高瓦斯礦井采空區瓦斯與遺煤自燃綜合防治技術

苗建中，高慧奇

(潞安集團 余吾煤業有限公司，山西 長治 046103)

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·試驗研究·

高瓦斯礦井采空區瓦斯與遺煤自燃綜合防治技術

苗建中，高慧奇

(潞安集團 余吾煤業有限公司，山西 長治 046103)

針對潞安集團某高瓦斯礦井綜放開采過程中采空區煤層易自燃問題，以N2202工作面為工程背景，采用水平分支井對工作面瓦斯進行抽采，同時對采空區注入CO2氣體防治采空區自然發火。基于FLUENT通過CFD軟件包對該工作面注入CO2前后采空區內CH4氣體濃度進行數值模擬，結果表明，對采空區注入CO2氣體使得CH4氣體濃度梯度分布向采空區深部移動，并能有效對采空區內瓦斯積聚帶瓦斯濃度進行稀釋。CO2氣體的注入使得采空區內氧化帶范圍減小，同時致使吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，在防治采空區自然發火的同時有效提高了水平分支井對采空區瓦斯抽采效率。該研究成果為受煤層高瓦斯和自燃影響的礦井提供了一定的借鑒意義。

高瓦斯礦井；采空區；自燃；水平分支井；CO2氣體；氣體置換

我國煤層瓦斯儲量巨大，礦井開采過程中瓦斯資源充分利用可以減小發生瓦斯致災的幾率，還能提高煤炭企業的經濟效益。據相關統計，全國約有56%的煤礦存在自燃發生問題，具有自然發火危險的煤層占可采煤層總數的60%，其發生的自燃災害次數占總自燃次數的70%以上[1，2]. 本文以潞安某高瓦斯礦井開采過程中瓦斯涌出量大、采空區浮煤易自燃為工程背景，采用水平分支井對工作面瓦斯進行抽采的同時，對采空區注入CO2氣體防治采空區自然發火，對煤層瓦斯和自燃的綜合治理有著重要的意義。

1 工程概況

潞安集團某礦北風井東翼采區主要開采3號煤層，煤層傾角4°～11°，平均傾角7°，煤層厚度5.82～6.95 m，平均厚度6.27 m，綜放開采。自2006年投產以來，該礦井瓦斯涌出量呈現逐年增大的趨勢，2014年礦井絕對瓦斯涌出量高達254.89 m3/min，其中采空區瓦斯涌出量占工作面風排瓦斯量的比例為17.24%～25.86%，因此對采空區進行瓦斯抽采至關重要。3號煤層自燃傾向性為II級，屬于自燃煤層，煤層最短自燃發火期為52天。

對于工作面采空區瓦斯涌出量較大的難題，采用水平分支井在地面對采空區瓦斯進行負壓抽采，關于水平分支井地面負壓對工作面瓦斯抽采的研究，孟君等[3]已經進行了深入的研究，并且該技術已經在該礦應用成熟。在實施瓦斯抽采的過程中，極易造成采空區漏風，考慮到3號煤層為自燃煤層，瓦斯抽采引起的漏風、覆巖裂隙場發育、氧化蓄熱大于漏風散熱等不利因素[4]，對綜放開采時采空區中遺留的浮煤自燃有明顯的促進作用，從而導致采空區自燃等新的災害的出現。針對3號煤層采空區存在的高瓦斯和易自燃等問題，提出了在對采空區進行瓦斯抽采的前提下，對采空區注入CO2防治煤層自燃的技術思路，并在N2202工作面回采階段進行了現場試驗，系統示意圖見圖1.

為了研究在采空區中注入CO2氣體時對采空區內原有CH4氣體的置換吸附效果，采用混合粒徑煤樣來模擬還原采空區煤體破碎塊體大小的不均勻性，取3組混合粒徑(0.075～0.5 mm、0.5～2 mm、2～5 mm、>5 mm)煤巖各50 g，在常溫常壓狀態下，使其處于CH4氣體吸附飽和狀態。在此基礎上，注入CO2氣體使其趨于吸附飽和狀態，3組煤樣的置換吸附實驗結果見表1. 由表1可知，注入CO2氣體能夠很好地對煤樣中的CH4氣體進行置換吸附，常溫常壓下置換吸附平均比率高達20.58%. 因此，對采空區注入CO2氣體能夠起到提高采空區內游離狀態的CH4氣體量的作用，在防治采空區自燃的基礎上提高采空區瓦斯抽采率。

圖1 工作面采空區注入CO2氣體及瓦斯抽采系統示意圖

表1 CO2氣體置換吸附實驗結果表

2 采空區注入CO2氣體后自燃“三帶”特征

2.1 注入CO2氣體采空區數值模擬

根據N2202工作面地質條件，對N2202工作面回采過程中工作面瓦斯涌出量進行統計平均，可知其平均瓦斯涌出量為81.79 m3/min. 根據現場監測數據可知，采空區內不同深度位置處平均瓦斯涌出量與工作面平均瓦斯涌出量存在式(1)所示關系：

(1)

式中：

QCH4—工作面平均瓦斯涌出量，m3/min；

L—工作面傾向長度，m；

x—采空區不同深度處，m.

