓恒定時(shí)，由于采動(dòng)裂隙帶內(nèi)滲透率K隨采空區(qū)深部的增大而逐漸減小。因此，采空區(qū)不同深度的漏風(fēng)比流量也不同，采空區(qū)深部的漏風(fēng)較淺部而言變小。

無高位巷道抽采時(shí)，采空區(qū)深部的風(fēng)流非常弱，漏風(fēng)量很小，采空區(qū)遺煤在有氧環(huán)境中，物理吸附、化學(xué)作用均存在，使得采空區(qū)深部的氧氣濃度逐漸降低；同時(shí)遺煤氧化升溫，煤的吸附瓦斯逐漸解吸為游離瓦斯，對(duì)氧氣產(chǎn)生稀釋和驅(qū)替作用，使采空區(qū)氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，低于5%成為窒息帶。

高位巷負(fù)壓抽采作用下，采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶、高位巷貫通，進(jìn)而形成漏風(fēng)通道，在抽采負(fù)壓作用下，采空區(qū)深部氣體不斷地滲流、運(yùn)移至高位巷；在采空區(qū)淺部，氣體不斷地流入采空區(qū)深部，不斷恢復(fù)深部采空區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致深部采空區(qū)在不斷有氧氣補(bǔ)給的情況下氧氣體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定，原為窒息帶的區(qū)域，因氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)，進(jìn)而演變?yōu)樽匀紟?。與無高位巷道抽采條件下相比，采空區(qū)自燃帶邊界向采空區(qū)深部延伸，分布范圍寬度加寬，窒息帶范圍則向采空區(qū)更深部移動(dòng)，高位巷道抽采負(fù)壓P越大，漏風(fēng)比流量q值越大，漏風(fēng)愈發(fā)嚴(yán)重，采空區(qū)自燃帶增加的范圍程度越大，而采空區(qū)的窒息帶范圍向采空區(qū)深部移動(dòng)距離加大。

3 結(jié)論

(1)覆巖采動(dòng)裂隙帶與高位巷之間，呈現(xiàn)立體漏風(fēng)通道，負(fù)壓抽采及內(nèi)生火風(fēng)壓聯(lián)合作用形成采空區(qū)漏風(fēng)動(dòng)力。

(2)高位巷抽采作用下，會(huì)加寬進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶的寬度，縮小回風(fēng)側(cè)自燃帶的寬度。

(3)僅從理論方面研究分析高位巷對(duì)煤自燃帶寬度的影響，針對(duì)不同礦井的實(shí)際條件，公式的普適性還需結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化完善。