王月紅 吳 怡 張九零

(1. 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北省唐山市，063009；2. 河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北省唐山市，063009)

在實際煤礦井下生產(chǎn)過程中，瓦斯?jié)舛瘸抟殉蔀槠毡楝F(xiàn)象，治理瓦斯也成為重中之重。當(dāng)煤層瓦斯進(jìn)行抽采時，負(fù)壓較低時，抽采效果不佳，極易引起瓦斯爆炸；反之負(fù)壓過高時，會增大漏風(fēng)量，進(jìn)而提高采空區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，給采空區(qū)自然發(fā)火提供了有利條件。因此，選擇合理抽采負(fù)壓值，在煤礦安全生產(chǎn)中至關(guān)重要。

對于煤礦中抽采負(fù)壓對瓦斯抽采效果影響的問題，冉永進(jìn)等通過Comsol軟件模擬負(fù)壓值不同的情況下高位鉆孔的有效抽采半徑，得出隨著負(fù)壓增大，煤層瓦斯鉆孔的有效抽采半徑逐漸增大，抽采效率逐步提高；周凱軍通過現(xiàn)場測試的基本參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型結(jié)合Comsol軟件模擬不同負(fù)壓值瓦斯抽采率的變化情況；李日富等指出了在不同抽采負(fù)壓下的采空區(qū)氣體流場分布規(guī)律，指出把抽采負(fù)壓控制在一定范圍內(nèi)可降低采空區(qū)自然發(fā)火率；劉佳佳等運(yùn)用Fluent軟件模擬不同負(fù)壓值情況下，采空區(qū)漏風(fēng)流場分布規(guī)律以及漏風(fēng)量的多少，并根據(jù)結(jié)果對自燃帶寬度大小進(jìn)行排序；宋萬新等根據(jù)多種化學(xué)公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，提出以氧氣體積分?jǐn)?shù)劃分“三帶”并應(yīng)用于現(xiàn)場試驗中驗證劃分標(biāo)準(zhǔn)的正確性。

以上研究均從單一災(zāi)害角度進(jìn)行的分析，不能充分將兩者耦合起來一起研究，因此有必要將防治瓦斯與自燃災(zāi)害結(jié)合在一起探索合理抽采負(fù)壓。本文先通過現(xiàn)場試驗，基于Matlab軟件，對比分析不同負(fù)壓下采空區(qū)自燃“三帶”變化情況；結(jié)合負(fù)壓對瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀嬎愕贸隽撕侠淼某椴韶?fù)壓范圍。研究結(jié)果為采空區(qū)確定合理抽采參數(shù)、防止自燃提供了參考依據(jù)。

1 工作面概況

開灤集團(tuán)呂家坨礦5877Y工作面開采埋藏深度為-800 m的煤層，該區(qū)域所在7#煤層屬I類自燃煤層。5877Y工作面采用走向長壁后退式開采方法，傾斜度較大，為防止冒頂，配合采用全部垮落法處理頂板。5877Y工作面走向長度200 m、傾向長度100 m，工作面開采厚度為2.75～4.2 m，平均厚度為3.72 m。經(jīng)測量，工作面瓦斯相對涌出量為1.23 m3/t，二氧化碳相對涌出量為1.85 m3/t。

2 現(xiàn)場試驗研究

為更好地了解采空區(qū)內(nèi)氣體的變化情況，根據(jù)5877Y工作面現(xiàn)場實際情況進(jìn)行束管監(jiān)測試驗。在5877Y工作面上隅角、下隅角分別布置1#與2#、3#與4#監(jiān)測點，1#與2#、3#與4#監(jiān)測點相距均為25 m，測點布置如圖1所示。束管必須懸掛敷設(shè)，且束管末端要加裝長度為70～100 m，直徑為20 mm的鋼制套管，以防束管被砸斷。

圖1 監(jiān)測點布置

3 進(jìn)行瓦斯抽放前自燃“三帶”劃分

基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，繪制出4個監(jiān)測點工作面推進(jìn)距離與氧濃度的變化規(guī)律圖，見圖2。

