大采高工作面采空區瓦斯抽采對自燃“三帶”影響

畢建乙 張 輝 王宗貴

（1.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

防治瓦斯與火共生災害時，瓦斯抽采會因抽采強度過大，采空區抽采負壓升高，增大工作面尾部專用排瓦斯巷內外壓差，從而向采空區大量漏風，導致發生采空區煤炭自燃[1]。

近年來科研工作者對此難題開展了大量研究，秦波濤等[2]針對付村礦3下煤層綜放面采空區抽放瓦斯過程容易導致遺煤自燃的難題，開展“抽-注”一體化的綜合治理技術很好地解決了采空區瓦斯與煤自燃的難題；何福勝等[3]在斜溝煤礦開展上隅角淺部埋管抽采與篩管注氮耦合治理技術以防治瓦斯與火共生災害，保障安全生產。本文借助斜溝煤礦18205大采高工作面，采用COMSOL數值模擬采空區自燃“三帶”與瓦斯抽采量和抽采口位置之間的關系，得到瓦斯抽采量與自燃“三帶”之間的關系及瓦斯抽采口的合理區域，以有效指導煤層自然發火和瓦斯治理[4-5]。

1 工作面概況

斜溝煤礦18205工作面位于12采區輔助運輸下山南側，東部、南部、西部均為實煤區，可采走向長度為2800m，傾斜長為264m，煤層傾角平均9.4°，平均厚度4.70m，采用長壁后退式一次采全高采煤方法。

18205工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為14.27m3/min，供風量為2200m3/min，回風流瓦斯濃度最高達到0.65%，只依靠通風不能解決瓦斯難題，加上8#煤為自燃煤層，遺煤容易發生自燃導致瓦斯爆炸，因此需要實施瓦斯抽采。依據18205工作面的具體情況，提出采空區上隅角埋管來抽采瓦斯，18205巷道布置如圖1所示。

圖1 18205工作面巷道布置

2 采空區瓦斯抽采對自燃“三帶”的影響

2.1 現場監測自燃“三帶”

通過在18205回風巷不等距地布置溫度和氣體監測點（測點布置如圖2所示），來實時監測監控18205工作面采空區有毒有害氣體的變化情況。

圖2 束管及溫度傳感器安設布置

針對現場實際回采過程中采空區瓦斯抽采量不能任意變化，因此本次試驗的研究條件是給18205工作面供風2200m3/min，采空區瓦斯抽采量是80m3/h，抽采管路末端與切頂線距離為20m的情況監測采空區O2濃度，利用實測數據得到O2濃度變化曲線并進行分析，得到采空區自燃“三帶”分布規律，采空區O2濃度變化見表1。

表1 實測和模擬結果的比較

2.2 參數設置

采用COMSOL數值模擬采空區流場分布以更加有效地預測預報采空區遺煤自燃，數值模擬的計算范圍為沿18205工作面傾向264m，走向長度160m，煤厚4.7m。入口（進風巷）參數：面積23.56m2（高3.8m，寬6.2m，錨桿、錨索、金屬網、鋼帶聯合支護），出口（回風巷）參數：面積為21.88m2（高度為3.8m，寬度為5.6m，采用錨桿、錨索、金屬網和鋼帶聯合支護）。

由多孔介質Carman公式，得滲透率：

式中：

K-采空區滲透率，m2；

Dm-多孔介質骨架的平均粒徑，m；

n-孔隙率，n=1-1/Kp。

依據邊界層理論計算得到斜溝礦18205工作面采空區滲透率K的擬合曲線為：

2.3 瓦斯抽采量對自燃“三帶”的影響

2.3.1 數值模擬結果分析

設置采空區不同瓦斯抽采量和抽采口與工作面切頂線的距離為20m，自燃“三帶”模擬結果如圖3所示。從圖3得到，瓦斯抽采量升高過程中，氧化升溫帶的范圍緩慢增大。表2為通過模擬計算的采空區氧化升溫帶寬度，發現氧化升溫帶的寬度會隨瓦斯抽采量的增大而增寬，在工作面回風流瓦斯不超限的前提下，將采空區瓦斯抽采量降到最低，可有效防治自然發火。