通過公式(1)可以計算出采空區不同深度x處的瓦斯涌出量，CO2氣體注入位置設置在距離工作面30 m的采空區內，注入量取值1 000 m3，工作面通風量取值1 500 m3/min，采空區漏風量取值300 m3/min，采空區冒落帶和裂隙帶高度根據現場勘測情況取值50 m. 基于FLUENT通用CFD軟件包對N2202工作面注入CO2氣體前后采空區內CH4氣體濃度進行數值模擬，模擬結果見圖2. 由圖2可知，CO2氣體注入前高濃度瓦斯在采空區深部高度集中，且容易在回風平巷側形成靠近工作面的瓦斯積聚帶，瓦斯濃度高達60%～70%.當對工作面采空區注入CO2氣體后，采空區內CH4氣體濃度梯度明顯向采空區深部轉移，且回風平巷側形成的靠近工作面的瓦斯積聚帶由于CH4氣體濃度的降低而得以消除，可見CO2氣體的注入使得采空區內CH4氣體濃度梯度分布向采空區深部移動，并能夠有效的對采空區內瓦斯積聚帶內瓦斯濃度進行稀釋。

圖2 采空區CH4氣體濃度云圖

2.2 采空區注入CO2氣體現場試驗

對采空區注入CO2氣體時會打破采空區原有多組分氣體的狀態而使其進行運移，導致采空區氣體分布規律發生變化，進而影響到采空區自燃“三帶”的分布狀態。以采空區O2氣體分布情況來推斷采空區浮煤氧化狀況，進而劃分出采空區自燃“三帶”[5]. 在N2202工作面回采過程中，對采空區進行了為期3個月的CO2氣體注入工業性試驗，采用束管監測點對采空區注入CO2氣體前后采空區內氣體濃度變化情況進行監測。CO2氣體注入量要能夠滿足采空區氧化帶內遺留浮煤所需，注入量可以按式(2)進行計算：

(2)

根據以往監測結果，采空區氧化帶內漏風量Q0取值10 m3/min，氧化帶內O2氣體濃度上限平均值C1按10%計算，采空區內惰化防火指標C2按臨界O2氣體濃度達到5%為完成指標，注入采空區內的CO2氣體濃度CN按99%計算，備用系數K取值1.35，則可計算出采空區注入CO2氣體量QN應滿足900 m3. 因為N2202工作面為綜放開采，考慮到工作面每天推進距離較短，而每噸液態CO2氣體約為600 m3，因此采用日夜各注入一次CO2氣體，每次注入1.5 t左右。

采空區束管監測點隨著進入采空區距離的增大，其監測氣體濃度變化曲線見圖3. 圖3a)為注入CO2氣體前監測到的采空區氣體變化規律，從圖3a)可知O2氣體隨著監測點進入采空區距離的增大而逐漸減小，在采空區深部35 m位置處O2氣體濃度依舊高達18.5%以上，直致采空區深部100 m位置處O2氣體濃度下降至10%以下，最終濃度趨于穩定在3%左右。圖3b)為注入CO2氣體后監測到的采空區氣體變化規律，CO2氣體注入位置為采空區深部30 m處，注入CO2氣體后N2202工作面回風平巷以及上隅角等位置處的O2氣體濃度依舊能夠保持在20 %左右，這與未注入CO2氣體時基本一致，說明注入CO2氣體不對采掘工作面安全生產造成影響。大量CO2氣體的注入致使O2氣體濃度在采空區深部20 m位置處低于15%，在采空區深部70 m位置處O2氣體濃度下降至10%以下，最終濃度趨于穩定在2%左右。由于N2202工作面采用綜放開采，采空區中遺留的大量浮煤解吸產生了大量的CH4氣體，并積聚在采空區內。在整個束管監測范圍內，CH4氣體濃度在采空區深部100 m位置處開始趨于穩定，未注入CO2氣體時濃度穩定于20%左右，注入CO2氣體時濃度穩定于35%左右，可見，CO2氣體的注入使得采空區內原來吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，可更好地利用水平分支井對采空區瓦斯進行抽采。

