大直徑鉆孔瓦斯抽采對采空區遺煤自燃影響研究

郭志鋒 周鈺博 岳治勇

（1.山西石泉煤業有限責任公司，山西 長治 046000；2.華電煤業集團有限公司，北京 100035）

石泉煤礦為高瓦斯礦井，采用綜采放頂煤開采，全部垮落法處理頂板。由于高瓦斯礦井煤層開采后形成的采空區內部環境非常復雜，且氧化升溫是動態變化的過程，不同的采煤方法、通風方式及瓦斯抽采方式等因素直接影響著遺煤自燃。高瓦斯煤層開采過程中，瓦斯抽采治理與采空區遺煤自燃相互制約，采用大直徑瓦斯抽采和增大風量會引起漏風量增加，導致遺煤加速自燃，而通過減小風量或封堵控制遺煤自燃，又增加了采空區瓦斯爆炸危險，特別是放頂煤開采采空區遺煤量較大，氧化升溫達到自燃點更易引起自燃災害和瓦斯爆炸，直接威脅礦井的安全生產[1-3]。目前，很多學者已針對采空區遺煤氧化升溫進行了大量研究，盧平等[4]研究了潘三煤礦工作面頂板走向長鉆孔卸壓瓦斯抽放和本煤層順層孔抽放等瓦斯與煤自燃綜合治理技術。李宗翔等[5]通過總結研究采空區遺煤氧化環境-自燃升溫規律，詳細分析了自燃采空區遺煤耗氧-升溫的區域分布特征。采用數值模擬分析了821 工作面高位鉆孔抽放瓦斯條件下采空區漏風及氧氣濃度分布特征，得出了采空區遺煤自燃區域分布規律，研究了高位瓦斯抽采鉆孔抽采壓力對綜放采空區遺煤自燃范圍的影響[6]。大直徑鉆孔瓦斯抽采技術是近年來才興起并應用在高瓦斯礦井[7-11]，對于該技術條件下的采空區遺煤自燃致災風險規律的研究還處于初級階段，通過研究大直徑鉆孔抽采對采空區遺煤自燃的影響，對高瓦斯礦井的安全生產有著非常重要的現實意義。

本文以石泉煤礦30107 工作面為試驗區，結合現場實際條件，通過具有高可重復性、低成本的數值模擬手段對大直徑鉆孔深入采空區不同位置時的氧氣濃度和溫度場進行模擬分析，并通過現場監測采空區內氧氣濃度及溫度場分布情況與數值模擬結果進行對比來研究在大直徑鉆孔抽采條件下氧化升溫致災風險區域劃分，探索和分析大直徑鉆孔抽采技術對采空區遺煤自燃的影響規律，為具有類似地質技術條件的采空區遺煤氧化升溫致災風險的礦井提供參考。

1 概況

30107 綜放工作面所采煤層為3#煤，煤層平均厚度為6.0 m，傾角平均5°，埋深平均400 m，頂板為砂巖，底板為砂質泥巖。礦井瓦斯絕對涌出量44.34 m3/min，瓦斯相對涌出量11.72 m3/t，原始瓦斯壓力0.62 MPa，為高瓦斯礦井。采用綜采放頂煤開采，全部垮落法處理頂板，工作面采用U 型通風。

2 大直徑鉆孔瓦斯抽采條件下遺煤氧化升溫自燃數值模擬

大直徑鉆孔瓦斯抽采技術是應用在高瓦斯礦井中解決上隅角瓦斯超限問題的抽采技術，其是通過大直徑鉆機施工大直徑瓦斯抽采鉆孔，形成由鄰近巷道側向抽采工作面回風側的抽采鉆孔，實現大流量、低負壓瓦斯抽采，提升了抽采效率和瓦斯治理效果。該技術主要是以瓦斯治理為主，而缺少不同位置瓦斯抽采鉆孔對采空區遺煤自燃的影響分析。通過建立數值模擬模型，模擬瓦斯抽采鉆孔在不同位置采空區內自燃帶及溫度場的變化，探究大直徑鉆孔瓦斯抽采條件下遺煤氧化升溫規律。

