瓦斯抽放條件下采空區漏風供氧規律與煤自燃防治技術

朱海魚 武振國 宋宜猛 楊志華

(1.神華寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，750011；2.寧夏煤炭科學研究所有限公司，寧夏回族自治區銀川市，750011；3.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029)

綜放工作面回采期間，煤體釋放出的瓦斯大量聚積在采空區內，由于采空區空間較小，工作面風流可以直接擴散進入采空區深部，其內部大量高濃度的瓦斯隨擴散風流涌向工作面上隅角，造成上隅角和回風巷風流瓦斯濃度超限，影響工作面安全生產。因此，在工作面初采初放期間，必須采取有效措施解決瓦斯濃度超限問題。目前國內主要采用抽放鉆孔治理采空區瓦斯，即在回采工作面切眼附近的巷道內向工作面采空區內施工抽放鉆孔，抽放采空區內高濃度瓦斯。但是，瓦斯抽放不僅加劇采空區漏風，造成采空區風流紊亂，縮短采空區遺煤自然發火期，增加煤自燃危險性，同時由于采空區瓦斯不斷涌出，面臨火與瓦斯共存的生產環境。基于此，本文以白芨溝礦2421綜放工作面為研究對象，利用數值模擬研究瓦斯抽放對采空區氧氣濃度場和漏風場的影響，并結合現場實踐制定出高瓦斯礦抽放條件下采空區煤自燃防治技術。

1 瓦斯抽放對煤自燃影響分析

瓦斯抽放流量的大小對采空區內的漏風狀況容易產生影響，會造成采空區內的漏風量增大以及漏風通道增多，使采空區內的自燃范圍不容易被判斷。同時，瓦斯抽放口的位置因采取不同的抽放(或導流排放)方法，會對采空區內的氣體分布有很大的影響，容易造成采空區風流發生混亂，對煤自燃有很大影響。

1.1 數學模擬模型及物理模型

本文模擬不同抽放位置與抽放量對采空區漏風強度的影響。抽放管路從進風側布置，采空區傾向長度取80m，走向長度取100m，考慮流場的非均勻性，網格劃分采用非均勻網格，對漏風口附近和回風口附近進行局部加密。由多孔介質引起的動量方程源項的變化由FLUENT內嵌的程序進行自動計算，氧濃度和采空區滲透系數的源項采用用戶自定義函數進行導入、編譯。控制方程的求解均采用基于交錯網格的控制容積法進行離散計算，離散過程中的對流項與擴散項分別采用2階中心差分格式。每個離散方程采用逐線迭代的方式求解，每條迭代線采用3對角矩陣算法和松弛因子相結合的方法進行計算。

1.2 抽放口對采空區氧濃度和漏風強度動態分布影響

當抽放管道由進風側進入采空區10m、20m、30m、40m時，抽放流量采用120m3／min，采空區兩段壓差為80Pa，利用FLUENT模擬軟件進行求解，可以得到2421(二)綜放采空區氧濃度分布圖和漏風強度分布圖，見圖1和圖2。

圖1 抽放管道進入采空區不同位置時，采空區氧濃度分布圖 (氧氣濃度分布圖為氧氣質量濃度分布圖，單位無因次)

(1)由圖1可知，管道進入采空區10m、20m、30m時，距離工作面約40m回風側采空區氧濃度分別約為10%～14%、12%～14%、13%～15%；管道進入采空區40m時，管道抽放口處氧濃度約14%～16%；中部支架后距離工作面30～40m的采空區，氧氣濃度有明顯逐漸增大趨勢，而進風側氧濃度變化較小。

(2)由圖2可以看出，4個抽放位置對漏風強度影響分布接近，但受瓦斯管道抽放的影響，漏風中部支架后采空區30～40m漏風流速度隨著抽放口深度增加有變大趨勢。

隨抽放管道進入采空區深度的增加，進風側氧濃度分布變化較小，而中部支架后和回風側采空區氧濃度分布變化較大，回風側距離工作面50～60m氧濃度有逐漸增大趨勢；采空區30～40m的漏風強度隨著抽放口深度增加有變大趨勢。

