高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟*

王银辉，艾　兴，赵　涛，张永明

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122)

数字出版日期： 2017-04-21

0　引言

沿空留巷技术实现了工作面之间不留煤柱，提高了回采率，同时减少了巷道掘进量，缓解了采掘接续压力[1]。此外，对于瓦斯较高的矿井，可以解决上隅角瓦斯集聚问题[2]。由于该技术显著的经济及安全效益，在全国范围内得到推广。但是沿空留巷技术不可避免的增加了采空区的漏风[3]，尤其是在高瓦斯煤层的开采，瓦斯抽采地点多、流量大，使采空区的漏风情况更加复杂，给防灭火工作带来压力[4]。

针对沿空留巷的防灭火问题，国内学者做了许多研究。邓军提出了通过实测巷道沿空侧松散煤体钻孔氧气浓度推算漏风强度的方法[5]，并模拟了沿空留巷巷道煤自燃过程[6]。刘伟等，通过数值方法对比了 “U”型与“Y”型通风，发现“Y”型通风采空区的漏风量更大，较高浓度氧气的分布范围更广[7]。余明高采用SF6测漏风技术分析了沿空留巷采空区漏风机理，并结合实例对沿空留巷采空区危险区域进行划分[8]。文虎等，通过数值模拟表明沿空留巷墙体的渗透率对氧化带影响显著[9]。

本文通过数值模拟的方法，对采用沿空留巷技术的首采工作面的漏风及自燃危险区域进行数值模拟，指导矿井对自燃危险区域进行针对性的防治，采用单因素分析法，模拟分析不同瓦斯抽采方式对采空区自燃危险区域的影响，协调瓦斯抽采与防灭火工作。

1　工作面基本情况

本文以宁夏高瓦斯突出矿井乌兰煤矿020803综采工作面作为模拟实例，工作面设计走向长度790 m，倾斜长205 m，所采煤层为8#煤层，平均厚度3.33 m。工作面上部为已采7#煤层采空区，平均厚1.9 m。通过计算，两层煤复合冒落带高度为21 m。7#、8#煤层最短发火期分别为57 d和55 d，煤层最大残余瓦斯含量分别为5.25 m3/t、5.18 m3/t。020803工作面为该矿首次采用沿空留巷技术的工作面，在运输顺槽进行沿空留巷，用作下一区段工作面回风巷。由于矿井瓦斯含量高，采取了上隅角、高位钻孔及地面钻孔共同抽采的措施，同时为防止采空区自燃发火采取了沿空留巷注氮措施。采空区抽采及注氮措施位置见图1。

图1　采空区瓦斯抽采、注氮示意Fig.1　Schematic diagram of gas extraction and nitrogen injection in goaf

2　边界条件设置

2.1　孔隙率及渗透率

根据采动裂隙带的基本特征及“O”形圈理论，从工作面切顶线处开始向采空区后方，冒落岩石逐渐被顶板压实，空隙率逐渐减小，计算方法如式(1)[10-11]：

(1)

式中：n为孔隙率；x、y为采空区中部某点x、y轴坐标值，m；L为回采工作面的长度，m。

在采空区深部200 m之后的区域，认为进入压实稳定区，其孔隙率不变，数值与200 m位置相同。采空区渗透率根据Kozeny-Carman公式计算[12]。

2.2　耗氧速率

耗氧速率按式(2)计算[13]：

(2)

式中:w(O2)为遗煤耗氧速率，kg/(m3·s)；t0为煤在加热氧化实验中不出现CO的临界温度，℃；γ0为常温标准空气中采空区自然环境的耗氧速度，kg/(m3·s)；根据乌兰矿煤层自然发火标志性气体测定实验数据，7#煤层γ0取值为1.16×10-6kg/(s·m3)，8#煤层γ0取值为1.67×10-6kg/(s·m3)。

2.3　采空区瓦斯解析释放强度

瓦斯涌出强度随时间呈负指数衰减变化。根据式(3)进行计算[13]：

(3)

式中：W(τ)为瓦斯解析释放强度，kg/(m3·d)；qT为煤层瓦斯含量，kg/m3；λ为衰减率，1/d；τ为采落后煤的衰减时间，d。λ取值为0.035。

2.4　其他边界条件

模型参考压力值设定为101 325 Pa，回风顺槽出口压力为-200 Pa。工作面风量1 142 m3/min，沿空留巷风量为331 m3/min，通风参数与实际情况相同。