(1)由圖2(a)可知，氧氣濃度隨著工作面的推進(jìn)先呈降低的趨勢然后在小幅度增加之后再不斷減少。因風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)的位置進(jìn)入，采空區(qū)遺煤損耗氧氣。但頂板作為良好的漏風(fēng)通道，可有效補(bǔ)償氧氣，因此氧濃度隨著工作面推進(jìn)距離的增大出現(xiàn)波動。

(2)由圖2(b)和圖2(c)可知，2#和3#監(jiān)測點氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離的長度基本呈負(fù)相關(guān)變化。與1#監(jiān)測點和4#監(jiān)測點相比，2#監(jiān)測點與3#監(jiān)測點處于工作面中部距巷道稍遠(yuǎn)處。工作面推進(jìn)后，采空區(qū)的壓實狀態(tài)很好，導(dǎo)致漏風(fēng)通道減少，漏風(fēng)量也在減小，采空區(qū)遺煤的氧化性變差，導(dǎo)致氧氣濃度呈線性迅速降低。

(3)由圖2(d)可知，4#監(jiān)測點的氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離的長度大致呈負(fù)相關(guān)變化趨勢。到達(dá)散熱帶和窒息帶推進(jìn)距離時，氧氣濃度變化比較平緩，但到自燃帶推進(jìn)距離時，氧氣濃度變化很急劇，呈指數(shù)函數(shù)減少，說明在回風(fēng)巷附近，“三帶”變化很明顯。

根據(jù)“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)，繪制出“三帶”的基本分布圖，見圖3。由圖3可知，自燃帶寬度最大的位置處于采空區(qū)中部靠近進(jìn)風(fēng)巷的一側(cè)，最大處為14 m。自燃帶寬度從最寬處向兩側(cè)不斷降低，且向進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)下降速率較大。

4 合理抽采負(fù)壓的確定

4.1 抽采負(fù)壓對 “三帶”的影響

根據(jù)現(xiàn)場測量得到的數(shù)據(jù)，采用Matlab軟件建立不同抽采負(fù)壓下氧氣濃度的立體分布圖、等值線圖，見圖4。

由圖4(a)可以看出，在未抽采之前，隨著采空區(qū)遺煤耗氧，氧氣濃度沿著采空區(qū)由淺入深逐漸減少，當(dāng)推進(jìn)到40 m位置時已經(jīng)降低到了較低的水平。新鮮風(fēng)流注入后，其中的氧氣經(jīng)過遺煤損耗，造成回風(fēng)側(cè)含氧量下降。由圖4(b)可以看出，窒息帶的寬度最大，明顯大于散熱帶和自燃帶。

通過施加不同的負(fù)壓，分別獲得不同的“三帶”分布，如圖4(c)～(h)所示。由于漏風(fēng)正風(fēng)壓與抽放負(fù)壓形成對流，根據(jù)氧濃度來劃分自燃“三帶”，由進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)“三帶”分布較抽放前更為均勻。與抽放前相比，氧濃度場的分布發(fā)生明顯變化，散熱帶和自燃帶范圍變寬，窒息帶變窄，且隨抽放負(fù)壓增大這種變化越明顯。抽采負(fù)壓為10 kPa時，進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約15～35 m，回風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約10～30 m；抽采負(fù)壓為20 kPa時，進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約20～40 m，回風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約15～30 m；抽采負(fù)壓為30 kPa時，進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約23～58 m，回風(fēng)側(cè)自燃帶范圍距工作面煤壁大約23～42 m。由此可見，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧濃度值很高，進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶寬度大于回風(fēng)側(cè)。

圖3 “三帶”分布圖

由于自燃帶的范圍對采空區(qū)遺煤自燃的防治工作最為關(guān)鍵，為了更直觀分析不同抽采負(fù)壓對自燃帶范圍的影響，用以上數(shù)據(jù)繪制曲線圖，見圖5。由圖5可知，隨著負(fù)壓增大，從采空區(qū)中部開始到進(jìn)風(fēng)側(cè)一段，自燃帶寬度逐漸增大；回風(fēng)側(cè)自燃帶寬度則大致呈現(xiàn)先升高后降低的走向。

