王銀輝，艾　興，趙　濤，張永明

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，撫順 113122)

數(shù)字出版日期： 2017-04-21

0　引言

沿空留巷技術(shù)實現(xiàn)了工作面之間不留煤柱，提高了回采率，同時減少了巷道掘進量，緩解了采掘接續(xù)壓力[1]。此外，對于瓦斯較高的礦井，可以解決上隅角瓦斯集聚問題[2]。由于該技術(shù)顯著的經(jīng)濟及安全效益，在全國范圍內(nèi)得到推廣。但是沿空留巷技術(shù)不可避免的增加了采空區(qū)的漏風(fēng)[3]，尤其是在高瓦斯煤層的開采，瓦斯抽采地點多、流量大，使采空區(qū)的漏風(fēng)情況更加復(fù)雜，給防滅火工作帶來壓力[4]。

針對沿空留巷的防滅火問題，國內(nèi)學(xué)者做了許多研究。鄧軍提出了通過實測巷道沿空側(cè)松散煤體鉆孔氧氣濃度推算漏風(fēng)強度的方法[5]，并模擬了沿空留巷巷道煤自燃過程[6]。劉偉等，通過數(shù)值方法對比了 “U”型與“Y”型通風(fēng)，發(fā)現(xiàn)“Y”型通風(fēng)采空區(qū)的漏風(fēng)量更大，較高濃度氧氣的分布范圍更廣[7]。余明高采用SF6測漏風(fēng)技術(shù)分析了沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)機理，并結(jié)合實例對沿空留巷采空區(qū)危險區(qū)域進行劃分[8]。文虎等，通過數(shù)值模擬表明沿空留巷墻體的滲透率對氧化帶影響顯著[9]。

本文通過數(shù)值模擬的方法，對采用沿空留巷技術(shù)的首采工作面的漏風(fēng)及自燃危險區(qū)域進行數(shù)值模擬，指導(dǎo)礦井對自燃危險區(qū)域進行針對性的防治，采用單因素分析法，模擬分析不同瓦斯抽采方式對采空區(qū)自燃危險區(qū)域的影響，協(xié)調(diào)瓦斯抽采與防滅火工作。

1　工作面基本情況

本文以寧夏高瓦斯突出礦井烏蘭煤礦020803綜采工作面作為模擬實例，工作面設(shè)計走向長度790 m，傾斜長205 m，所采煤層為8#煤層，平均厚度3.33 m。工作面上部為已采7#煤層采空區(qū)，平均厚1.9 m。通過計算，兩層煤復(fù)合冒落帶高度為21 m。7#、8#煤層最短發(fā)火期分別為57 d和55 d，煤層最大殘余瓦斯含量分別為5.25 m3/t、5.18 m3/t。020803工作面為該礦首次采用沿空留巷技術(shù)的工作面，在運輸順槽進行沿空留巷，用作下一區(qū)段工作面回風(fēng)巷。由于礦井瓦斯含量高，采取了上隅角、高位鉆孔及地面鉆孔共同抽采的措施，同時為防止采空區(qū)自燃發(fā)火采取了沿空留巷注氮措施。采空區(qū)抽采及注氮措施位置見圖1。

圖1　采空區(qū)瓦斯抽采、注氮示意Fig.1　Schematic diagram of gas extraction and nitrogen injection in goaf

2　邊界條件設(shè)置

2.1　孔隙率及滲透率

根據(jù)采動裂隙帶的基本特征及“O”形圈理論，從工作面切頂線處開始向采空區(qū)后方，冒落巖石逐漸被頂板壓實，空隙率逐漸減小，計算方法如式(1)[10-11]：

(1)

式中：n為孔隙率；x、y為采空區(qū)中部某點x、y軸坐標值，m；L為回采工作面的長度，m。

在采空區(qū)深部200 m之后的區(qū)域，認為進入壓實穩(wěn)定區(qū)，其孔隙率不變，數(shù)值與200 m位置相同。采空區(qū)滲透率根據(jù)Kozeny-Carman公式計算[12]。

2.2　耗氧速率

耗氧速率按式(2)計算[13]：

(2)

