高位巷道瓦斯抽采對(duì)煤自燃三帶分布影響研究

安朝峰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

瓦斯災(zāi)害和煤自燃是礦井開采的兩大主要災(zāi)害，而礦井瓦斯和煤層自燃的并存對(duì)礦井生產(chǎn)以及人員安全構(gòu)成了雙重威脅。礦井瓦斯抽采在解決瓦斯的同時(shí)會(huì)引發(fā)采空區(qū)漏風(fēng)，加劇采空區(qū)遺煤自燃，反過來(lái)，煤體自燃又可能會(huì)引發(fā)瓦斯燃燒和瓦斯爆炸[1-3]，因此，為達(dá)到瓦斯和煤自燃的兼顧防治，探究瓦斯和煤自燃間的關(guān)聯(lián)性成為實(shí)現(xiàn)瓦斯和煤自燃雙重防治的關(guān)鍵，針對(duì)瓦斯和煤自燃間的關(guān)聯(lián)性，大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了豐碩成果，周福寶[4-5]提出裂隙場(chǎng)、CH4濃度場(chǎng)、O2濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多場(chǎng)交匯致災(zāi)機(jī)理及防控技術(shù)；褚廷湘等[6]表明瓦斯抽采及上覆巖層的裂隙發(fā)育為采空區(qū)浮煤氧化提供了漏風(fēng)通道及動(dòng)力，加劇了采空區(qū)浮煤的氧化；宋萬(wàn)新等[7]通過含瓦斯風(fēng)流條件下煤的低溫氧化，得到隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低或甲烷體積分?jǐn)?shù)的升高，CO生成的初始溫度滯后；李宗翔[8]研究分析了瓦斯涌出對(duì)煤自燃的影響，得出采空區(qū)內(nèi)高強(qiáng)度的瓦斯涌出削弱了煤的自燃氧化進(jìn)程；秦波濤[9]針對(duì)抽放瓦斯過程易引發(fā)煤自燃的特點(diǎn)，提出了近距離煤層綜放面瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治技術(shù)；楊勝?gòu)?qiáng)[2]提出高瓦斯易自燃采空區(qū)立體抽采條件下散熱帶和自燃帶的劃分方法。

高位巷道瓦斯抽采是國(guó)內(nèi)瓦斯抽采的主要手段，在實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯安全共采方面得到了廣泛應(yīng)用，而關(guān)于高位巷道瓦斯抽采對(duì)采空區(qū)煤自燃“三帶”分布影響規(guī)律方面，國(guó)內(nèi)外也鮮見報(bào)道，鑒于此，文中借助某礦401101工作面實(shí)際情況，研究高位巷道瓦斯抽采對(duì)采空區(qū)煤自燃“三帶”分布的影響。

1 高位巷道抽放下采空區(qū)自燃“三帶”劃分

工程實(shí)踐中劃分自燃“三帶”最常用的方法為氧氣體積分?jǐn)?shù)法，采空區(qū)煤自燃“三帶”的分布規(guī)律受到影響，主要取決于區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生改變所致，高位巷道抽采條件下采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)降低原因主要有3方面：①采空區(qū)遺煤發(fā)生煤氧復(fù)合反應(yīng)過程與氧氣的化學(xué)反應(yīng)及化學(xué)吸附；②遺煤解吸瓦斯及鄰近煤層瓦斯涌入對(duì)氧氣的稀釋作用；③高位巷道在抽采瓦斯過程中攜帶走部分氧氣。

傳統(tǒng)劃分自燃“三帶”的氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)指標(biāo)，散熱帶：O2%>15%，自燃帶：15%≥O2%≥5%，窒息帶：O2%<5%，但其并未考慮上述②、③方面對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的影響，因此需對(duì)傳統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)修正。

1.1 自燃帶與窒息帶分界線界定

瓦斯作為一種窒息性氣體，對(duì)煤的自燃起到抑制作用，當(dāng)氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，遺煤在缺氧的環(huán)境中自燃過程無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，自燃帶與窒息帶的分界線仍可采用氧氣體積分?jǐn)?shù)5%來(lái)進(jìn)行界定。

1.2 散熱帶與自燃帶分界線界定

根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)知，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流任一流線上氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化方程

lnφ(O2)=kt+C

(1)

