顶板瓦斯抽采巷垂直高度对煤自燃的影响效应研究

褚廷湘,吴春喜,陈月霞,姜泊宁

(华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

顶板巷抽采是我国瓦斯抽采重要方式之一,已成为矿井采空区瓦斯治理技术的重要组成部分。前期调研了国内40余对矿井,如在阳泉矿区顶板巷抽采在五矿率先使用,随后三矿利用顶板巷抽采成功解决了瓦斯超限问题[1]。此外,如晋能控股塔山矿、中煤新集二矿、河南大有耿村矿、铜川下石节煤矿、彬长大佛寺煤矿等在应用顶板巷后,解决了采空区瓦斯涌出和工作面瓦斯超限问题[2-12]。

前期调研发现不同矿区、矿井在利用顶板巷瓦斯抽采技术时,顶板巷所处地相对空间位置差异比较大,总体而言大多考虑顶板巷布置在上覆煤岩冒落带与裂隙带的交界处,但从采空区抽采气体成分分析来看,抽采混合气体氧气浓度较高,可见伴随顶板巷抽采可诱导漏风。在对采空区抽采强度提升的情况下,势必造成采空区漏风增大,致使煤自燃风险增加。查阅文献发现,在国内因利用顶板巷瓦斯抽采造成采空区遗煤自燃及低温氧化的案例时有出现。如河南大有能源某矿某工作面采用了顶板巷抽采方式,在回采期间顶板巷涌出大量CO,严重威胁工作面的安全生产[13]。山西大同某矿8101综放面在实施顶板巷瓦斯抽采期间,导致发生自燃火灾事故[14]。据文献[15～17]介绍,淮南新集、潘一、潘三煤矿,在卸压瓦斯抽采期间也不同程度地出现了遗煤低温氧化现象。这些生产实践案例说明了顶板巷瓦斯抽采可诱导煤低温氧化甚至自燃的发生。因此,在高瓦斯自燃及易自燃矿井使用该技术过程中,需要关注采空区煤自燃协同防治问题。本文基于顶板巷瓦斯抽采技术,重点探讨顶板巷垂直高度对采空区漏风及采空区易氧化区域的影响,进而为现场顶板巷抽采下的采空区煤自燃防治提供参考。

1 顶板巷瓦斯抽采技术及样本工作面

顶板巷瓦斯抽采技术是在传统U型工作面的基础上,在距离煤层顶板一定距离,开拓了一条专用的瓦斯排放巷,即顶板巷。顶板巷瓦斯抽采技术其巷道布置及空间位置如图1所示。顶板巷内错工作面回风巷具有一定的距离(a),且距离煤层底板具有一定的高度(H),在岩层移动及卸压作用下,煤岩裂隙发育逐步与顶板巷贯通,顶板巷发生变形、破断,致使顶板巷在采空区内具有一定的滞后距离(d)。

图1 顶板巷瓦斯抽采工作面巷道布置示意图

顶板巷瓦斯抽采优点是抽采量大,抽采效率高,较好地解决了上隅角瓦斯超限问题。但是,顶板巷瓦斯抽采也会增大采空区煤自燃的危险性。为了分析顶板巷瓦斯抽采对采空区煤自燃氧化环境及相关影响,以河南大有能源耿村矿某工作面顶板巷抽采下的自燃情况为样本,进而分析在此项技术下其空间布置参数对采空区煤自燃的影响。

耿村煤矿年生产能力500万吨/年,目前主要开采23煤层,煤层平均厚度达到16 m,为易自燃煤层,自然发火期为1个月;工作面采用综采放顶煤技术,工作面绝对瓦斯涌出量在23～35 m3/min,工作面瓦斯治理难度加大,风排瓦斯及上隅角瓦斯时有超限发生,瓦斯涌出的安全形势比较严峻。矿井引入顶板巷瓦斯抽采技术后,很好地解决了风排瓦斯与上隅角瓦斯超限的问题,但是采空区煤自燃问题日渐突出。通过文献查阅了耿村矿工作面在回采期间,顶板巷CO涌出异常,自燃氧化现象发生[18]。

由图2可以看出,在该工作面回采期间,顶板巷CO体积分数平均都在100 ppm以上,可见,在顶板巷瓦斯抽采期间,采空区发生了低温氧化,这给工作面的生产带来了一定的安全风险。