圖3 采空區氣體隨埋入距離變化曲線圖

根據束管監測點對采空區氣體濃度的監測結果，以O2氣體濃度為依據對采空區自燃“三帶”進行劃分，N2202工作面采空區注入CO2氣體前后自燃“三帶”劃分見圖4. 由圖4可知，CO2氣體的注入使得采空區中窒息帶的范圍增大，氧化帶范圍減小，并使得氧化帶范圍內的煤體惰性增強，減小了采空區氧化自燃的可能性。

圖4 采空區CO2氣體注入前后“三帶”分布變化圖

3 瓦斯抽采監測

對N2202工作面采空區采用水平分支井進行地面抽采瓦斯時，注入CO2氣體前后瓦斯抽采量基本不受影響，在27.6 m3/min上下波動，見圖5a). 對于抽采氣體中CH4氣體和CO2氣體濃度監測結果見圖5b). 從圖5可知，對采空區注入CO2氣體后，CH4氣體監測濃度呈現增大趨勢，由原先平均濃度35.61%增高至49.25%，而CO2氣體監測濃度基本穩定在3.3%左右，說明對采空區注入CO2氣體防滅火能夠有效提高瓦斯抽采濃度，同時注入的CO2氣體能夠基本保留于采空區內，不會隨著瓦斯抽采而被抽出。

圖5 注入CO2氣體前后水平分支井瓦斯抽采監測數據曲線圖

4 結 論

1) 針對某高瓦斯礦井綜放開采過程中采空區易自燃問題，提出采用水平分支井地面負壓抽采采空區積聚瓦斯，并對采空區注入CO2氣體防治采空區自

然發火問題。

2) 數值模擬結果表明，對采空區注入CO2氣體能夠使得CH4氣體濃度梯度分布向采空區深部移動，并能夠有效地對采空區瓦斯積聚帶內瓦斯濃度進行稀釋。現場試驗表明，以O2氣體濃度為依據對采空區自燃“三帶”進行劃分，CO2氣體的注入使得采空區中窒息帶的范圍增大，氧化帶范圍減小，減小了采空區氧化自燃的可能性。

3) 采空區埋入的束管監測點以及水平分支井抽采氣體監測結果均表明，CO2氣體的注入使得采空區內原來吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，有效地提高水平分支井對采空區瓦斯抽采效率。

[1] 王銀輝，艾 興，趙 濤，等．高瓦斯沿空留巷采空區自燃危險區域數值模擬[J]．中國安全生產科學技術，2017，13(4)：53-57．

[2] 張 超．高瓦斯易自燃煤層采空區CO2防滅火技術研究[D]．太原：太原理工大學，2015．

[3] 孟 君．水平分支井技術在地面負壓抽采目的層瓦斯中的應用[J]．煤礦開采，2014，19(5)：86-88．

[4] 楊增強，曹 明，劉 磊，等．采用氡氣預測煤礦自然發火[J]．煤礦安全，2010，12(7)：45-47．

[5] 文 虎，張 澤，趙慶偉，等．煤層分層前后采空區自燃“三帶”的數值模擬[J]．煤礦安全，2017，48(3)：178-181．

Comprehensive Prevention and Control Technology for Gas and Coal Spontaneous Combustion in High Gassy Coal Mine

MIAO Jianzhong, GAO Huiqi

Gob side in a coal mine in Lu′an Group is prone to coal powder spontaneous combustion, the engineering in N2202 face is observed in this paper. The Y shaped tunnels are used for gas drainage, meanwhile the CO2is injected to the goaf area to prevent possible spontaneous combustion. Based on FLUENT with CFD, The concentration of CH4in the goaf before and after the injection of CO2in the working face is numerically simulated. The results showed that CO2injection to the goaf made the CH4distributed in a gradient and profile way, and can effectively dilute the gas concentration. Injection of CO2makes the goaf oxidation zone decreased, part of the CH4gas adopted inside coal is replaced, spontaneous combustion prevented, gas drainage efficiency also increased.

High-gas mine; Goaf; Spontaneous combustion; Horizontal multilateral well; CO2; Gas replacement

2017-03-25

苗建中(1967—)，男，山西襄垣人，2017年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事巷道掘進管理工作

(E-mail)iceiceice185@163.com

TD75+2.2

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1672-0652(2017)05-0004-04