4個監(jiān)測點的自燃帶寬度y與抽采負(fù)壓x關(guān)系的擬合方程如下：

4個方程的擬合系數(shù)R2均大于0.7，因此擬合方程可信。

圖4 不同抽采條件下氧氣濃度立體分布圖和等值線圖

圖5 自燃帶與負(fù)壓變化關(guān)系圖

4.2 抽采負(fù)壓對瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/h3>

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，運(yùn)用origin軟件繪畫出抽采負(fù)壓和回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系折線圖，見圖6。由圖6可知，隨著抽采負(fù)壓的增大，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛戎饾u減小，當(dāng)減小到某一程度后趨于穩(wěn)定。

圖6 抽采負(fù)壓對回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔绊?/p>

將回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛菴與抽采負(fù)壓p關(guān)系的擬合曲線方程如式(2)所示。其中，R2=0.989>0.7,則該擬合方程可信。

C=0.98e-0.0002p

(2)

4.3 合理的抽采負(fù)壓

因抽采負(fù)壓對瓦斯?jié)舛燃安煽諈^(qū)自燃帶寬度都會造成影響，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，需找到同時滿足兩者的合理負(fù)壓范圍。

(1)根據(jù)我國實行的《煤礦安全規(guī)程》中的明確要求，瓦斯?jié)舛仍诨仫L(fēng)巷一側(cè)不得超過1.0%。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，瓦斯?jié)舛炔荒艹^安全許可極限值。因此賦予一個系數(shù)，取β=1.5，根據(jù)式(3)代入數(shù)據(jù)，回風(fēng)巷一側(cè)瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾禐?.67%。

(3)

根據(jù)式(2)可計算出在安全標(biāo)準(zhǔn)下，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确弦陨蠗l件的最低負(fù)壓為24 kPa?？梢?，為了保證整個工作面的安全生產(chǎn)的進(jìn)行，負(fù)壓值至少為24 kPa。

(2)根據(jù)自燃發(fā)火理論，如果遺煤在自燃帶存留時間較最短自燃發(fā)火期長，采空區(qū)往往會發(fā)生自燃現(xiàn)象。自燃帶最大寬度計算公式為：

Lmax=v·t

(4)

式中：v——推進(jìn)速度，m/d；

t——最短自燃發(fā)火期，d。

根據(jù)礦山生產(chǎn)實際情況，此處取v=1.2 m/d，t=60 d，代入式(4)可以計算出最大寬度為72 m。

考慮到設(shè)備檢查、人員工休和突發(fā)情況等因素，賦予推進(jìn)速度一個系數(shù)θ=1.2，可知根據(jù)式(5)計算出自燃帶的最大寬度為60 m。

(5)

當(dāng)進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶寬度為60 m時，代入式(1)可計算出抽采負(fù)壓p=34 kPa。因此，得出遺煤自燃的負(fù)壓p<34 kPa。

(3)綜上分析可知，開灤集團(tuán)呂家坨礦5877Y工作面合理的抽采負(fù)壓范圍為24～34 kPa。

5 結(jié)論

(1)基于現(xiàn)場實際觀測的數(shù)據(jù)，以氧氣濃度為指標(biāo)劃分“三帶”的范圍，同時根據(jù)各測點數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法，揭示其分布規(guī)律和變化趨勢。

(2)運(yùn)用Matlab軟件，分別生成各抽采負(fù)壓下對應(yīng)氧濃度分布模型。根據(jù)圖像，比較抽采前后以及隨著負(fù)壓增大采空區(qū)自燃“三帶”變化情況，即自燃帶和散熱帶越來越寬，窒息帶越來越窄。其中，自燃帶寬度在靠近回風(fēng)巷一側(cè)位置，呈現(xiàn)隨著負(fù)壓的增大先增大后減小趨勢，在中部和靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)位置，呈現(xiàn)隨著負(fù)壓的增大而增大的趨勢。

(3)結(jié)合采空區(qū)自燃帶寬度和瓦斯?jié)舛扰c抽采負(fù)壓的關(guān)系，得到最合理抽采負(fù)壓范圍為24～34 kPa。