综采面采空区瓦斯抽采对自燃“三带”的影响研究

王瑞青

(阳泉煤业(集团)有限责任公司五矿,山西 045000)

煤炭自燃是矿井火灾的主要形式，每年由于煤炭自燃引起的火灾占总数的90%以上。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。

近年来科研工作者对此难题开展了大量研究，秦波涛等针对付村矿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，施工旁路式高位钻孔来抽采瓦斯，并将三相泡沫防灭火材料通过钻孔注入采空区，“抽-注”一体化的综合治理技术很好的解决了采空区瓦斯与煤自燃的难题；何福胜等在某某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，得到当注氮时间为15h/d和配风量为2000m3/min可以有效消除瓦斯与火共生致灾的危险，保障安全生产；周西华等在天池煤矿102孤岛工作面通过现场试验和COMSOL数值模拟，确定采空区自燃“三带”分布规律，发现了瓦斯爆炸危险区域，此区域位于进风侧距离切顶线20～70m内风速小于0.004m/s及O2浓度超过12%。

以上研究主要是分析了采空区自燃“三带”与注氮量、注氮位置、注氮时间和风量等之间的关系，虽然对采空区自然发火起到了很好的预防作用，但前期准备注氮材料耗时较长，所需成本较高，没有很好解决采空区瓦斯在抽采过程中会导致遗煤自然发火的危险性，因此在抽采瓦斯的同时，还需要兼顾采空区自然发火防治，即面临的瓦斯与火共治的技术难题。为更好指导某矿15108综采工作面自燃煤层采空区瓦斯抽采对自燃“三带”问题，本文以某煤矿15108大采高工作面为例，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”之间的规律及瓦斯抽采口的最佳位置，以有效指导煤层自然发火和瓦斯治理。

1 15108工作面概况

某煤矿15108工作面位于15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3200m，倾斜长为260m，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。

15108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15号煤为自燃煤层，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15108工作面的具体情况，提出采空区上隅角埋管来抽采瓦斯。

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15108回风巷不等距的布置温度和气体监测点，测点布置如图1所示，来实时监测监控15108工作面采空区气体的变化情况。

图1 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15108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 参数设置及边界条件

采用COMSOL数值模拟采空区流场分布，数值模拟的计算范围为沿15108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、金属网和钢带综合支护)。

由多孔介质Carman公式，得渗透率：

(1)

式中:K为采空区渗透率，m2；Dm为多孔介质骨架的平均粒径，m；n为孔隙率，n=1-1/Kp。

依据边界层理论计算得到斜沟矿15108工作面采空区渗透率K的拟合曲线为

(2)

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

当抽采量为60m3/h、70m3/h、80m3/h、90m3/h、120m3/h和150m3/h时，铺设在采空区内的抽采管路与工作面切顶线的距离为20m，在瓦斯抽采量的升高过程中，氧化升温带的范围缓慢增大，增长速度很小，氧化升温带和窒息带逐渐扩大到采空区深部。模拟抽采量与氧化升温带宽度的变化规律见表2，借助数据的回归分析，发现抽采量升高时，氧化升温带的距离在扩大，遗煤的自燃的危险性在增大。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，可有效防止自燃发火。

表2 氧化升温带与抽采量的变化关系

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不发生自燃，推进速度需要满足如下条件

(3)

15108工作面推进速度为3m/d，根据自燃倾向性鉴定报告得到15号煤层的最短自燃发火期为20d，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，因此需采取有效措施使其在合理范围之内。

从式(3)发现在风量和煤的自然发火期不变条件下，采空区遗煤自燃的危险性与推进速度成反比，极限抽采量也不同。瓦斯极限抽采量与推进速度的关系见表3和如图2所示，从表3和图2发现瓦斯极限抽采量与工作面的推进速度近似成正比。可以通过提高工作面的推进速度，在保证采空区不自燃的前提下，获得工作面较大的瓦斯抽采量。当工作面的推进速度由3m/d提高到3.2m/d时，15108瓦斯抽采量可提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。

表3 瓦斯极限抽采量与推进速度的关系

图2 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，模拟结果见表4。由表4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4 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

为了确保工作面的安全生产，需在降低遗煤自燃危险性的条件下开始瓦斯抽采，所以瓦斯与火共治是同一流场中互相作用的耦合难题，研究分析两者的基本原理和规律是至关重要的。

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。15号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。为了防止采空区自燃发火，理论计算确定当推进速度是3m/d时，15108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发火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，15108采空区的瓦斯极限抽采量可以从31.71m3/h升高到120m3/h，提高近4倍，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。合理的提高开采速度有利于抽采量的增大，只有在回风巷抽采量满足要求时，而且抽采量未超过极限抽采量时，才能有效的防止自然发火的发生。

(3)随着埋入采空区的瓦斯抽采口越远，氧化升温带相应朝采空区深部区域移动，根据现场测试发现，最佳的瓦斯抽采口位置在距工作面切顶线10～20m处。