表2 氧化升溫帶與抽采量的變化關系

圖3 數值模擬氧化升溫帶的分布規律

2.3.2 極限抽采量與推進速度的關系

為了防止采空區遺煤自燃，推進速度需要滿足如下條件：

式中：

τm-遺煤被氧化的時間，d；

Lm-自燃氧化升溫帶寬度，m；

υ1-工作面推進速度，m/d；

18205工作面推進速度為3m/d，根據自燃傾向性鑒定報告得到8#煤層的最短自然發火期為20d，

-煤的最短發火期，d。通過計算得到為了防止采空區遺煤自燃，控制瓦斯抽采量低于31.71m3/h時，氧化升溫帶寬度小于60m，而當瓦斯抽采量超出合理瓦斯抽采量時，采空區容易自燃；瓦斯極限抽采量與推進速度的關系如圖4所示。從圖4發現，瓦斯極限抽采量與開采速度近似成正比，為了采空區不發生自燃，可以提高工作面的推進速度，以保證18205瓦斯抽采量。當工作面以3m/d的推進速度提高到3.2m/d時，18205瓦斯抽采量提高近4倍，由31.71m3/h增加到120m3/h。因此通過合理加快推進速度保證回風流瓦斯濃度低于0.8%，且抽采量低于瓦斯極限抽采量，能更加有效地防治自然發火。

圖4 瓦斯極限抽采量與推進速度的變化關系

2.4 抽采口的位置對自燃“三帶”的影響

為了得到工作面采空區氧化升溫帶與瓦斯抽采口的變化規律，在供風量為2200m3/min和瓦斯抽采量為80m3/h時，設置抽采口與切頂線的距離不同時，模擬采空區自燃“三帶”的范圍，結果見表3。由表3發現，隨著瓦斯抽采口逐漸埋入采空區深部，氧化升溫帶范圍擴大；工作面開采速度是3～3.2m時，采空區氧化升溫帶的范圍為60～64m，抽采管路的抽采口最佳設置區域為與工作面切頂線10～20m的距離。

表3 抽采口不同時氧化升溫帶分布規律

3 采空區瓦斯抽采對自燃的影響

當抽采負壓升高時，導致采空區漏風加大，遺煤自然發火可能性增大；當增大抽采口與工作面切頂線距離時，氧化升溫帶區域擴大，增大了遺煤的自燃危險性。8#煤層為低透氣性煤層，本煤層瓦斯抽采效果很差，需要進行埋管抽采，如果抽采量增大及抽采口與切頂線很遠，使遺煤自燃更容易發生。為了防止采空區自然發火，理論計算確定當推進速度是3m/d時，18205采空區瓦斯極限抽采量為31.71m3/h；通過加快開采速度到3.2m/d時，瓦斯極限抽采量升高4倍，增大到120m3/h，瓦斯抽采率顯著提高，且阻止了采空區遺煤自燃。所以為了防止采空區自燃和提高瓦斯抽采效果，確定最佳的抽采參數對平衡二者之間的矛盾至關重要。

4 結論

（1）通過模擬結果發現：當工作面以3m/d的開采速度加快到3.2m/d時，18205采空區的瓦斯極限抽采量升高近4倍，從31.71m3/h升高到120m3/h，大幅度提高了采空區的瓦斯抽采量。

（2）由擬合曲線發現，采空區遺煤自燃危險性跟瓦斯抽采量成正比。因此合理提高工作面的開采速度，達到增加瓦斯抽采量且小于瓦斯極限抽采量的目的，以有效防治遺煤自然發火。

（3）埋進采空區的抽采管路越深，氧化升溫帶朝采空區深部區域移動，根據現場試驗發現，最佳的瓦斯抽采口設置在與工作面切頂線的距離為10～20m，但是此時的瓦斯抽采效率仍需開展大量的研究。