瓦斯抽放条件下采空区漏风供氧规律与煤自燃防治技术

朱海鱼 武振国 宋宜猛 杨志华

(1.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750011；2.宁夏煤炭科学研究所有限公司，宁夏回族自治区银川市，750011；3.国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京市朝阳区，100029)

综放工作面回采期间，煤体释放出的瓦斯大量聚积在采空区内，由于采空区空间较小，工作面风流可以直接扩散进入采空区深部，其内部大量高浓度的瓦斯随扩散风流涌向工作面上隅角，造成上隅角和回风巷风流瓦斯浓度超限，影响工作面安全生产。因此，在工作面初采初放期间，必须采取有效措施解决瓦斯浓度超限问题。目前国内主要采用抽放钻孔治理采空区瓦斯，即在回采工作面切眼附近的巷道内向工作面采空区内施工抽放钻孔，抽放采空区内高浓度瓦斯。但是，瓦斯抽放不仅加剧采空区漏风，造成采空区风流紊乱，缩短采空区遗煤自然发火期，增加煤自燃危险性，同时由于采空区瓦斯不断涌出，面临火与瓦斯共存的生产环境。基于此，本文以白芨沟矿2421综放工作面为研究对象，利用数值模拟研究瓦斯抽放对采空区氧气浓度场和漏风场的影响，并结合现场实践制定出高瓦斯矿抽放条件下采空区煤自燃防治技术。

1 瓦斯抽放对煤自燃影响分析

瓦斯抽放流量的大小对采空区内的漏风状况容易产生影响，会造成采空区内的漏风量增大以及漏风通道增多，使采空区内的自燃范围不容易被判断。同时，瓦斯抽放口的位置因采取不同的抽放(或导流排放)方法，会对采空区内的气体分布有很大的影响，容易造成采空区风流发生混乱，对煤自燃有很大影响。

1.1 数学模拟模型及物理模型

本文模拟不同抽放位置与抽放量对采空区漏风强度的影响。抽放管路从进风侧布置，采空区倾向长度取80m，走向长度取100m，考虑流场的非均匀性，网格划分采用非均匀网格，对漏风口附近和回风口附近进行局部加密。由多孔介质引起的动量方程源项的变化由FLUENT内嵌的程序进行自动计算，氧浓度和采空区渗透系数的源项采用用户自定义函数进行导入、编译。控制方程的求解均采用基于交错网格的控制容积法进行离散计算，离散过程中的对流项与扩散项分别采用2阶中心差分格式。每个离散方程采用逐线迭代的方式求解，每条迭代线采用3对角矩阵算法和松弛因子相结合的方法进行计算。

1.2 抽放口对采空区氧浓度和漏风强度动态分布影响

当抽放管道由进风侧进入采空区10m、20m、30m、40m时，抽放流量采用120m3／min，采空区两段压差为80Pa，利用FLUENT模拟软件进行求解，可以得到2421(二)综放采空区氧浓度分布图和漏风强度分布图，见图1和图2。

图1 抽放管道进入采空区不同位置时，采空区氧浓度分布图 (氧气浓度分布图为氧气质量浓度分布图，单位无因次)

(1)由图1可知，管道进入采空区10m、20m、30m时，距离工作面约40m回风侧采空区氧浓度分别约为10%～14%、12%～14%、13%～15%；管道进入采空区40m时，管道抽放口处氧浓度约14%～16%；中部支架后距离工作面30～40m的采空区，氧气浓度有明显逐渐增大趋势，而进风侧氧浓度变化较小。

(2)由图2可以看出，4个抽放位置对漏风强度影响分布接近，但受瓦斯管道抽放的影响，漏风中部支架后采空区30～40m漏风流速度随着抽放口深度增加有变大趋势。

随抽放管道进入采空区深度的增加，进风侧氧浓度分布变化较小，而中部支架后和回风侧采空区氧浓度分布变化较大，回风侧距离工作面50～60m氧浓度有逐渐增大趋势；采空区30～40m的漏风强度随着抽放口深度增加有变大趋势。

