大采高工作面采空区瓦斯抽采对自燃“三带”影响

毕建乙 张 辉 王宗贵

（1.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

防治瓦斯与火共生灾害时，瓦斯抽采会因抽采强度过大，采空区抽采负压升高，增大工作面尾部专用排瓦斯巷内外压差，从而向采空区大量漏风，导致发生采空区煤炭自燃[1]。

近年来科研工作者对此难题开展了大量研究，秦波涛等[2]针对付村矿3下煤层综放面采空区抽放瓦斯过程容易导致遗煤自燃的难题，开展“抽-注”一体化的综合治理技术很好地解决了采空区瓦斯与煤自燃的难题；何福胜等[3]在斜沟煤矿开展上隅角浅部埋管抽采与筛管注氮耦合治理技术以防治瓦斯与火共生灾害，保障安全生产。本文借助斜沟煤矿18205大采高工作面，采用COMSOL数值模拟采空区自燃“三带”与瓦斯抽采量和抽采口位置之间的关系，得到瓦斯抽采量与自燃“三带”之间的关系及瓦斯抽采口的合理区域，以有效指导煤层自然发火和瓦斯治理[4-5]。

1 工作面概况

斜沟煤矿18205工作面位于12采区辅助运输下山南侧，东部、南部、西部均为实煤区，可采走向长度为2800m，倾斜长为264m，煤层倾角平均9.4°，平均厚度4.70m，采用长壁后退式一次采全高采煤方法。

18205工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为14.27m3/min，供风量为2200m3/min，回风流瓦斯浓度最高达到0.65%，只依靠通风不能解决瓦斯难题，加上8#煤为自燃煤层，遗煤容易发生自燃导致瓦斯爆炸，因此需要实施瓦斯抽采。依据18205工作面的具体情况，提出采空区上隅角埋管来抽采瓦斯，18205巷道布置如图1所示。

图1 18205工作面巷道布置

2 采空区瓦斯抽采对自燃“三带”的影响

2.1 现场监测自燃“三带”

通过在18205回风巷不等距地布置温度和气体监测点（测点布置如图2所示），来实时监测监控18205工作面采空区有毒有害气体的变化情况。

图2 束管及温度传感器安设布置

针对现场实际回采过程中采空区瓦斯抽采量不能任意变化，因此本次试验的研究条件是给18205工作面供风2200m3/min，采空区瓦斯抽采量是80m3/h，抽采管路末端与切顶线距离为20m的情况监测采空区O2浓度，利用实测数据得到O2浓度变化曲线并进行分析，得到采空区自燃“三带”分布规律，采空区O2浓度变化见表1。

表1 实测和模拟结果的比较

2.2 参数设置

采用COMSOL数值模拟采空区流场分布以更加有效地预测预报采空区遗煤自燃，数值模拟的计算范围为沿18205工作面倾向264m，走向长度160m，煤厚4.7m。入口（进风巷）参数：面积23.56m2（高3.8m，宽6.2m，锚杆、锚索、金属网、钢带联合支护），出口（回风巷）参数：面积为21.88m2（高度为3.8m，宽度为5.6m，采用锚杆、锚索、金属网和钢带联合支护）。

由多孔介质Carman公式，得渗透率：

式中：

K-采空区渗透率，m2；

Dm-多孔介质骨架的平均粒径，m；

n-孔隙率，n=1-1/Kp。

依据边界层理论计算得到斜沟矿18205工作面采空区渗透率K的拟合曲线为：

2.3 瓦斯抽采量对自燃“三带”的影响

2.3.1 数值模拟结果分析

设置采空区不同瓦斯抽采量和抽采口与工作面切顶线的距离为20m，自燃“三带”模拟结果如图3所示。从图3得到，瓦斯抽采量升高过程中，氧化升温带的范围缓慢增大。表2为通过模拟计算的采空区氧化升温带宽度，发现氧化升温带的宽度会随瓦斯抽采量的增大而增宽，在工作面回风流瓦斯不超限的前提下，将采空区瓦斯抽采量降到最低，可有效防治自然发火。

表2 氧化升温带与抽采量的变化关系

图3 数值模拟氧化升温带的分布规律

2.3.2 极限抽采量与推进速度的关系

为了防止采空区遗煤自燃，推进速度需要满足如下条件：

式中：

τm-遗煤被氧化的时间，d；

Lm-自燃氧化升温带宽度，m；

υ1-工作面推进速度，m/d；

18205工作面推进速度为3m/d，根据自燃倾向性鉴定报告得到8#煤层的最短自然发火期为20d，

-煤的最短发火期，d。通过计算得到为了防止采空区遗煤自燃，控制瓦斯抽采量低于31.71m3/h时，氧化升温带宽度小于60m，而当瓦斯抽采量超出合理瓦斯抽采量时，采空区容易自燃；瓦斯极限抽采量与推进速度的关系如图4所示。从图4发现，瓦斯极限抽采量与开采速度近似成正比，为了采空区不发生自燃，可以提高工作面的推进速度，以保证18205瓦斯抽采量。当工作面以3m/d的推进速度提高到3.2m/d时，18205瓦斯抽采量提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。因此通过合理加快推进速度保证回风流瓦斯浓度低于0.8%，且抽采量低于瓦斯极限抽采量，能更加有效地防治自然发火。

图4 瓦斯极限抽采量与推进速度的变化关系

2.4 抽采口的位置对自燃“三带”的影响

为了得到工作面采空区氧化升温带与瓦斯抽采口的变化规律，在供风量为2200m3/min和瓦斯抽采量为80m3/h时，设置抽采口与切顶线的距离不同时，模拟采空区自燃“三带”的范围，结果见表3。由表3发现，随着瓦斯抽采口逐渐埋入采空区深部，氧化升温带范围扩大；工作面开采速度是3～3.2m时，采空区氧化升温带的范围为60～64m，抽采管路的抽采口最佳设置区域为与工作面切顶线10～20m的距离。

表3 抽采口不同时氧化升温带分布规律

3 采空区瓦斯抽采对自燃的影响

当抽采负压升高时，导致采空区漏风加大，遗煤自然发火可能性增大；当增大抽采口与工作面切顶线距离时，氧化升温带区域扩大，增大了遗煤的自燃危险性。8#煤层为低透气性煤层，本煤层瓦斯抽采效果很差，需要进行埋管抽采，如果抽采量增大及抽采口与切顶线很远，使遗煤自燃更容易发生。为了防止采空区自然发火，理论计算确定当推进速度是3m/d时，18205采空区瓦斯极限抽采量为31.71m3/h；通过加快开采速度到3.2m/d时，瓦斯极限抽采量升高4倍，增大到120m3/h，瓦斯抽采率显著提高，且阻止了采空区遗煤自燃。所以为了防止采空区自燃和提高瓦斯抽采效果，确定最佳的抽采参数对平衡二者之间的矛盾至关重要。

4 结论

（1）通过模拟结果发现：当工作面以3m/d的开采速度加快到3.2m/d时，18205采空区的瓦斯极限抽采量升高近4倍，从31.71m3/h升高到120m3/h，大幅度提高了采空区的瓦斯抽采量。

（2）由拟合曲线发现，采空区遗煤自燃危险性跟瓦斯抽采量成正比。因此合理提高工作面的开采速度，达到增加瓦斯抽采量且小于瓦斯极限抽采量的目的，以有效防治遗煤自然发火。

（3）埋进采空区的抽采管路越深，氧化升温带朝采空区深部区域移动，根据现场试验发现，最佳的瓦斯抽采口设置在与工作面切顶线的距离为10～20m，但是此时的瓦斯抽采效率仍需开展大量的研究。