式中:w(O2)為遺煤耗氧速率，kg/(m3·s)；t0為煤在加熱氧化實驗中不出現(xiàn)CO的臨界溫度，℃；γ0為常溫標準空氣中采空區(qū)自然環(huán)境的耗氧速度，kg/(m3·s)；根據(jù)烏蘭礦煤層自然發(fā)火標志性氣體測定實驗數(shù)據(jù)，7#煤層γ0取值為1.16×10-6kg/(s·m3)，8#煤層γ0取值為1.67×10-6kg/(s·m3)。

2.3　采空區(qū)瓦斯解析釋放強度

瓦斯涌出強度隨時間呈負指數(shù)衰減變化。根據(jù)式(3)進行計算[13]：

(3)

式中：W(τ)為瓦斯解析釋放強度，kg/(m3·d)；qT為煤層瓦斯含量，kg/m3；λ為衰減率，1/d；τ為采落后煤的衰減時間，d。λ取值為0.035。

2.4　其他邊界條件

模型參考壓力值設(shè)定為101 325 Pa，回風(fēng)順槽出口壓力為-200 Pa。工作面風(fēng)量1 142 m3/min，沿空留巷風(fēng)量為331 m3/min，通風(fēng)參數(shù)與實際情況相同。

3　數(shù)值模擬分析

3.1　數(shù)值模擬結(jié)果驗證

用數(shù)值模擬的方法分析采空區(qū)流場，數(shù)值模型的正確性及適用性是準確分析的基礎(chǔ)。筆者采用采空區(qū)束管數(shù)據(jù)、瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)對比的方法，進行數(shù)值模型正確性及適用性的驗證。

3.1.1采空區(qū)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

采空區(qū)回風(fēng)隅角每間隔50 m向采空區(qū)敷設(shè)一路束管，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可得到采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的氧濃度分布。通過對比數(shù)值模擬結(jié)果相同位置的氧氣濃度數(shù)據(jù)，驗證數(shù)學(xué)模型的正確性，對比結(jié)果見圖2，可認為模擬結(jié)果與實際束管監(jiān)測結(jié)果基本一致。

圖2　束管監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.2　Comparison between beam tube monitoring data and simulation results

3.1.2瓦斯抽采濃度對比

數(shù)值模型不同位置瓦斯抽采量根據(jù)采空區(qū)實際抽采量進行設(shè)定，通過對比實際瓦斯抽采濃度驗證數(shù)值模型正確性，對比結(jié)果見表1。

數(shù)值模擬得到的各處瓦斯抽采濃度均在實際瓦斯抽采濃度范圍內(nèi)。通過以上2種方法的驗證，可認為模擬結(jié)果與實際情況相符。

3.2　采空區(qū)漏風(fēng)流場分布

采空區(qū)漏風(fēng)是遺煤自燃發(fā)火的主要原因，也是影響采空區(qū)氣體組分分布的主要因素。為了更直觀的觀測漏風(fēng)流場，在工作面及沿空留巷與采空區(qū)交界面模擬釋放無質(zhì)量的微粒，通過觀測微粒的運移路線，考察采空區(qū)漏風(fēng)流場。采空區(qū)漏風(fēng)跡線如圖3。

圖3　采空區(qū)漏風(fēng)跡線Fig.3　The air leakage trace of goaf

通過觀察漏風(fēng)的路徑可以看出，烏蘭礦工作面及沿空留巷區(qū)段均會向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)。工作面的漏風(fēng)主要進入高位鉆孔、上隅角埋管及1#、2#地面鉆孔；沿空留巷的漏風(fēng)主要進入地面2#、3#、4#鉆孔。在上隅角附近由于上隅角埋管及高位鉆孔的共同抽采，在上隅角附近漏風(fēng)較大。漏風(fēng)路線表明，瓦斯抽采是工作面的漏風(fēng)主要原因，由于礦井瓦斯涌出量大，多地點、大流量的瓦斯抽采造成工作面及沿空留巷全段均向采空區(qū)漏風(fēng)，勢必增加采空區(qū)供氧量。

3.3　采空區(qū)氧化帶分布規(guī)律

3.3.1水平方向分布規(guī)律

根據(jù)“三帶”劃分的標準，以氧濃度范圍在8%～18%為氧化帶范圍。圖4為遺煤較為集中的采空區(qū)底部氧氣濃度分布模擬結(jié)果。

根據(jù)圖4的模擬結(jié)果，氧化帶主要分為2個部分，一部分靠近工作面(圖中區(qū)域1)，氧化帶最近近距離工作面22 m，最遠距工作面84 m，氧化帶寬度為62 m，氧化帶面積8 300 m2；另一部分靠近沿空留巷(圖中區(qū)域2)，氧化帶最近距離沿空留巷7 m，最遠距沿空留巷50 m，氧化帶寬度為43 m，氧化帶面積5 606 m2。