1.3 瓦斯抽放量对漏风风量的影响分析

假设瓦斯抽放量为0～250m3／min，考虑距离工作面18m、70m抽放位置，在简化条件和理想情况下得到的数值模拟结果，如图3所示。

从图3可以看出，当抽放量小于50m3／min，漏风量为140～150m3／min，漏风量变化不大。抽采对漏风的影响与抽放的位置有关，在深部抽放时(Lx＝70m)，工作面漏风随抽放流量的增大而逐渐增大。当抽放口与工作面的位置较近时 (Lx＝18m)，抽放流量在小于某一临界值时，工作面漏风随抽放流量的增大反而逐渐降低，而当抽放流量超过一定值后转而增加，这是由于抽放口距离工作面很近，抽放负压影响区位于冒落松散带内，抽放流量小于临界值时，抽放对采空区深部流态的影响会减小。

2 高瓦斯矿抽放条件下采空区煤自燃防治技术

2.1 2421工作面概况

白芨沟矿历年来瓦斯等级鉴定结果均为高瓦斯矿井，近年来矿井瓦斯涌出量呈逐年增加的趋势。2421(一)、2421 (二)、2421 (三)、2421 (四)工作面位于白芨沟矿南二采区四阶段和南四采区六阶段，平均煤厚10m。这些工作面走向长约1500m，倾斜宽150m，煤层倾角0°～18°。开采工艺为综合机械化放顶煤开采，采高3m，放顶煤高度7m。目前正在开采2421(二)工作面，其他工作面已经顺利完成了回采。

2421(二)工作面上覆2421(一)采空区，2421(一)工作面后部采空区之前曾发生瓦斯爆炸事故，引起采空区长时间大面积着火。2421(二)工作面开采过程中，上部采空区仍存在着尚未熄灭的火点和高温区域，采空区内浮煤和岩体在不停地释放瓦斯，该工作面开采过程中面临火与瓦斯共存的生产环境。该矿现有永久抽放泵站3座，移动抽放泵站2座，已形成额定抽采能力1051m3／min，抽采管路总长14286m的瓦斯抽放系统。该工作面进风侧设有瓦斯抽放管路系统，抽放位置位于采空区深部30～40m，抽放量为120～150m3／min，工作面采用单一拖放式埋管瓦斯抽放，抽放流量相对高位钻孔抽放量较小，该抽放方式容易导致采空区漏风范围扩大，致使自燃高温区范围扩大，尤其在大流量抽放或导流瓦斯情况下，自燃危险程度会更高，表现为使原来的进风侧危险火区自燃加剧和在抽放口附近容易引起局部次生火区。在抽放口附近形成比工作面回风出口压力更低的低风压区，加大了工作面边界上工作面与采空区内外压力差，使工作面向采空区的漏风量增大。此时，工作面边界上漏入、漏回风的平衡点位置发生上移。针对这些问题，白芨沟矿采取以下综合技术措施，防治煤自燃。

2.2 专用排瓦斯巷排放采空区瓦斯

2421(二)工作面是白芨沟矿首例在直接顶下放顶煤开采的工作面，在首分层开采后，原有的穿层抽放钻孔几乎全部报废，造成二分层瓦斯预抽时间缩短。工作面高强度的放采，放煤口及采空区将涌出大量瓦斯，单靠一进一回的通风方式，工作面及回风流的瓦斯将超限。为此，在工作面回风巷道内侧沿煤层顶板开掘了一条专用瓦斯引放巷，贯穿于工作面走向；在工作面内布置了2条工艺巷，采用联络巷将工艺巷和引放巷与回风联络巷沟通，形成了3进2回的通风系统，引放巷作为专用排放瓦斯使用，巷道回风流中瓦斯浓度可达到2.5%。由于受采动动压作用，引放巷支架容易变形，断面变小，影响瓦斯排放。为了确保通风断面，提高引放效果，矿组织专门队伍定期对巷道进行维护，加强工作面上口段放煤管理，保证引放巷与采空区完全沟通，真正实现引放巷的作用。在2421(二)工作面开采期间，引放瓦斯浓度平均达到了1.5%以上，降低了工作面风排瓦斯压力。

2.3 局部通风机处理上隅角瓦斯

2421(二)工作面开采时，引放巷主要解决了采空区涌出的瓦斯，但引放巷距离回风巷道约10m距离，由于工作面上隅角不放顶煤，引放巷对上隅角瓦斯治理作用甚小。上隅角瓦斯时常超限，但超限范围较小，所以在工作面上部支架顶梁下安设了2台5.5kW的局部通风机，连接风筒向上隅角供风，通风机实现了三专两闭锁功能，并由通风部门专人看管，解决了上隅角局部瓦斯超限的问题。