图2 耿村矿某工作面顶板巷CO发生量

2 模拟方案及边界条件设置

根据样本工作面的工程条件建立物理模型,对采空区的渗流基本参数如孔隙率和渗透率进行设定,同时设置漏风源项、耗氧源项和瓦斯源项以及进、回风巷和顶板巷的边界条件,联立求解漏风速度场、氧气浓度场和瓦斯浓度场,得到不同空间位置顶板巷抽采下的漏风流场、氧气浓度和瓦斯浓度场的分布规律。

样本工作面的回风巷与工作面的交界点为坐标原点,工作面倾向为X轴方向,采空区走向为Y轴方向,采空区竖直方向为Z轴方向。

图3为样本工作面的物理模型,为了便于研究工作面向采空区的漏风规律,本文选取如图3所示的工作面截面作为测风面,其中坐标X代表了工作面倾向测风面距回风巷煤壁的距离。在数据的后处理过程中,可任意获得工作面某一位置截面的风量大小。

图3 样本工作面物理模型

样本工作面的物理模型设置:采空区倾向长为185 m,走向长为360 m,高度为60 m;进风巷、回风巷断面尺寸为6.5 m×4.6 m,走向长度15 m;顶板巷断面尺寸为2 m×2.5 m。样本工作面正常回采期间,进风量为1300 m3/min,顶板巷抽采量为180 m3/min。在Gambit中将进风巷入口设为速度入口,进风巷断面速度为0.72 m/s;顶板巷出口设置为风量出口,出口风量为180 m3/min;回风巷出口缺省为自由流动出口。工作面与进风巷、回风巷和采空区的交界面设置为内部边界,其余壁面为无滑移边界。

Fluent中设耗氧源项、瓦斯源项和注氮源项为采空区内的稳定源项,样本工作面的实际采空区瓦斯涌出量为23.5 m3/min,通过实测与计算工作面沿程阻力系数为0.0148 N·S2/m4,采空区内渗流基础参数如空隙率和渗透率参考文献[19]的处理方法,并通过UDF函数编译定义置于物理模型。

首先模拟进风1300 m3/min,抽采量180 m3/min、内错距20 m,垂直高度30 m时的工况,然后保持工作面通风参数、瓦斯抽采量、内错距不变,以及内置渗透参数及耗氧瓦斯源项等均与抽采量180 m3/min模拟工况保持一致,只改变巷道垂直高度及顶板巷的滞后距离,模拟分析顶板巷垂直高度20 m、40 m及对应滞后距离11 m及25 m情况下的采空区漏风,氧气浓度分布及变化。

表1 样本工作面物理模型参数设置

3 模拟结果与分析

顶板巷从空间布置上讲,其空间布置参数主要是内错距、垂直底板距离,同时采动的沉陷角,因顶板巷布置高度不同时,顶板巷在采空区内滞后的距离也不同。那么针对不同的工作面,顶板巷垂直高度的不同对采空区煤自燃的影响如何,这也是需要研究的。

样本工作面顶板巷垂直高度30 m时,顶板巷的滞后距离在18 m左右,通过此对应关系,可知采空区沉陷角大约35°左右。根据此关系,可知,当顶板巷布置在20 m时,顶板巷滞后采空区11 m 左右;当顶板巷垂直底板40 m时,顶板巷滞后采空区约为25 m左右。不同高度对应不同滞后距离见下图4。

3.1 垂直高度对风排瓦斯的影响分析

从图5可以看出高度不同时顶板巷内瓦斯浓度逐渐增大。如图5(a)在顶板巷布置在20 m位置时,顶板巷内的瓦斯浓度在5.4%左右;根据如图5(b)知顶板巷垂直高度在30 m位置时,顶板巷内的瓦斯浓度在6.6%左右。图5(c)在顶板巷布置在40 m位置时,顶板巷内的瓦斯浓度在7.8%左右;由此可知,随着顶板巷高度的增大,顶板巷抽采瓦斯浓度逐渐增大。

从图6可以看出高度不同时回风巷内瓦斯浓度逐渐降低。如图6(a)在顶板巷布置在20 m位置时,回风巷内的瓦斯浓度在0.6%左右;图6(b)在顶板巷布置在30 m位置时,回风巷内的瓦斯浓度在0.51%左右;图6(c)在顶板巷布置在40 m位置时,回风巷内的瓦斯浓度在0.39%左右。通过模拟结果显示当顶板巷处于裂隙带以下时,随着抽采位置的增大,回风瓦斯浓度逐渐降低,也就是说随着顶板巷垂直布设位置的提升,回风巷风排瓦斯更安全。