圖4　采空區(qū)底部氧氣濃度分布Fig.4　Distribution of oxygen concentration in the bottom of goaf

總體趨勢上，由于工作面及沿空留巷存在漏風(fēng)，靠近工作面及沿空留巷氧氣濃度較高，遠離工作面及沿空留巷氧氣濃度較低。在區(qū)域1中，由于2#地面鉆孔的抽采，使氧化帶向采空區(qū)深部移動，擴大氧化帶范圍。

由于在沿空留巷距離工作面50 m ～150 m范圍內(nèi)注入氮氣，提高了沿空留巷附近采空區(qū)的氣體壓力，減少了漏風(fēng)量，使得注氮口附近氧氣濃度較低。在未進行插管注氮的區(qū)域2內(nèi)，由于存在漏風(fēng)量，沿空留巷附近采空區(qū)內(nèi)氧濃度升高，形成氧化帶。該區(qū)域與工作面推進方向垂直，遺煤并不會隨著工作面的推進而進入窒息帶，由于沿空留巷的通風(fēng)，在靠近沿空留巷的遺煤存在長期的供氧條件，自然發(fā)火危險性高。

圖5　采空區(qū)豎直方向氧氣濃度分布Fig.5　Distribution of oxygen concentration in vertical profile of goaf

3.3.2豎直方向分布規(guī)律

圖5為采空區(qū)豎直方向剖面圖，在豎直方向上，采空區(qū)上部的氧氣濃度較高，從圖中可以看出漏入采空區(qū)的空氣被處于采空區(qū)上部的地面鉆孔抽出，使得采空區(qū)上部氧氣濃度較高。

圖6為上覆7層煤采空區(qū)氧氣濃度分布圖，對比圖4可知，上覆煤層采空區(qū)氧化帶范圍比本煤層遺煤氧化帶范圍更大，遺煤處于氧化帶內(nèi)的時間更長，氧化帶面積21 768 m2。因此在采用地面鉆孔抽采瓦斯時，上覆煤層遺煤區(qū)域也是防止自然發(fā)火的重點區(qū)域。

圖6　上覆7#煤層氧氣濃度分布Fig.6　Distribution of oxygen concentration of 7# coal seam

4　瓦斯抽采對氧化帶分布影響

通過采空區(qū)的漏風(fēng)流場和氧濃度分布場的分析，可看出瓦斯抽采對采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布有明顯影響，為了分析比較各種瓦斯抽采方式對采空區(qū)自燃危險區(qū)域的影響方式及程度，對各種抽采措施進行單因素模擬。

圖7　無抽采、注氮條件下采空區(qū)氧濃度分布Fig7　Distribution of oxygen concentration in goaf under the condition of no gas extraction and nitrogen injection

圖7為采空區(qū)未采取瓦斯抽采及注氮措施情況下的氧濃度分布場，采空區(qū)在無抽采無注氮條件下，漏風(fēng)集中在采空區(qū)的淺部區(qū)域，氧化帶范圍較小，最深處距離工作面56 m，距離沿空留巷42 m，氧化帶范圍為5 588 m2。對比圖4，說明工作面所采取的措施在解決瓦斯問題的同時，也明顯增加了氧化帶范圍。

圖8為只進行高位鉆孔抽采時的采空區(qū)氧濃度分布，影響主要集中在高位鉆孔附近，鉆孔抽采對采空區(qū)其他位置沒有產(chǎn)生明顯影響。這是由于高位鉆孔是在采空區(qū)淺部，利用采空區(qū)冒落形成的裂隙攔截流向上隅角的瓦斯[14]，由于高位鉆孔至工作面之間孔隙率較大，漏風(fēng)路徑通暢，造成漏風(fēng)集中在高位鉆孔與工作面之間，并在工作面與高位鉆孔之間形成散熱帶。較未采取任何措施的情況，氧化帶面積略有增加，為6 199 m2。

圖8　高位鉆孔抽采情況下采空區(qū)氧濃度分布Fig.8　Distribution of oxygen concentration in goaf under the condition of high level boreholes gas extraction