3　数值模拟分析

3.1　数值模拟结果验证

用数值模拟的方法分析采空区流场，数值模型的正确性及适用性是准确分析的基础。笔者采用采空区束管数据、瓦斯抽采浓度数据对比的方法，进行数值模型正确性及适用性的验证。

3.1.1采空区束管监测数据对比

采空区回风隅角每间隔50 m向采空区敷设一路束管，根据监测数据可得到采空区回风侧的氧浓度分布。通过对比数值模拟结果相同位置的氧气浓度数据，验证数学模型的正确性，对比结果见图2，可认为模拟结果与实际束管监测结果基本一致。

图2　束管监测数据与数值模拟结果对比Fig.2　Comparison between beam tube monitoring data and simulation results

3.1.2瓦斯抽采浓度对比

数值模型不同位置瓦斯抽采量根据采空区实际抽采量进行设定，通过对比实际瓦斯抽采浓度验证数值模型正确性，对比结果见表1。

数值模拟得到的各处瓦斯抽采浓度均在实际瓦斯抽采浓度范围内。通过以上2种方法的验证，可认为模拟结果与实际情况相符。

3.2　采空区漏风流场分布

采空区漏风是遗煤自燃发火的主要原因，也是影响采空区气体组分分布的主要因素。为了更直观的观测漏风流场，在工作面及沿空留巷与采空区交界面模拟释放无质量的微粒，通过观测微粒的运移路线，考察采空区漏风流场。采空区漏风迹线如图3。

图3　采空区漏风迹线Fig.3　The air leakage trace of goaf

通过观察漏风的路径可以看出，乌兰矿工作面及沿空留巷区段均会向采空区内部漏风。工作面的漏风主要进入高位钻孔、上隅角埋管及1#、2#地面钻孔；沿空留巷的漏风主要进入地面2#、3#、4#钻孔。在上隅角附近由于上隅角埋管及高位钻孔的共同抽采，在上隅角附近漏风较大。漏风路线表明，瓦斯抽采是工作面的漏风主要原因，由于矿井瓦斯涌出量大，多地点、大流量的瓦斯抽采造成工作面及沿空留巷全段均向采空区漏风，势必增加采空区供氧量。

3.3　采空区氧化带分布规律

3.3.1水平方向分布规律

根据“三带”划分的标准，以氧浓度范围在8%～18%为氧化带范围。图4为遗煤较为集中的采空区底部氧气浓度分布模拟结果。

根据图4的模拟结果，氧化带主要分为2个部分，一部分靠近工作面(图中区域1)，氧化带最近近距离工作面22 m，最远距工作面84 m，氧化带宽度为62 m，氧化带面积8 300 m2；另一部分靠近沿空留巷(图中区域2)，氧化带最近距离沿空留巷7 m，最远距沿空留巷50 m，氧化带宽度为43 m，氧化带面积5 606 m2。

图4　采空区底部氧气浓度分布Fig.4　Distribution of oxygen concentration in the bottom of goaf

总体趋势上，由于工作面及沿空留巷存在漏风，靠近工作面及沿空留巷氧气浓度较高，远离工作面及沿空留巷氧气浓度较低。在区域1中，由于2#地面钻孔的抽采，使氧化带向采空区深部移动，扩大氧化带范围。

由于在沿空留巷距离工作面50 m ～150 m范围内注入氮气，提高了沿空留巷附近采空区的气体压力，减少了漏风量，使得注氮口附近氧气浓度较低。在未进行插管注氮的区域2内，由于存在漏风量，沿空留巷附近采空区内氧浓度升高，形成氧化带。该区域与工作面推进方向垂直，遗煤并不会随着工作面的推进而进入窒息带，由于沿空留巷的通风，在靠近沿空留巷的遗煤存在长期的供氧条件，自然发火危险性高。

图5　采空区竖直方向氧气浓度分布Fig.5　Distribution of oxygen concentration in vertical profile of goaf

3.3.2竖直方向分布规律

图5为采空区竖直方向剖面图，在竖直方向上，采空区上部的氧气浓度较高，从图中可以看出漏入采空区的空气被处于采空区上部的地面钻孔抽出，使得采空区上部氧气浓度较高。

图6为上覆7层煤采空区氧气浓度分布图，对比图4可知，上覆煤层采空区氧化带范围比本煤层遗煤氧化带范围更大，遗煤处于氧化带内的时间更长，氧化带面积21 768 m2。因此在采用地面钻孔抽采瓦斯时，上覆煤层遗煤区域也是防止自然发火的重点区域。

图6　上覆7#煤层氧气浓度分布Fig.6　Distribution of oxygen concentration of 7# coal seam

4　瓦斯抽采对氧化带分布影响

通过采空区的漏风流场和氧浓度分布场的分析，可看出瓦斯抽采对采空区自燃危险区域分布有明显影响，为了分析比较各种瓦斯抽采方式对采空区自燃危险区域的影响方式及程度，对各种抽采措施进行单因素模拟。