2.4 采用均压通风技术抑制采空区有害气体涌出

白芨沟矿煤层赋存浅，地表无黄土覆盖层，工作面开采后，采空区就形成沟通地表的裂缝，工作面配风困难，在2321(四)综放工作面开采时，应用了主、辅通风机联合运转，抽、压结合的通风方式解决漏风问题，技术比较成熟。2421(二)工作面开采时，同样存在着采空区漏风问题，且漏风将采空区大量瓦斯带入工作面。所以在工作面回风侧设置调量风门，与井底的辅助通风机配合采用了均压通风技术，使工作面处于微负压状态，回风量较进风量略大，这样既有效抑制了漏风，也控制了采空区瓦斯大量涌出，减轻了工作面风排瓦斯压力。

2.5 防灭火技术措施

工作面均压通风解决了漏风问题，阻止了采空区有害气体的涌出，也阻止了采空区供氧，抑制了浮煤的氧化自燃，但也造成采空区内积聚高浓度瓦斯，且发火隐患在井下不易被发现。由于2421(一)采空区瓦斯爆炸引起采空区着火面积大，灌浆死角仍存在隐蔽的火点和高温异常区域，受采掘动压影响，漏风通道小，有可能完全消除，只要形成供氧条件，就有复燃的可能。经过多方面分析，控制瓦斯涌出是不现实的，只有从防灭火角度出发，才能避免火与瓦斯同时出现，保证工作面安全生产。

(1)超前探测。在工作面前方已经施工的回风巷道、运输巷道、工艺巷、瓦斯引放巷内向采空区施工探火钻孔，安排专人采集气样，用色谱化验分析气体成分，判定前方采空区状态，如出现CO等标志性气体时，及时在地面对应位置施工灭火钻孔，灌注灭火材料，提前处理。

(2)常规监测。由于工作面上覆采空区存在高温发火异常，加强了工作面常规检测手段的应用。以瓦检员定点检查为主，包括上分层采空区密闭、工作面回风巷、上隅角、支架后尾梁、工艺巷、瓦斯引放巷等地点气体浓度、空气温度及淋水点温度，根据检查情况判断工作面开采范围内采空区发火状况，提供采取处理措施的依据。另外以束管检测为辅，根据工作面推进，分别在采空区密闭内、上隅角采空区、下隅角采空区等重点防火部位埋设探头，每班抽取气样化验分析气体变化情况，判断发火征兆。

(3)高强度注氮。从地面、井下向工作面后部采空区、前方采空区连续注氮。地面利用灌浆钻孔交替向采空区注氮，连续注氮3～5d后，灌注各种灭火材料，再人工采集气样分析气体变化情况，气体浓度稳定后更换其它钻孔。井下可以从下隅角向后部采空区注氮以及从工艺巷、运输巷道探火钻孔向前方采空区注氮，保证工作面开采前方100m范围内采空区氧浓度低于7%。高强度的注氮可以惰化采空区，降低氧浓度，起到防火作用，亦可抑制瓦斯爆炸。

(4)地面灌浆、注胶、注三相泡沫覆盖隐患区域。高热区主要存在于地面钻孔灌浆死角和无钻孔的空白区域，受采掘活动影响，高热区域得到漏风供氧后，发展蔓延快，并随漏风区域的增大，向工作面推进前方延伸。采取从工作面附近逐渐向前方实施灭火措施，井下边掘边探，地面有针对性的增加灌浆钻孔，填补空白区域，缩小灌浆死角。选择价格便宜，制备方便的黄土为灌浆材料灌注，同时配入适量复合胶体添加剂，增加泥浆稠度，堆积采空区裂隙，抬高灌浆水位，对降温灭火起到一定效果。在出现有明显发火迹象时，及时灌注胶体材料、三相泡沫覆盖火点，起到明显灭火作用。

3 结论

(1)通过数值模拟发现，瓦斯抽放量和抽放位置对采空区漏风场影响较大。一般情况下随着抽放管道进入采空区深度的增加，采空区漏风强度也增加。

(2)现场高瓦斯矿抽放条件下煤自燃防治表明，采用专用排瓦斯巷排放采空区瓦斯，可以降低瓦斯压力；局部通风机技术可以解决上隅角瓦斯超限问题；均压技术控制了采空区瓦斯大量涌出，减轻了工作面风排瓦斯压力；通过现场监测、高强度注氮及地面灌浆、注胶、注三相泡沫覆盖隐患区域等防治煤自燃综合措施的实施，避免火与瓦斯同时出现。

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