1.3 瓦斯抽放量對漏風風量的影響分析

假設瓦斯抽放量為0～250m3／min，考慮距離工作面18m、70m抽放位置，在簡化條件和理想情況下得到的數值模擬結果，如圖3所示。

從圖3可以看出，當抽放量小于50m3／min，漏風量為140～150m3／min，漏風量變化不大。抽采對漏風的影響與抽放的位置有關，在深部抽放時(Lx＝70m)，工作面漏風隨抽放流量的增大而逐漸增大。當抽放口與工作面的位置較近時 (Lx＝18m)，抽放流量在小于某一臨界值時，工作面漏風隨抽放流量的增大反而逐漸降低，而當抽放流量超過一定值后轉而增加，這是由于抽放口距離工作面很近，抽放負壓影響區位于冒落松散帶內，抽放流量小于臨界值時，抽放對采空區深部流態的影響會減小。

2 高瓦斯礦抽放條件下采空區煤自燃防治技術

2.1 2421工作面概況

白芨溝礦歷年來瓦斯等級鑒定結果均為高瓦斯礦井，近年來礦井瓦斯涌出量呈逐年增加的趨勢。2421(一)、2421 (二)、2421 (三)、2421 (四)工作面位于白芨溝礦南二采區四階段和南四采區六階段，平均煤厚10m。這些工作面走向長約1500m，傾斜寬150m，煤層傾角0°～18°。開采工藝為綜合機械化放頂煤開采，采高3m，放頂煤高度7m。目前正在開采2421(二)工作面，其他工作面已經順利完成了回采。

2421(二)工作面上覆2421(一)采空區，2421(一)工作面后部采空區之前曾發生瓦斯爆炸事故，引起采空區長時間大面積著火。2421(二)工作面開采過程中，上部采空區仍存在著尚未熄滅的火點和高溫區域，采空區內浮煤和巖體在不停地釋放瓦斯，該工作面開采過程中面臨火與瓦斯共存的生產環境。該礦現有永久抽放泵站3座，移動抽放泵站2座，已形成額定抽采能力1051m3／min，抽采管路總長14286m的瓦斯抽放系統。該工作面進風側設有瓦斯抽放管路系統，抽放位置位于采空區深部30～40m，抽放量為120～150m3／min，工作面采用單一拖放式埋管瓦斯抽放，抽放流量相對高位鉆孔抽放量較小，該抽放方式容易導致采空區漏風范圍擴大，致使自燃高溫區范圍擴大，尤其在大流量抽放或導流瓦斯情況下，自燃危險程度會更高，表現為使原來的進風側危險火區自燃加劇和在抽放口附近容易引起局部次生火區。在抽放口附近形成比工作面回風出口壓力更低的低風壓區，加大了工作面邊界上工作面與采空區內外壓力差，使工作面向采空區的漏風量增大。此時，工作面邊界上漏入、漏回風的平衡點位置發生上移。針對這些問題，白芨溝礦采取以下綜合技術措施，防治煤自燃。

2.2 專用排瓦斯巷排放采空區瓦斯

2421(二)工作面是白芨溝礦首例在直接頂下放頂煤開采的工作面，在首分層開采后，原有的穿層抽放鉆孔幾乎全部報廢，造成二分層瓦斯預抽時間縮短。工作面高強度的放采，放煤口及采空區將涌出大量瓦斯，單靠一進一回的通風方式，工作面及回風流的瓦斯將超限。為此，在工作面回風巷道內側沿煤層頂板開掘了一條專用瓦斯引放巷，貫穿于工作面走向；在工作面內布置了2條工藝巷，采用聯絡巷將工藝巷和引放巷與回風聯絡巷溝通，形成了3進2回的通風系統，引放巷作為專用排放瓦斯使用，巷道回風流中瓦斯濃度可達到2.5%。由于受采動動壓作用，引放巷支架容易變形，斷面變小，影響瓦斯排放。為了確保通風斷面，提高引放效果，礦組織專門隊伍定期對巷道進行維護，加強工作面上口段放煤管理，保證引放巷與采空區完全溝通，真正實現引放巷的作用。在2421(二)工作面開采期間，引放瓦斯濃度平均達到了1.5%以上，降低了工作面風排瓦斯壓力。

2.3 局部通風機處理上隅角瓦斯

2421(二)工作面開采時，引放巷主要解決了采空區涌出的瓦斯，但引放巷距離回風巷道約10m距離，由于工作面上隅角不放頂煤，引放巷對上隅角瓦斯治理作用甚小。上隅角瓦斯時常超限，但超限范圍較小，所以在工作面上部支架頂梁下安設了2臺5.5kW的局部通風機，連接風筒向上隅角供風，通風機實現了三專兩閉鎖功能，并由通風部門專人看管，解決了上隅角局部瓦斯超限的問題。

