高抽巷抽放速率对采空区复合灾害防治的影响研究

2021-05-10王红梅金珠鹏赵善友李俊志翟光顺侯沣峻

矿业安全与环保 2021年2期

王红梅,金珠鹏,赵善友,李俊志,翟光顺,侯沣峻

(1.山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室，山东济南 250104； 2.山东省煤田地质局第四勘探队，山东潍坊 261201;3.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江哈尔滨 150027； 4.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250104)

随着高瓦斯矿井产能的增大，基本通风系统将无法满足工作面瓦斯治理的要求，因此多种瓦斯抽放技术被应用于治理采空区瓦斯[1-2]。开采深度的增加导致地热和岩石压力增高，从而导致煤自燃风险增大[3-5]。此外，瓦斯抽放技术的应用将会导致采空区流场高度复杂，从而导致采空区出现较大程度的漏风，进而导致煤自燃风险性增高[6]。

高抽巷瓦斯抽放技术因其具有良好的抽放性能而在高瓦斯矿井中得到广泛应用，但其对煤自燃影响的研究较少[7-8]。笔者基于CFD软件对不同抽放速率条件下瓦斯抽放效果和采空区氧化带宽度进行风险评估，进而为后续工作面回采过程中抽放速率的优化调整提供参考依据。

1 模型建立与控制方程

1.1 模型的建立

同煤集团塔山矿13190工作面主采的23号煤层厚度约为16 m，采用综采放顶煤的开采方式，开采高度为2.6 m，放顶煤高度超过12.0 m，工作面平均埋深超过600 m。13190工作面绝对瓦斯涌出量约为22.4～32.5 m3/min，主采23号煤层易自燃，且最短自然发火期为30 d。采用高抽巷抽放瓦斯的方式来控制采空区内瓦斯含量，且高抽巷布置于覆岩断裂带内(距离煤层顶板30 m)，与回风平巷水平间距为20 m。所建立的三维数值模型如图1所示。

图1 CFD三维数值模型

模型的长×宽×高=185 m×300 m×60 m，进风平巷和回风平巷的长度为15 m，巷道横截面的宽×高=4.0 m×3.3 m。CFD数值模型中的相关参数设置如表1所示。

表1 模型边界和参数设置

注:u表示布林克曼速度矢量，m/s；v表示纳维—斯托克斯速度矢量，m/s。

1.2 控制方程

纳维—斯托克斯方程[9]可以用来描述管道中的瓦斯流动状态，高抽巷和回采工作面均可被视作管道，相应的瓦斯流动控制方程可用下式表示：

▽μ·[▽v+(▽v)T]-▽p=ρv·▽v

(1)

式中：μ为瓦斯动力黏度，Pa·s；p为瓦斯压力，Pa；ρ为空气密度，kg/m3。

回采工作面后方采空区充填体中分布有大量的裂隙和孔洞，瓦斯在采空区内的流动可被视作介于达西渗流和纳维—斯托克斯渗流之间的过渡流态[10-11]。关于采空区内瓦斯流量控制方程可用下式表示：

(2)

式中：k为多孔介质的渗透率，m2；n为孔隙率。

渗透率k是关于孔隙率n的函数，使用Blake-Kozeny公式可表示如下：

(3)

式中Dp为调和平均粒径，m。

孔隙率n可由采空区压实膨胀系数Kp计算得到，具体公式如下：

(4)

根据工作面开采压力可知，Kp满足负指数衰减规律，满足如下公式：

(5)

为了模拟氧化带的形态，可以通过传质方程求解回风平巷瓦斯抽放期间采空区O2体积分数的分布规律。氧气在多孔介质中的传质可表示为：

(6)

式中：φ为采空区O2体积分数；D为采空区氧气扩散系数；w为氧气传输过程中的来源或去向。

2 复合型灾害的防治分析

瓦斯灾害防治与煤自燃防治机制往往是存在矛盾的，为了提高采空区瓦斯抽放效果，需要提高高抽巷抽放速率，而这将会导致漏风量增加，不利于防治煤自燃；另一方面，虽然减小抽放量可以降低煤自燃风险，但往往会造成工作面瓦斯超限。因此，采空区复合型灾害防治不仅要考虑煤自燃危险区域的划分，还要考虑通风稀释瓦斯的安全性。

2.1 不同抽放速率下瓦斯治理

回风平巷及上隅角CH4体积分数可作为评价工作面瓦斯超限的依据。不同抽放速率(120、180、240、300 m3/min)时回风平巷及上隅角CH4体积分数分布云图如图2所示。

图2 不同抽放速率下采空区CH4体积分数分布云图

由图2可知，当高抽巷瓦斯抽放速率为120 m3/min时，上隅角发生瓦斯积聚，此时CH4体积分数超过1%，违反了我国有关煤炭开采的安全规定。当高抽巷抽放速率小于120 m3/min时，工作面瓦斯超限的风险将进一步增大，而当高抽巷抽放速率为180、240、300 m3/min时，可保证通风稀释瓦斯的安全性。