式中：φ(O2)—氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；t—漏風(fēng)流從漏風(fēng)入口向采空區(qū)深部滲流運(yùn)移過程所經(jīng)歷時(shí)間，s；k—反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；C—積分常數(shù)。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入的是新鮮空氣，按照傳統(tǒng)的自燃“三帶”劃分方法，在采空區(qū)漏風(fēng)流的入口，t=0時(shí)，φ(O2)=0.21，散熱帶與自燃帶分界線處，t=t1時(shí)，φ(O2)=0.15，得到

kt1=ln(5/7)

(2)

當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)流中是含瓦斯空氣時(shí)，在采空區(qū)漏風(fēng)流的入口，t=0時(shí)，φ(O2)=0.21(1-φ(CH4))，當(dāng)假定從漏風(fēng)流入口到散熱帶與自燃帶分界線這一區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛缺３植蛔儯捶纸缇€處瓦斯體積分?jǐn)?shù)與漏風(fēng)流入口相等，且高位巷道抽采對(duì)散熱帶氧氣體積分?jǐn)?shù)無(wú)影響時(shí)，t=t1時(shí)

lnφ(O2)=kt1+C=ln(5/7)+0.21(1-φ(CH4))=ln[0.15(1-φ(CH4))]

(3)

因此，散熱帶與自燃帶分界處氧氣體積分?jǐn)?shù)

φ(O2)=0.15(1-φ(CH4))

(4)

風(fēng)流經(jīng)過散熱帶氧氣體積分?jǐn)?shù)的理論降低值為

Δφ(O2)=0.06(1-φ(CH4))

(5)

由于遺煤解吸及鄰近煤層瓦斯的涌入導(dǎo)致散熱帶內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不斷發(fā)生變化，同時(shí)高位巷道抽采過程也會(huì)帶走部分氧氣，確定散熱帶和自燃帶分界線處的氧氣體積分?jǐn)?shù)就會(huì)更加困難[10]，為簡(jiǎn)化處理，用散熱帶平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示整個(gè)散熱帶的瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化，用高位巷道中平均氧氣分?jǐn)?shù)來(lái)表示高位巷道對(duì)散熱帶內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響，得到

(6)

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 自燃“三帶”數(shù)據(jù)分析

高位巷道瓦斯抽采參數(shù)確定及抽采效果都受采場(chǎng)上覆巖層垮落和破斷形態(tài)影響[11]，采空區(qū)自燃“三帶”與采場(chǎng)上覆巖層垮落和破斷形態(tài)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]，因此在上覆巖層進(jìn)入相對(duì)比較穩(wěn)定的垮落階段時(shí)，開始進(jìn)行采空區(qū)埋管氣體取氣監(jiān)測(cè)并進(jìn)行氣相色譜分析，得到采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的氧氣分?jǐn)?shù)降低值見表1。

2.2 自燃“三帶”劃分結(jié)果

2.3 理論分析

高位巷道在負(fù)壓抽采作用下，采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙帶與高位巷道形成漏風(fēng)通道，抽采負(fù)壓使深部采空區(qū)氣體滲流運(yùn)移至高位巷道，而采空區(qū)淺部的氣體會(huì)不斷的流入采空區(qū)深部，補(bǔ)充深部采空區(qū)氣體中的氧氣含量，導(dǎo)致深部采空區(qū)因有效的氧氣補(bǔ)給而使氧氣體積分?jǐn)?shù)維持在相對(duì)較高而且穩(wěn)定的水平，致使原為窒息帶的區(qū)域重新滿足自燃帶的氧氣體積分?jǐn)?shù)條件，進(jìn)而演變?yōu)樽匀紟Вc無(wú)高位巷道抽采條件下相比，采空區(qū)自燃帶邊界向采空區(qū)深部延伸，分布范圍寬度加寬，窒息帶范圍則向采空區(qū)更深部移動(dòng)，高位巷道抽采負(fù)壓越大，漏風(fēng)的比流量越大，漏風(fēng)也越嚴(yán)重，采空區(qū)自燃帶范圍加寬的幅度相對(duì)越大，而采空區(qū)的窒息帶范圍向采空區(qū)深部移動(dòng)距離加大。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果處理

表2 有無(wú)高位巷抽采條件下煤自燃三帶實(shí)際分布范圍

3 結(jié)論

(1)高位巷抽采條件下，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶與自燃帶邊界向深部延伸，自燃帶分布范圍寬度加寬，回風(fēng)側(cè)散熱帶與自燃帶邊界向工作面方向移動(dòng)，自燃帶范圍縮小。

(3)因煤層賦存條件的多樣性，文中研究結(jié)論的普適性仍需進(jìn)一步研究及實(shí)踐論證。