郭志鋒 周鈺博 岳治勇

（1.山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000；2.華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100035）

石泉煤礦為高瓦斯礦井，采用綜采放頂煤開采，全部垮落法處理頂板。由于高瓦斯礦井煤層開采后形成的采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境非常復(fù)雜，且氧化升溫是動態(tài)變化的過程，不同的采煤方法、通風(fēng)方式及瓦斯抽采方式等因素直接影響著遺煤自燃。高瓦斯煤層開采過程中，瓦斯抽采治理與采空區(qū)遺煤自燃相互制約，采用大直徑瓦斯抽采和增大風(fēng)量會引起漏風(fēng)量增加，導(dǎo)致遺煤加速自燃，而通過減小風(fēng)量或封堵控制遺煤自燃，又增加了采空區(qū)瓦斯爆炸危險，特別是放頂煤開采采空區(qū)遺煤量較大，氧化升溫達(dá)到自燃點更易引起自燃災(zāi)害和瓦斯爆炸，直接威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。目前，很多學(xué)者已針對采空區(qū)遺煤氧化升溫進(jìn)行了大量研究，盧平等[4]研究了潘三煤礦工作面頂板走向長鉆孔卸壓瓦斯抽放和本煤層順層孔抽放等瓦斯與煤自燃綜合治理技術(shù)。李宗翔等[5]通過總結(jié)研究采空區(qū)遺煤氧化環(huán)境-自燃升溫規(guī)律，詳細(xì)分析了自燃采空區(qū)遺煤耗氧-升溫的區(qū)域分布特征。采用數(shù)值模擬分析了821 工作面高位鉆孔抽放瓦斯條件下采空區(qū)漏風(fēng)及氧氣濃度分布特征，得出了采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域分布規(guī)律，研究了高位瓦斯抽采鉆孔抽采壓力對綜放采空區(qū)遺煤自燃范圍的影響[6]。大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是近年來才興起并應(yīng)用在高瓦斯礦井[7-11]，對于該技術(shù)條件下的采空區(qū)遺煤自燃致災(zāi)風(fēng)險規(guī)律的研究還處于初級階段，通過研究大直徑鉆孔抽采對采空區(qū)遺煤自燃的影響，對高瓦斯礦井的安全生產(chǎn)有著非常重要的現(xiàn)實意義。

本文以石泉煤礦30107 工作面為試驗區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，通過具有高可重復(fù)性、低成本的數(shù)值模擬手段對大直徑鉆孔深入采空區(qū)不同位置時的氧氣濃度和溫度場進(jìn)行模擬分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度及溫度場分布情況與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比來研究在大直徑鉆孔抽采條件下氧化升溫致災(zāi)風(fēng)險區(qū)域劃分，探索和分析大直徑鉆孔抽采技術(shù)對采空區(qū)遺煤自燃的影響規(guī)律，為具有類似地質(zhì)技術(shù)條件的采空區(qū)遺煤氧化升溫致災(zāi)風(fēng)險的礦井提供參考。

1 概況

30107 綜放工作面所采煤層為3#煤，煤層平均厚度為6.0 m，傾角平均5°，埋深平均400 m，頂板為砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。礦井瓦斯絕對涌出量44.34 m3/min，瓦斯相對涌出量11.72 m3/t，原始瓦斯壓力0.62 MPa，為高瓦斯礦井。采用綜采放頂煤開采，全部垮落法處理頂板，工作面采用U 型通風(fēng)。

2 大直徑鉆孔瓦斯抽采條件下遺煤氧化升溫自燃數(shù)值模擬

大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是應(yīng)用在高瓦斯礦井中解決上隅角瓦斯超限問題的抽采技術(shù)，其是通過大直徑鉆機(jī)施工大直徑瓦斯抽采鉆孔，形成由鄰近巷道側(cè)向抽采工作面回風(fēng)側(cè)的抽采鉆孔，實現(xiàn)大流量、低負(fù)壓瓦斯抽采，提升了抽采效率和瓦斯治理效果。該技術(shù)主要是以瓦斯治理為主，而缺少不同位置瓦斯抽采鉆孔對采空區(qū)遺煤自燃的影響分析。通過建立數(shù)值模擬模型，模擬瓦斯抽采鉆孔在不同位置采空區(qū)內(nèi)自燃帶及溫度場的變化，探究大直徑鉆孔瓦斯抽采條件下遺煤氧化升溫規(guī)律。

2.1 數(shù)值模擬物理模型及參數(shù)設(shè)定

Fluent 數(shù)值模擬軟件是基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，采用單元梯度算法，可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場。通過Fluent 模擬軟件模擬瓦斯抽采鉆孔距工作面不同距離采空區(qū)內(nèi)自燃帶范圍和溫度場的變化情況，分析大直徑鉆孔抽采對采空區(qū)遺煤自燃的影響規(guī)律。

