某煤礦綜放采空區(qū)瓦斯與火治理技術(shù)

董 強

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室）

綜放工作面采空區(qū)會遺留下大量浮煤，造成較高濃度的瓦斯涌向工作面。另一方面，綜放工作面回采過程中需加大風(fēng)量，會導(dǎo)致工作面向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)量較大，進(jìn)而引起采空區(qū)浮煤的自然發(fā)火［1］。由此可見，綜放采空區(qū)瓦斯與火治理技術(shù)尤為關(guān)鍵，合理的工作面回采技術(shù)參數(shù)，如風(fēng)量、瓦斯抽采量、注氮量，會牽制綜采工作面的安全生產(chǎn)［2-3］。

本研究選取某煤礦206 綜放工作面，以4 號煤綜放采空區(qū)為研究對象，通過FLUENT軟件數(shù)值仿真手段，得出最優(yōu)化的工作面瓦斯與火治理技術(shù)工藝參數(shù)，用以指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

206 綜放工作面主采4 號煤層，厚度18.35 m，分層開采，煤層平均傾角為4°，東為205 綜采工作面采空區(qū)，西、南、北側(cè)均未開采，206 綜放工作面本煤層采厚為6 m，工作面布置見圖1。

206 綜放工作面走向長2 246 m，切眼長180 m，最大風(fēng)量為1 850 m3/min，工作面布置有206 運輸巷道、206 回風(fēng)巷道、206 灌漿巷道、206 頂板高抽巷，瓦斯 含 量 為 6.74～6.86 m3/t，瓦 斯 壓 力 為 0.54～0.624 MPa，工作面回采率為90%，產(chǎn)量約為9 100 t/d。

2 自燃煤層綜放采空區(qū)瓦斯與火災(zāi)害特性

放頂煤開采方式導(dǎo)致206 綜放工作面在開采過程中會有大量的頂煤遺留到采空區(qū)中，遺留的煤炭會涌出大量瓦斯，需要進(jìn)行瓦斯抽采防治，但是瓦斯抽采會導(dǎo)致采空區(qū)流場發(fā)生變化，另外工作面涌向采空區(qū)的空氣也會由于瓦斯抽采的作用，改變采空區(qū)氧氣流場。206綜放工作面開采的4號煤層是二類自燃煤層，當(dāng)采空區(qū)氧氣流場改變時，會存在自燃危險，需要采取防治火災(zāi)的技術(shù)措施。

也就是說，治理瓦斯的同時會引起采空區(qū)自燃的危險性，采空區(qū)需要對有可能自燃的危險區(qū)域進(jìn)行防治火災(zāi)發(fā)生的技術(shù)措施。采空區(qū)在抽采條件下，自燃危險區(qū)域的劃分有以下影響因素。

（1）采空區(qū)遺煤厚度。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，繪制了206 綜放采空區(qū)最小遺煤分布，見圖2。由圖2 看出，采空區(qū)最小遺煤厚度為1.71～5.25 m，4 號煤的自燃臨界溫度為60～75 ℃，當(dāng)遺煤厚度大于0.6 m時，就有自燃危險性［4］?？梢?，采空區(qū)漏風(fēng)流場滿足條件時，采空區(qū)全區(qū)域都有自燃的危險性。

（2）自燃“三帶”耦合劃分。采空區(qū)自燃“三帶”采用耦合劃分方式：①散熱帶，漏風(fēng)風(fēng)速≥0.04 m3/min；②氧化帶，漏風(fēng)風(fēng)速≤0.04 m3/min，并且氧氣濃度≥10%；③窒息帶，氧氣濃度≤10%。

（3）采空區(qū)自燃危險區(qū)域。因為采空區(qū)遺煤厚度均有自燃危險性，所以自燃“三帶”的劃分結(jié)果中，采空區(qū)遺留下的煤炭如果正好處在氧化帶范圍之內(nèi)，也就是說煤炭所處環(huán)境的氧氣和漏風(fēng)都符合條件，則自燃危險區(qū)域很大。

3 采空區(qū)瓦斯與火多場耦合數(shù)值仿真

3.1 采空區(qū)瓦斯與火多場耦合方程

3.1.1 采空區(qū)孔隙率、滲透系數(shù)

206 綜放采空區(qū)孔隙率取值按經(jīng)驗計算公式，選取同為4 號煤層放頂煤開采的彬長礦區(qū)下溝礦經(jīng)驗值［5］，按式（1）、式（2）計算孔隙率和滲透系數(shù)：

式中，f為孔隙率，%；K 為滲透性系數(shù)，m2/（Pa·s）；x為距離工作面的長度，m。

3.1.2 采空區(qū)遺煤耗氧方程

采空區(qū)內(nèi)遺留的煤炭消耗氧氣速度參考文獻(xiàn)［6］，按式（3）計算。

式中，v 為氧氣的消耗，kg/（m3·s）；ρy為采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的氧氣密度，取1.429 g/L；λ 為氧氣濃度衰減率，取5×10-5s-1；ct為遺留煤炭環(huán)境氧氣濃度，%；cb為遺留煤炭氧化的最低氧濃度值，%。

3.2 采空區(qū)數(shù)值仿真幾何模型建立

使用FLUENT 軟件對206 綜放采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值仿真［7］，采空區(qū)邊界條件設(shè)置見表1，建立的模型見圖3。