2.4 采用均壓通風技術抑制采空區有害氣體涌出

白芨溝礦煤層賦存淺，地表無黃土覆蓋層，工作面開采后，采空區就形成溝通地表的裂縫，工作面配風困難，在2321(四)綜放工作面開采時，應用了主、輔通風機聯合運轉，抽、壓結合的通風方式解決漏風問題，技術比較成熟。2421(二)工作面開采時，同樣存在著采空區漏風問題，且漏風將采空區大量瓦斯帶入工作面。所以在工作面回風側設置調量風門，與井底的輔助通風機配合采用了均壓通風技術，使工作面處于微負壓狀態，回風量較進風量略大，這樣既有效抑制了漏風，也控制了采空區瓦斯大量涌出，減輕了工作面風排瓦斯壓力。

2.5 防滅火技術措施

工作面均壓通風解決了漏風問題，阻止了采空區有害氣體的涌出，也阻止了采空區供氧，抑制了浮煤的氧化自燃，但也造成采空區內積聚高濃度瓦斯，且發火隱患在井下不易被發現。由于2421(一)采空區瓦斯爆炸引起采空區著火面積大，灌漿死角仍存在隱蔽的火點和高溫異常區域，受采掘動壓影響，漏風通道小，有可能完全消除，只要形成供氧條件，就有復燃的可能。經過多方面分析，控制瓦斯涌出是不現實的，只有從防滅火角度出發，才能避免火與瓦斯同時出現，保證工作面安全生產。

(1)超前探測。在工作面前方已經施工的回風巷道、運輸巷道、工藝巷、瓦斯引放巷內向采空區施工探火鉆孔，安排專人采集氣樣，用色譜化驗分析氣體成分，判定前方采空區狀態，如出現CO等標志性氣體時，及時在地面對應位置施工滅火鉆孔，灌注滅火材料，提前處理。

(2)常規監測。由于工作面上覆采空區存在高溫發火異常，加強了工作面常規檢測手段的應用。以瓦檢員定點檢查為主，包括上分層采空區密閉、工作面回風巷、上隅角、支架后尾梁、工藝巷、瓦斯引放巷等地點氣體濃度、空氣溫度及淋水點溫度，根據檢查情況判斷工作面開采范圍內采空區發火狀況，提供采取處理措施的依據。另外以束管檢測為輔，根據工作面推進，分別在采空區密閉內、上隅角采空區、下隅角采空區等重點防火部位埋設探頭，每班抽取氣樣化驗分析氣體變化情況，判斷發火征兆。

(3)高強度注氮。從地面、井下向工作面后部采空區、前方采空區連續注氮。地面利用灌漿鉆孔交替向采空區注氮，連續注氮3～5d后，灌注各種滅火材料，再人工采集氣樣分析氣體變化情況，氣體濃度穩定后更換其它鉆孔。井下可以從下隅角向后部采空區注氮以及從工藝巷、運輸巷道探火鉆孔向前方采空區注氮，保證工作面開采前方100m范圍內采空區氧濃度低于7%。高強度的注氮可以惰化采空區，降低氧濃度，起到防火作用，亦可抑制瓦斯爆炸。

(4)地面灌漿、注膠、注三相泡沫覆蓋隱患區域。高熱區主要存在于地面鉆孔灌漿死角和無鉆孔的空白區域，受采掘活動影響，高熱區域得到漏風供氧后，發展蔓延快，并隨漏風區域的增大，向工作面推進前方延伸。采取從工作面附近逐漸向前方實施滅火措施，井下邊掘邊探，地面有針對性的增加灌漿鉆孔，填補空白區域，縮小灌漿死角。選擇價格便宜，制備方便的黃土為灌漿材料灌注，同時配入適量復合膠體添加劑，增加泥漿稠度，堆積采空區裂隙，抬高灌漿水位，對降溫滅火起到一定效果。在出現有明顯發火跡象時，及時灌注膠體材料、三相泡沫覆蓋火點，起到明顯滅火作用。

3 結論

(1)通過數值模擬發現，瓦斯抽放量和抽放位置對采空區漏風場影響較大。一般情況下隨著抽放管道進入采空區深度的增加，采空區漏風強度也增加。

(2)現場高瓦斯礦抽放條件下煤自燃防治表明，采用專用排瓦斯巷排放采空區瓦斯，可以降低瓦斯壓力；局部通風機技術可以解決上隅角瓦斯超限問題；均壓技術控制了采空區瓦斯大量涌出，減輕了工作面風排瓦斯壓力；通過現場監測、高強度注氮及地面灌漿、注膠、注三相泡沫覆蓋隱患區域等防治煤自燃綜合措施的實施，避免火與瓦斯同時出現。

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