王瑞青

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦,山西 045000)

煤炭自燃是礦井火災(zāi)的主要形式，每年由于煤炭自燃引起的火災(zāi)占總數(shù)的90%以上。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。

近年來科研工作者對(duì)此難題開展了大量研究，秦波濤等針對(duì)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，施工旁路式高位鉆孔來抽采瓦斯，并將三相泡沫防滅火材料通過鉆孔注入采空區(qū)，“抽-注”一體化的綜合治理技術(shù)很好的解決了采空區(qū)瓦斯與煤自燃的難題；何福勝等在某某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，得到當(dāng)注氮時(shí)間為15h/d和配風(fēng)量為2000m3/min可以有效消除瓦斯與火共生致災(zāi)的危險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)；周西華等在天池煤礦102孤島工作面通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和COMSOL數(shù)值模擬，確定采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，此區(qū)域位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距離切頂線20～70m內(nèi)風(fēng)速小于0.004m/s及O2濃度超過12%。

以上研究主要是分析了采空區(qū)自燃“三帶”與注氮量、注氮位置、注氮時(shí)間和風(fēng)量等之間的關(guān)系，雖然對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火起到了很好的預(yù)防作用，但前期準(zhǔn)備注氮材料耗時(shí)較長(zhǎng)，所需成本較高，沒有很好解決采空區(qū)瓦斯在抽采過程中會(huì)導(dǎo)致遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性，因此在抽采瓦斯的同時(shí)，還需要兼顧采空區(qū)自然發(fā)火防治，即面臨的瓦斯與火共治的技術(shù)難題。為更好指導(dǎo)某礦15108綜采工作面自燃煤層采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃“三帶”問題，本文以某煤礦15108大采高工作面為例，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”之間的規(guī)律及瓦斯抽采口的最佳位置，以有效指導(dǎo)煤層自然發(fā)火和瓦斯治理。

1 15108工作面概況

某煤礦15108工作面位于15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(zhǎng)度為3200m，傾斜長(zhǎng)為260m，煤層傾角平均9.4°，平均厚度4.70m，采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法。

15108工作面回采期間絕對(duì)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15號(hào)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)15108工作面的具體情況，提出采空區(qū)上隅角埋管來抽采瓦斯。

2 采空區(qū)瓦斯抽采對(duì)自燃“三帶”的影響

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)自燃“三帶”

通過在15108回風(fēng)巷不等距的布置溫度和氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控15108工作面采空區(qū)氣體的變化情況。

圖1 束管及溫度傳感器安設(shè)布置

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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15108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(cè)采空區(qū)O2濃度，利用實(shí)測(cè)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(cè)和模擬結(jié)果的比較

2.2 參數(shù)設(shè)置及邊界條件

采用COMSOL數(shù)值模擬采空區(qū)流場(chǎng)分布，數(shù)值模擬的計(jì)算范圍為沿15108工作面傾向264m，走向長(zhǎng)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)和鋼帶綜合支護(hù))。

由多孔介質(zhì)Carman公式，得滲透率：

(1)

式中:K為采空區(qū)滲透率，m2；Dm為多孔介質(zhì)骨架的平均粒徑，m；n為孔隙率，n=1-1/Kp。

依據(jù)邊界層理論計(jì)算得到斜溝礦15108工作面采空區(qū)滲透率K的擬合曲線為

(2)

2.3 瓦斯抽采量對(duì)自燃“三帶”的影響

2.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)抽采量為60m3/h、70m3/h、80m3/h、90m3/h、120m3/h和150m3/h時(shí)，鋪設(shè)在采空區(qū)內(nèi)的抽采管路與工作面切頂線的距離為20m，在瓦斯抽采量的升高過程中，氧化升溫帶的范圍緩慢增大，增長(zhǎng)速度很小，氧化升溫帶和窒息帶逐漸擴(kuò)大到采空區(qū)深部。模擬抽采量與氧化升溫帶寬度的變化規(guī)律見表2，借助數(shù)據(jù)的回歸分析，發(fā)現(xiàn)抽采量升高時(shí)，氧化升溫帶的距離在擴(kuò)大，遺煤的自燃的危險(xiǎn)性在增大。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，可有效防止自燃發(fā)火。

表2 氧化升溫帶與抽采量的變化關(guān)系

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)遺煤不發(fā)生自燃，推進(jìn)速度需要滿足如下條件

(3)

15108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15號(hào)煤層的最短自燃發(fā)火期為20d，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，因此需采取有效措施使其在合理范圍之內(nèi)。

從式(3)發(fā)現(xiàn)在風(fēng)量和煤的自然發(fā)火期不變條件下，采空區(qū)遺煤自燃的危險(xiǎn)性與推進(jìn)速度成反比，極限抽采量也不同。瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系見表3和如圖2所示，從表3和圖2發(fā)現(xiàn)瓦斯極限抽采量與工作面的推進(jìn)速度近似成正比?？梢酝ㄟ^提高工作面的推進(jìn)速度，在保證采空區(qū)不自燃的前提下，獲得工作面較大的瓦斯抽采量。當(dāng)工作面的推進(jìn)速度由3m/d提高到3.2m/d時(shí)，15108瓦斯抽采量可提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。

表3 瓦斯極限抽采量與推進(jìn)速度的關(guān)系

圖2 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(duì)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，模擬結(jié)果見表4。由表4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4 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(duì)自燃的影響

為了確保工作面的安全生產(chǎn)，需在降低遺煤自燃危險(xiǎn)性的條件下開始瓦斯抽采，所以瓦斯與火共治是同一流場(chǎng)中互相作用的耦合難題，研究分析兩者的基本原理和規(guī)律是至關(guān)重要的。

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。15號(hào)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)自燃發(fā)火，理論計(jì)算確定當(dāng)推進(jìn)速度是3m/d時(shí)，15108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)自燃發(fā)火和提高瓦斯抽采效果，確定最佳的抽采參數(shù)對(duì)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)，15108采空區(qū)的瓦斯極限抽采量可以從31.71m3/h升高到120m3/h，提高近4倍，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。合理的提高開采速度有利于抽采量的增大，只有在回風(fēng)巷抽采量滿足要求時(shí)，而且抽采量未超過極限抽采量時(shí)，才能有效的防止自然發(fā)火的發(fā)生。

(3)隨著埋入采空區(qū)的瓦斯抽采口越遠(yuǎn)，氧化升溫帶相應(yīng)朝采空區(qū)深部區(qū)域移動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最佳的瓦斯抽采口位置在距工作面切頂線10～20m處。