2.2 漏风量变化特征

采空区氧化带的分布受漏风量的变化影响，因此在高抽巷不同抽放速率下的漏风量能直观地反映采空区煤自然发火危险程度。通过研究高抽巷瓦斯抽放速率为180、240、300 m3/min时工作面风量的分布情况，以得到漏风量的变化特征，如图3所示。

(a)风量分布

(b)漏风量变化

由图3(a)可知，由于高抽巷抽放速率的不同，导致工作面风量的分布也不同。首先,由于采空区漏风导致风量减小，随后由于采空区瓦斯涌出而风量增大。随着高抽巷抽放速率的提高，导致工作面风量下降趋势加剧。此外，漏风量沿工作面分布不均匀，在0～40 m范围内漏风量较大。由图3(b)可以看出，根据工作面风量最小值和位置情况，得到了高抽巷不同抽放速率下的漏风量变化特征，工作面漏风区域随着最小风量位置向回风平巷方向移近而扩大。此外，随着高抽巷抽放速率的提高，漏风量逐渐增大。

根据指数函数得到了漏风量与瓦斯抽放速率之间的关系式：

(7)

式中：ΔQ为工作面至采空区的漏风量，m3/min；Qd为高抽巷抽放速率，m3/min。

随着高抽巷抽放速率的提高，工作面漏风区域的扩张呈近似线性，可表示为：

d=57+0.425Qd

(8)

式中d表示进风平巷至最小风量位置的距离，m。

2.3 不同抽放速率下的危险区

为了进一步对采空区进行风险评估，模拟得到了采空区O2体积分数的空间分布云图，如图4 所示。

图4 不同抽放速率下采空区O2体积分数空间分布云图

随着瓦斯抽放速率的提高，高抽巷的含氧量增加，漏风逐渐向深部采空区扩展。为了确定危险区的范围，选取采空区z=2 m截面位置的O2体积分数等值线，如图5所示。

图5 不同抽放速率下采空区O2体积分数等值线图

氧化带宽度是决定采空区煤自燃可能性的关键因素，根据采空区O2体积分数18%(d18%)和8%(d8%)轮廓线位置，得到氧化带的分布情况。不同抽放速率下采空区氧化带的最大宽度分布情况如图6所示。

图6 不同抽放速率下采空区氧化带宽度

采空区氧化带宽度应小于工作面推进速度与最短自然发火期的乘积[12-13]。13190工作面开采速度为2.3 m/d，最短自然发火期为30 d，因此当氧化带宽度超过69 m时，不利于防止煤体自燃。由图6可见，当高抽巷瓦斯抽放速率为240 m3/min或300 m3/min时，氧化带宽度超过安全界限，因此，高抽巷的瓦斯抽放速率应设定为180 m3/min，以实现瓦斯超限与煤自燃的复合灾害防治。

3 工业性试验

为了验证数值模拟结果的准确性，在选定工作面推进过程中，通过改变负压，将高抽巷抽放速率调整为180 m3/min，同时，通过束管监测可得到采空区O2体积分数随工作面推进的变化规律。监测方案及其束管布置情况如图7所示。

图7 O2体积分数监测点布置平面图

图7中1#、2#、3#和4#测点布置间隔为10 m，靠近进风平巷侧；5#、6#、7#和8#测点依次与1#～4#测点对称布置，靠近回风平巷侧。在工作面回采推进过程中获得了4#和8#测点的O2体积分数变化情况，如图8所示。

由图8可以看出，当4#测点进入采空区内20 m时，O2体积分数为18%；沿工作面推进方向，在工作面后方77 m处O2体积分数下降至8%。在回风平巷附近，进入采空区10 m位置时8#测点的O2体积分数为18%；当O2体积分数为8%时，测点位于工作面后方64 m处。根据现场测量，氧化带在采空区10～77 m内，氧化带宽度为67 m(未超过安全阈值)。

抽放期间高抽巷内O2和CH4气体体积分数变化曲线如图9所示。

图9 高抽巷内O2和CH4气体体积分数变化曲线

由图9可知：在测量期间，CH4体积分数为7.5%～12.4%，平均为9.67%；O2体积分数为11.6%～15.4%，平均为13.31%。与图4(b)相比，高抽巷中的O2体积分数小于模拟值，但差异较小。

上隅角和回风平巷内CH4体积分数变化曲线如图10所示。

图10 上隅角和回风平巷内CH4体积分数变化曲线

由图10可知：回风平巷CH4体积分数在0.14%～0.30%内波动，平均为0.22%；上隅角CH4体积分数为0.20%～0.59%，平均为0.38%。从图2(b)中的模拟结果可以看出，回风平巷和上隅角的CH4体积分数分别为0.12%和0.24%。实测数据和模拟结果吻合度较高，验证了CFD数值模拟结果的合理性。

采用SF6进行了工作面示踪试验[14-15]，得到了现场风量沿工作面宽度方向的分布曲线，如图11所示。