2.1 數值模擬物理模型及參數設定

Fluent 數值模擬軟件是基于完全非結構化網格的有限體積法，采用單元梯度算法，可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內的各種復雜流場。通過Fluent 模擬軟件模擬瓦斯抽采鉆孔距工作面不同距離采空區內自燃帶范圍和溫度場的變化情況，分析大直徑鉆孔抽采對采空區遺煤自燃的影響規律。

模型參數：30107 綜放工作面長度180 m，切眼寬6 m；采空區長度260 m，寬180 m，高20 m；進回風巷寬5 m，高3.2 m；大直徑抽采鉆孔孔徑為250 mm。

數值模型邊界條件：進風巷道口邊界條件設為速度入口，設置風速為2 m/s，氧氣體積分數為21%；回風巷道口設為自由出口；大直徑鉆孔抽采口設為速度入口，設置風速為-7.8 m/s；工作面與采空區、抽采孔與采空區的交界處分別設為一對內界面，其他面設為墻體，采空區區域設置為多孔介質并對孔隙率、滲透率進行UDF 程序編譯，采空區瓦斯涌出量為4.78 m3/min，工作面孔隙率設為95%。

2.2 采空區內遺煤自燃帶范圍數值模擬分析

數值模擬中，通過設置大直徑瓦斯抽采鉆孔深入采空區不同位置，模擬大直徑瓦斯抽采鉆孔距工作面距離L分別為15 m、25 m、35 m 和45 m 時采空區內遺煤自燃帶范圍（為了保證瓦斯抽采效果，鉆孔不應深入采空區45 m）。自燃帶范圍按采空區內氧氣濃度和漏風風速兩種方法確定。當采空區內氧氣濃度分布在5%～18%或漏風強度在0.1～0.24 m/min 范圍時，該區域屬于自燃帶。兩種方法模擬結果在模擬圖中顯示（其中兩等值線之間區域代表氧氣濃度自燃帶范圍，云圖區域代表漏風強度自燃帶范圍），模擬結果均為高度z=1 m 的截面圖，模擬結果見圖1、表1。

表1 鉆孔距工作面距離與自燃帶寬度關系 m

圖1 采空區遺煤氧化自燃帶范圍

根據數值模擬結果，通過速度場判斷采空區自燃帶范圍。由圖1 和表1 可知，隨著大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，自燃帶在進風側深度保持不變，均為20 m，寬度逐漸增加。自燃帶在回風側深度增加，寬度增加，且受瓦斯鉆孔抽采的影響，在鉆孔附近的漏風強度大于0.24 m/min，形成一塊非自燃帶區域。當大直徑抽采鉆孔距工作面距離由15 m 增大到25 m 時，由于鉆孔還處于采空區淺部，多孔介質孔隙率較大，漏風強度大于0.24 m/min 的區域增加，自燃帶深度由20 m 增大到28 m。隨著鉆孔繼續深入采空區，受上覆巖層應力作用，采空區逐漸被壓實，介質孔隙率減小，風阻增大，深入采空區的鉆孔對采空區淺部區域風流滲流的影響減弱，導致漏風強度小于0.24 m/min 的區域增大，自燃帶深度逐漸由28 m 減少到20 m。

通過采空區氧氣濃度場判斷自燃帶范圍。隨著大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，自燃帶在進風側深度由56 m 增大到62 m 后保持不變，寬度逐漸增大；自燃帶在回風側深度不變，寬度增加；自燃帶在中間區域深度不變，寬度增加。整體上，隨著鉆孔距工作面距離的增大，通過速度場和氧氣濃度場判斷的自燃帶區域均呈現逐漸增大的趨勢，不利于預防采空區遺煤自燃。

2.3 采空區內溫度場數值模擬分析

模擬以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面不同距離（L為15 m、25 m、35 m 和45 m）時采空區內溫度場，通過分析不同距離采空區內溫度場分布及變化規律，結合高溫核心區域范圍，判斷容易發生自燃區域。模擬溫度采用開氏溫度（單位K）。采空區內溫度場分布模擬結果如圖2。