模型參數(shù)：30107 綜放工作面長度180 m，切眼寬6 m；采空區(qū)長度260 m，寬180 m，高20 m；進(jìn)回風(fēng)巷寬5 m，高3.2 m；大直徑抽采鉆孔孔徑為250 mm。

數(shù)值模型邊界條件：進(jìn)風(fēng)巷道口邊界條件設(shè)為速度入口，設(shè)置風(fēng)速為2 m/s，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%；回風(fēng)巷道口設(shè)為自由出口；大直徑鉆孔抽采口設(shè)為速度入口，設(shè)置風(fēng)速為-7.8 m/s；工作面與采空區(qū)、抽采孔與采空區(qū)的交界處分別設(shè)為一對內(nèi)界面，其他面設(shè)為墻體，采空區(qū)區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)并對孔隙率、滲透率進(jìn)行UDF 程序編譯，采空區(qū)瓦斯涌出量為4.78 m3/min，工作面孔隙率設(shè)為95%。

2.2 采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃帶范圍數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬中，通過設(shè)置大直徑瓦斯抽采鉆孔深入采空區(qū)不同位置，模擬大直徑瓦斯抽采鉆孔距工作面距離L分別為15 m、25 m、35 m 和45 m 時采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃帶范圍（為了保證瓦斯抽采效果，鉆孔不應(yīng)深入采空區(qū)45 m）。自燃帶范圍按采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度和漏風(fēng)風(fēng)速兩種方法確定。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布在5%～18%或漏風(fēng)強(qiáng)度在0.1～0.24 m/min 范圍時，該區(qū)域?qū)儆谧匀紟?。兩種方法模擬結(jié)果在模擬圖中顯示（其中兩等值線之間區(qū)域代表氧氣濃度自燃帶范圍，云圖區(qū)域代表漏風(fēng)強(qiáng)度自燃帶范圍），模擬結(jié)果均為高度z=1 m 的截面圖，模擬結(jié)果見圖1、表1。

表1 鉆孔距工作面距離與自燃帶寬度關(guān)系 m

圖1 采空區(qū)遺煤氧化自燃帶范圍

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，通過速度場判斷采空區(qū)自燃帶范圍。由圖1 和表1 可知，隨著大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，自燃帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)深度保持不變，均為20 m，寬度逐漸增加。自燃帶在回風(fēng)側(cè)深度增加，寬度增加，且受瓦斯鉆孔抽采的影響，在鉆孔附近的漏風(fēng)強(qiáng)度大于0.24 m/min，形成一塊非自燃帶區(qū)域。當(dāng)大直徑抽采鉆孔距工作面距離由15 m 增大到25 m 時，由于鉆孔還處于采空區(qū)淺部，多孔介質(zhì)孔隙率較大，漏風(fēng)強(qiáng)度大于0.24 m/min 的區(qū)域增加，自燃帶深度由20 m 增大到28 m。隨著鉆孔繼續(xù)深入采空區(qū)，受上覆巖層應(yīng)力作用，采空區(qū)逐漸被壓實，介質(zhì)孔隙率減小，風(fēng)阻增大，深入采空區(qū)的鉆孔對采空區(qū)淺部區(qū)域風(fēng)流滲流的影響減弱，導(dǎo)致漏風(fēng)強(qiáng)度小于0.24 m/min 的區(qū)域增大，自燃帶深度逐漸由28 m 減少到20 m。

通過采空區(qū)氧氣濃度場判斷自燃帶范圍。隨著大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，自燃帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)深度由56 m 增大到62 m 后保持不變，寬度逐漸增大；自燃帶在回風(fēng)側(cè)深度不變，寬度增加；自燃帶在中間區(qū)域深度不變，寬度增加。整體上，隨著鉆孔距工作面距離的增大，通過速度場和氧氣濃度場判斷的自燃帶區(qū)域均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，不利于預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃。

2.3 采空區(qū)內(nèi)溫度場數(shù)值模擬分析

模擬以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面不同距離（L為15 m、25 m、35 m 和45 m）時采空區(qū)內(nèi)溫度場，通過分析不同距離采空區(qū)內(nèi)溫度場分布及變化規(guī)律，結(jié)合高溫核心區(qū)域范圍，判斷容易發(fā)生自燃區(qū)域。模擬溫度采用開氏溫度（單位K）。采空區(qū)內(nèi)溫度場分布模擬結(jié)果如圖2。