图6 顶板巷不同设置高度下风排瓦斯浓度分布

结合图5及图6的模拟结果,可以得到以下规律及结论:(1)随顶板巷垂直距离的增加,顶板巷排放浓度增加,回风巷瓦斯浓度降低;(2)顶板巷垂直高度的增加有利于采空区瓦斯抽采及风排瓦斯安全。

3.2 垂直高度对采空区漏风的影响

采空区煤自燃的发生,离不开其漏风环境。模拟了顶板巷垂直高度20、30、40m布置情况下的采空区流场速度分布,如图7所示。

图7 顶板巷不同设置高度下风流速度矢量分布图

通过采空区流场的模拟,得到了不同高度下的漏风特征。对比分析,得到不同高度下工作面风量沿程分布,见表2。

表2 顶板巷不同高度下工作面风量沿程分布模拟结果

根据表2数据,拟合分析了顶板巷布置在不同高度时工作面倾向风量的分布特征,如图8所示。

图8 顶板巷不同高度下工作面风量沿程分布

由图8可知:

(1) 当顶板巷垂直底板20 m时,工作面倾向最低风量点位于105 m位置,工作面最低沿程风量为1109 m3/min;从倾向105 m至回风巷侧,风量逐渐增大,回风风量为1145 m3/min。由此可知,从进风侧漏入采空区风量为191 m3/min,在105 m至回风侧采空区漏出36 m3/min,155 m3/min新鲜风流进入顶板巷抽采系统。

(2) 当顶板巷垂直底板30 m时,工作面倾向最低风量点位于130 m位置,工作面最低沿程风量为1130 m3/min;从倾向130 m至回风巷侧,风量逐渐增大,回风风量为1157 m3/min。由此可知,从进风侧漏入采空区风量为170 m3/min,在130 m至回风侧采空区漏出27 m3/min,143 m3/min新鲜风流进入顶板巷抽采系统。

(3) 当顶板巷垂直底板40 m时,工作面倾向最低风量点位于120 m位置,工作面最低沿程风量为1089 m3/min;从倾向120 m至回风巷侧,风量逐渐增大,回风风量为1144 m3/min。由此可知,从进风侧漏入采空区风量为211 m3/min,在120 m至回风侧采空区漏出55 m3/min,156 m3/min新鲜风流进入顶板巷抽采系统。

通过不同高度下工作面风量分布及变化对比分析来说,风流变化比较复杂,没有相对统一的规律,主要表现在漏风区域长度、漏风量并不是随高度单调递增或者递减。仅从漏风量来说高度在30 m时,相对于20 m、40 m时表现为最低。高度40 m时,诱导采空区漏风量最大。

3.3 垂直高度对采空区氧化区域的影响

由图9可知:

(1) 随着高度增加,自燃演化区域加大,如顶板巷在20 m时,采空区中部易氧化区域处于60～110 m左右,在40 m高度时,易氧化区域处于62～120 m左右。

(2) 随着顶板巷高度增加,易氧化区域的边界深度增加,顶板巷在20 m时,采空区深部氧化边界位于110 m,而40 m时采空区氧化边界在120 m位置。可见随着高度增加,采空区氧化区域是扩大的,而且滞后工作面的距离逐渐增大,从防灭火来说,高度增大不利于自燃防治。

4 结论

(1) 随着顶板巷设置高度从20 m增加到40 m,顶板巷瓦斯浓度从5.4%增加到7.8%,回风巷的瓦斯浓度从0.6%降到0.39%,说明顶板巷排放瓦斯浓度增加,回风巷瓦斯浓度降低,顶板巷垂直高度的增加有利于采空区瓦斯抽采及风排瓦斯安全。

(2) 随着顶板巷抽垂直高度从20 m增加到40 m,由进风测向采空区漏风量从191 m3/min增加到211 m3/min,工作面向采空区的漏风区域和漏风量呈增大趋势。

(3) 随着顶板巷垂直高度的从20 m增加到40 m,采空区遗煤易氧化区域的边界向采空区深部移动,易氧化区域的宽度逐渐增大。

(4) 基于采空区防灭火考虑,顶板巷垂直高度的增加不利于采空区煤自燃防治,本文通过对顶板巷高度对采空区漏风、氧气浓度及易氧化区域的分布分析这对认识顶板巷瓦斯抽采对采空区煤自燃的影响具有一定的参考意义。