图7　无抽采、注氮条件下采空区氧浓度分布Fig7　Distribution of oxygen concentration in goaf under the condition of no gas extraction and nitrogen injection

图7为采空区未采取瓦斯抽采及注氮措施情况下的氧浓度分布场，采空区在无抽采无注氮条件下，漏风集中在采空区的浅部区域，氧化带范围较小，最深处距离工作面56 m，距离沿空留巷42 m，氧化带范围为5 588 m2。对比图4，说明工作面所采取的措施在解决瓦斯问题的同时，也明显增加了氧化带范围。

图8为只进行高位钻孔抽采时的采空区氧浓度分布，影响主要集中在高位钻孔附近，钻孔抽采对采空区其他位置没有产生明显影响。这是由于高位钻孔是在采空区浅部，利用采空区冒落形成的裂隙拦截流向上隅角的瓦斯[14]，由于高位钻孔至工作面之间孔隙率较大，漏风路径通畅，造成漏风集中在高位钻孔与工作面之间，并在工作面与高位钻孔之间形成散热带。较未采取任何措施的情况，氧化带面积略有增加，为6 199 m2。

图8　高位钻孔抽采情况下采空区氧浓度分布Fig.8　Distribution of oxygen concentration in goaf under the condition of high level boreholes gas extraction

图9为只有上隅角抽采时采空区氧浓度分布，上隅角瓦斯抽采会明显增加靠近工作面的氧化带范围，同时导致了沿空留巷一侧的氧化带范围扩大。回风侧深度为48 m，沿空留巷侧深度为70 m，氧化带面为13 178 m2。

图9　上隅角埋管抽采情况下采空区氧浓度分布Fig.9　Distribution of oxygen in goaf under the condition of using buried pipes gas extracting at upper corner

图10为只有地面钻孔抽采情况下采空区氧浓度分布。对比图7，采取地面钻孔抽采会导致采空区氧化带范围明显增大。遗煤较为集中的回风侧氧化带深度增加至146 m，平行于工作面的氧化带深度71 m ，平行于沿空留巷的氧化带深度62 m，氧化带范围16 839 m2。地面钻孔抽采是造成自燃危险区域扩大的主要原因，也是控制自燃危险区域的关键技术。同时根据该工作面瓦斯抽采的实际情况，地面钻孔瓦斯抽采纯量占工作面总瓦斯涌出的70%左右，是解决瓦斯问题的主要手段。

图10　地面钻孔抽采情况下采空区氧浓度分布Fig.10　Distribution of oxygen in goaf under the condition of using surface goaf hole gas extraction

根据实际生产条件下的模拟结果，不同位置的地面钻孔，抽采效果不同[15]。地面钻孔1#，2#，3#，4#的抽放浓度分别为13.62%，63.01%，18.40 %，9.18 %。其中1#，2#，4#钻孔瓦斯抽采浓度均较低，主要是由于1#，2#，4#钻孔距离通风巷道近，漏风通道距离短、巷道附近的采空区冒落不密实，风流容易被钻孔抽入采空区。所以在利用地面钻孔进行抽采时，应适当降低靠近通风巷道且瓦斯抽采浓度较低钻孔的流量，以此提高抽放效率，同时减少采空区漏风。

通过对比分析乌兰矿所采用的3种瓦斯抽采措施，3种瓦斯抽采措施均会导致氧化带范围扩大，但扩大的程度不同，高位钻孔抽采最弱，上隅角瓦斯抽采次之，地面钻孔最强。在设计瓦斯抽采时，从防灭火角度，应首先考虑选用高位钻孔抽采并增大其抽采能力。其次选用上隅角埋管抽放措施。在进行地面钻孔抽采时，不应靠近通风巷道布置，同时应根据瓦斯抽采浓度调节抽采流量。

5　结论

1)建立的数值模型与实际情况相符合，能够反映采空区的真实情况。

2)由于多地点、大流量的瓦斯抽采，造成工作面及沿空留巷全段均向采空区漏风，增加了采空区自燃危险区域范围。

3)靠近工作面及沿空留巷氧气浓度较高，靠近沿空留巷的遗煤存在长期供氧条件，自然发火危险性更高。同时由于地面钻孔的抽采上覆煤层采空区供氧条件更好，上覆采空区遗煤也是自然发火防治的重点区域。

4)乌兰矿所采用的瓦斯抽采措施均会造成氧化带范围扩大，但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同，高位钻孔抽采最弱，上隅角瓦斯抽采次之，地面钻孔抽采最强。在进行瓦斯抽采时，应首先考虑选用高位钻孔抽采并增大其抽采能力。地面钻孔抽采时，不应将钻孔布置在靠近通风巷道的区域，同时应降低瓦斯抽采浓度较低钻孔的抽采流量。

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