由圖2 可知，隨著以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離的增大，采空區高溫區域不斷擴大并向回風側方向延伸。溫度大于313 K 的高溫核心區域變大，位置處于進風側。由進風側到回風側，采空區高溫區域不斷減小。由模擬結果分析可知，漏風流中的氧氣與遺煤發生氧化反應產生熱量，積聚的熱量使采空區內溫度逐漸升高，當溫度達到遺煤燃點即可發生自燃。溫度場中高溫核心區位于進風側深入采空區95～165 m 范圍，結合采空區自燃帶范圍數值模擬結果可知，該區域大部分處于自燃帶范圍，屬于易發生自燃區域。因此，以孔代巷抽采鉆孔距工作面距離越大，采空區易發生遺煤自燃的高溫核心區域也越大，不利于預防自燃，且隨著鉆孔深入采空區，鉆孔周邊范圍也會逐漸形成高溫區，增大了自燃風險，更不利于自燃的管控。

3 現場試驗

通過對采空區氣體和溫度的監測，分析采空區內各點氣體的濃度場和溫度場分布，驗證數值模擬準確性。以30107 綜放工作面為試驗區，將監測點布設在支架后方及工作面兩側順槽內，兩順槽各布置1 個測點，切眼布置3 個測點，溫度測點的布置與束管的安裝同時進行，并將測溫探頭與束管抽氣口處固定到一起。束管及測溫電纜外側采用Φ50 mm 鋼管進行保護，并將其安設在距頂板50 cm 處。工作面測點布置如圖3。

圖3 30107 工作面測點布置圖

通過對以孔代巷抽采鉆孔距工作面距離L分別為15 m、25 m、35 m 和45 m 時的采空區內氧氣濃度和溫度進行監測，分析采空區內各點的氧氣濃度和溫度。由于采空區條件復雜，在束管敷設中可能出現斷裂導致無法采集數據的現象，應將缺失的數據剔除。采空區各測點氧氣濃度和溫度實測結果（以L為15 m 為例）見表2。

表2 采空區各測點氧氣濃度與溫度實測結果

由表2 可知，隨著測點距工作面距離的增大，采空區內氧氣濃度呈現逐漸降低的趨勢，進風側氧氣濃度由19.6%降低為5.3%，回風側氧氣濃度由5.1%降低為1.0%。由于工作面沿程氧氣消耗，由進風側到回風側采空區內氧氣濃度也不斷減小。整體上，工作面采空區淺部氧氣濃度較大，向采空區深部濃度逐漸衰減，呈現出典型的U 型工作面氧氣濃度分布形態。實測氧氣濃度分布規律與數值模擬采空區溫度場分布結果相對應。隨著測點距工作面距離的增大，進風側5#測點采空區溫度不斷增大，而回風側1#測點采空區溫度先減小后增大再減小。距工作面15 m 處，由進風側到回風側采空區溫度逐漸增大；距工作面135 m 處，由進風側到回風側采空區溫度逐漸減小。現場采空區實測溫度分布結果與數值模擬溫度分布規律相一致。對比分析以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離L為15 m 時的采空區各測點氧氣濃度與溫度實測和數值模擬結果發現，實測數值與模擬數值相差較小，氧氣濃度最大差異值為0.7%，溫度最大差異值為0.8 K，且各測點實測數值隨鉆孔距工作面距離的變化趨勢與模擬結果基本一致，表明了模擬結果的可靠性。

4 結論

1）以采空區自燃帶范圍為基礎，進一步模擬采空區溫度場，可以直觀反映大直徑瓦斯抽采鉆孔位置對采空區自燃帶范圍的影響規律，并對自燃帶范圍模擬結果起到間接驗證的作用。

2）模擬表明以孔代巷大直徑抽采鉆孔距工作面距離增大，通過速度場和氧氣濃度場判斷的自燃帶區域均增大，最易發生自燃的高溫核心區域也增加，且隨著鉆孔深入采空區，鉆孔周邊范圍也會逐漸形成高溫區，提高自燃風險，更不利于采空區自燃的控制。

3）氧氣濃度與溫度場模擬結果與采空區各測點實測結果相比，氧氣濃度最大差異值為0.7%，溫度最大差異值為0.8 K，表明實測值與模擬值相差很小，驗證了模擬結果的可靠性，為以孔代巷大直徑鉆孔瓦斯抽采技術采空區自燃災害防治提供依據。