圖9為只有上隅角抽采時采空區(qū)氧濃度分布，上隅角瓦斯抽采會明顯增加靠近工作面的氧化帶范圍，同時導(dǎo)致了沿空留巷一側(cè)的氧化帶范圍擴大。回風(fēng)側(cè)深度為48 m，沿空留巷側(cè)深度為70 m，氧化帶面為13 178 m2。

圖9　上隅角埋管抽采情況下采空區(qū)氧濃度分布Fig.9　Distribution of oxygen in goaf under the condition of using buried pipes gas extracting at upper corner

圖10為只有地面鉆孔抽采情況下采空區(qū)氧濃度分布。對比圖7，采取地面鉆孔抽采會導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶范圍明顯增大。遺煤較為集中的回風(fēng)側(cè)氧化帶深度增加至146 m，平行于工作面的氧化帶深度71 m ，平行于沿空留巷的氧化帶深度62 m，氧化帶范圍16 839 m2。地面鉆孔抽采是造成自燃危險區(qū)域擴大的主要原因，也是控制自燃危險區(qū)域的關(guān)鍵技術(shù)。同時根據(jù)該工作面瓦斯抽采的實際情況，地面鉆孔瓦斯抽采純量占工作面總瓦斯涌出的70%左右，是解決瓦斯問題的主要手段。

圖10　地面鉆孔抽采情況下采空區(qū)氧濃度分布Fig.10　Distribution of oxygen in goaf under the condition of using surface goaf hole gas extraction

根據(jù)實際生產(chǎn)條件下的模擬結(jié)果，不同位置的地面鉆孔，抽采效果不同[15]。地面鉆孔1#，2#，3#，4#的抽放濃度分別為13.62%，63.01%，18.40 %，9.18 %。其中1#，2#，4#鉆孔瓦斯抽采濃度均較低，主要是由于1#，2#，4#鉆孔距離通風(fēng)巷道近，漏風(fēng)通道距離短、巷道附近的采空區(qū)冒落不密實，風(fēng)流容易被鉆孔抽入采空區(qū)。所以在利用地面鉆孔進行抽采時，應(yīng)適當(dāng)降低靠近通風(fēng)巷道且瓦斯抽采濃度較低鉆孔的流量，以此提高抽放效率，同時減少采空區(qū)漏風(fēng)。

通過對比分析烏蘭礦所采用的3種瓦斯抽采措施，3種瓦斯抽采措施均會導(dǎo)致氧化帶范圍擴大，但擴大的程度不同，高位鉆孔抽采最弱，上隅角瓦斯抽采次之，地面鉆孔最強。在設(shè)計瓦斯抽采時，從防滅火角度，應(yīng)首先考慮選用高位鉆孔抽采并增大其抽采能力。其次選用上隅角埋管抽放措施。在進行地面鉆孔抽采時，不應(yīng)靠近通風(fēng)巷道布置，同時應(yīng)根據(jù)瓦斯抽采濃度調(diào)節(jié)抽采流量。

5　結(jié)論

1)建立的數(shù)值模型與實際情況相符合，能夠反映采空區(qū)的真實情況。

2)由于多地點、大流量的瓦斯抽采，造成工作面及沿空留巷全段均向采空區(qū)漏風(fēng)，增加了采空區(qū)自燃危險區(qū)域范圍。

3)靠近工作面及沿空留巷氧氣濃度較高，靠近沿空留巷的遺煤存在長期供氧條件，自然發(fā)火危險性更高。同時由于地面鉆孔的抽采上覆煤層采空區(qū)供氧條件更好，上覆采空區(qū)遺煤也是自然發(fā)火防治的重點區(qū)域。

4)烏蘭礦所采用的瓦斯抽采措施均會造成氧化帶范圍擴大，但不同抽采措施導(dǎo)致氧化帶擴大的程度不同，高位鉆孔抽采最弱，上隅角瓦斯抽采次之，地面鉆孔抽采最強。在進行瓦斯抽采時，應(yīng)首先考慮選用高位鉆孔抽采并增大其抽采能力。地面鉆孔抽采時，不應(yīng)將鉆孔布置在靠近通風(fēng)巷道的區(qū)域，同時應(yīng)降低瓦斯抽采濃度較低鉆孔的抽采流量。

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