由圖2 可知，隨著以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，采空區(qū)高溫區(qū)域不斷擴(kuò)大并向回風(fēng)側(cè)方向延伸。溫度大于313 K 的高溫核心區(qū)域變大，位置處于進(jìn)風(fēng)側(cè)。由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)高溫區(qū)域不斷減小。由模擬結(jié)果分析可知，漏風(fēng)流中的氧氣與遺煤發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，積聚的熱量使采空區(qū)內(nèi)溫度逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到遺煤燃點即可發(fā)生自燃。溫度場中高溫核心區(qū)位于進(jìn)風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)95～165 m 范圍，結(jié)合采空區(qū)自燃帶范圍數(shù)值模擬結(jié)果可知，該區(qū)域大部分處于自燃帶范圍，屬于易發(fā)生自燃區(qū)域。因此，以孔代巷抽采鉆孔距工作面距離越大，采空區(qū)易發(fā)生遺煤自燃的高溫核心區(qū)域也越大，不利于預(yù)防自燃，且隨著鉆孔深入采空區(qū)，鉆孔周邊范圍也會逐漸形成高溫區(qū)，增大了自燃風(fēng)險，更不利于自燃的管控。

3 現(xiàn)場試驗

通過對采空區(qū)氣體和溫度的監(jiān)測，分析采空區(qū)內(nèi)各點氣體的濃度場和溫度場分布，驗證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。以30107 綜放工作面為試驗區(qū)，將監(jiān)測點布設(shè)在支架后方及工作面兩側(cè)順槽內(nèi)，兩順槽各布置1 個測點，切眼布置3 個測點，溫度測點的布置與束管的安裝同時進(jìn)行，并將測溫探頭與束管抽氣口處固定到一起。束管及測溫電纜外側(cè)采用Φ50 mm 鋼管進(jìn)行保護(hù)，并將其安設(shè)在距頂板50 cm 處。工作面測點布置如圖3。

圖3 30107 工作面測點布置圖

通過對以孔代巷抽采鉆孔距工作面距離L分別為15 m、25 m、35 m 和45 m 時的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度和溫度進(jìn)行監(jiān)測，分析采空區(qū)內(nèi)各點的氧氣濃度和溫度。由于采空區(qū)條件復(fù)雜，在束管敷設(shè)中可能出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致無法采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，應(yīng)將缺失的數(shù)據(jù)剔除。采空區(qū)各測點氧氣濃度和溫度實測結(jié)果（以L為15 m 為例）見表2。

表2 采空區(qū)各測點氧氣濃度與溫度實測結(jié)果

由表2 可知，隨著測點距工作面距離的增大，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度由19.6%降低為5.3%，回風(fēng)側(cè)氧氣濃度由5.1%降低為1.0%。由于工作面沿程氧氣消耗，由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度也不斷減小。整體上，工作面采空區(qū)淺部氧氣濃度較大，向采空區(qū)深部濃度逐漸衰減，呈現(xiàn)出典型的U 型工作面氧氣濃度分布形態(tài)。實測氧氣濃度分布規(guī)律與數(shù)值模擬采空區(qū)溫度場分布結(jié)果相對應(yīng)。隨著測點距工作面距離的增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)5#測點采空區(qū)溫度不斷增大，而回風(fēng)側(cè)1#測點采空區(qū)溫度先減小后增大再減小。距工作面15 m 處，由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)溫度逐漸增大；距工作面135 m 處，由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)溫度逐漸減小。現(xiàn)場采空區(qū)實測溫度分布結(jié)果與數(shù)值模擬溫度分布規(guī)律相一致。對比分析以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離L為15 m 時的采空區(qū)各測點氧氣濃度與溫度實測和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實測數(shù)值與模擬數(shù)值相差較小，氧氣濃度最大差異值為0.7%，溫度最大差異值為0.8 K，且各測點實測數(shù)值隨鉆孔距工作面距離的變化趨勢與模擬結(jié)果基本一致，表明了模擬結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

1）以采空區(qū)自燃帶范圍為基礎(chǔ)，進(jìn)一步模擬采空區(qū)溫度場，可以直觀反映大直徑瓦斯抽采鉆孔位置對采空區(qū)自燃帶范圍的影響規(guī)律，并對自燃帶范圍模擬結(jié)果起到間接驗證的作用。

2）模擬表明以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離增大，通過速度場和氧氣濃度場判斷的自燃帶區(qū)域均增大，最易發(fā)生自燃的高溫核心區(qū)域也增加，且隨著鉆孔深入采空區(qū)，鉆孔周邊范圍也會逐漸形成高溫區(qū)，提高自燃風(fēng)險，更不利于采空區(qū)自燃的控制。

3）氧氣濃度與溫度場模擬結(jié)果與采空區(qū)各測點實測結(jié)果相比，氧氣濃度最大差異值為0.7%，溫度最大差異值為0.8 K，表明實測值與模擬值相差很小，驗證了模擬結(jié)果的可靠性，為以孔代巷大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)采空區(qū)自燃災(zāi)害防治提供依據(jù)。