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3.3 采空區(qū)瓦斯與火數(shù)值仿真結(jié)果

使用 FLUENT 軟件［8］，風(fēng)量取1 200 m3/min，未采取注氮防滅火措施時，數(shù)值仿真的瓦斯?jié)舛确植家妶D4。由圖4可知，采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛容^高，最大值3.5%。根據(jù)圖2，采空區(qū)遺留的煤炭平均值為1.62 m，所以選擇206 綜放采空區(qū)2 m 高的平面，作為自燃“三帶”劃分的基準(zhǔn)面［9］，此高度平面風(fēng)速和氧氣濃度分布見圖5。

根據(jù)氧化帶耦合劃分的原則，當(dāng)漏風(fēng)風(fēng)速≤0.04 m3/s，并且氧氣濃度≥10%，則認(rèn)為采空區(qū)的遺留煤炭處于氧化帶范圍之內(nèi)，煤炭具有自燃危險，由圖5 可知，0.004 m/s 風(fēng)速曲線位置在距離工作面切頂線31 m 位置處，10%氧氣濃度曲線位置在距離工作面切頂線124 m 處，寬度為93 m，在運輸順槽一側(cè)，在沒有采取瓦斯抽采技術(shù)措施時，工作面進(jìn)風(fēng)巷道一側(cè)距離工作面切頂線31～124 m 位置采空區(qū)內(nèi)遺煤具有很大的自燃危險。

4 采空區(qū)瓦斯與火協(xié)同治理及自燃危險區(qū)數(shù)值仿真

4.1 瓦斯與火協(xié)同治理技術(shù)

4.1.1 采空區(qū)瓦斯治理

采空區(qū)瓦斯治理采取的是高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯，高抽巷層位布置影響著采空區(qū)瓦斯抽采的效果，206高抽巷剖面如圖6所示。其中：

式中，H 為垂距，m；h1為冒落帶高度，m；Δh 為距冒落帶高度，m。

式中，S 為水平距，m；α 為頂板巖石斷裂角，（°）；Δs 為距裂隙圈水平距離，m。

按式（4）計算H取21～40 m，按式（5）計算S取15～36 m。

4.1.2 采空區(qū)防滅火治理

206 綜放工作面防滅火采取的是井下移動注氮泵，通過采空區(qū)支架后方的軟篩管注入采空區(qū)內(nèi)，注氮量為1 000～1 200 m3/h，注氮布局30 m，注氮管路進(jìn)入采空區(qū)10 m后開始注氮，如圖7所示。

4.2 采空區(qū)自燃危險區(qū)數(shù)值仿真

在206 工作面風(fēng)量為1 200 m3/min、抽采量為140 m3/min 條件下，注氮量分別為 600，800，1 000，1 200 m3/h 時，采空區(qū)2 m 高的平面漏風(fēng)風(fēng)速和氧氣濃度分布見圖8。

如圖8 所示，當(dāng)注氮量不同時，0.004 m/s 上限漏風(fēng)風(fēng)速在回風(fēng)巷道一側(cè)，位置分別在50，51，52，52 m，對應(yīng)圖8（a）、（c）、（e）、（g）。10%氧氣濃度在回風(fēng)巷道一側(cè)，位置分別在130，110，100，100 m，對應(yīng)圖8（b）、（d）、（f）、（h）。氧化帶耦合劃分是以0.004 m/s漏風(fēng)風(fēng)速曲線開始，至10%下限氧氣濃度位置，經(jīng)計算后的氧化帶寬度如表2所示。

由表2 看出，隨著注氮量的增加，氧化帶最大寬帶范圍為80～48 m，當(dāng)注氮量為1 200 m3/h 時，氧化帶最大寬度為采空區(qū)52～100 m，寬度為48m。則工作面采空區(qū)遺煤的最短自然發(fā)火期。工作面每日最小推進(jìn)速度≥2.05 m/d，則采空區(qū)遺留的煤炭沒有自燃危險，否則采空區(qū)遺留煤炭有自燃的危險。

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4.3 工作面瓦斯與火共治效果

206綜放工作面在2個月內(nèi)的瓦斯與火治理技術(shù)下的推進(jìn)速度、抽采量、風(fēng)排瓦斯量、上隅角CO 濃度見圖9所示。

由圖9看出，工作面日推進(jìn)速度為5～6 m，高抽巷抽采量（混合量）在140 m3/min左右，濃度在11%左右，純量在15 m3/min左右，工作面風(fēng)排瓦斯量在4 m3/min左右。束管埋設(shè)在20～60 m，采空區(qū)深部CO 最大值在 23 ppm 左右，最小值在 2 ppm 左右，206 綜放工作面很好地兼顧了瓦斯抽采和防滅火。

5 結(jié) 論

（1）采用FLUENT 數(shù)值仿真軟件對206 綜放采空區(qū)進(jìn)行建模，模擬了在沒有抽采瓦斯時采空區(qū)流場。

（2）得出206 綜放工作面在風(fēng)量1 200 m3/min，抽采量 140 m3/min，注氮量 1 000 m3/h，推進(jìn)速度大于2.05 m/d 時，就可以很好地兼顧采空區(qū)瓦斯抽采和防滅火。