高瓦斯矿井采空区瓦斯与遗煤自燃综合防治技术

苗建中，高慧奇

(潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)



·试验研究·

高瓦斯矿井采空区瓦斯与遗煤自燃综合防治技术

苗建中，高慧奇

(潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)

针对潞安集团某高瓦斯矿井综放开采过程中采空区煤层易自燃问题，以N2202工作面为工程背景，采用水平分支井对工作面瓦斯进行抽采，同时对采空区注入CO2气体防治采空区自然发火。基于FLUENT通过CFD软件包对该工作面注入CO2前后采空区内CH4气体浓度进行数值模拟，结果表明，对采空区注入CO2气体使得CH4气体浓度梯度分布向采空区深部移动，并能有效对采空区内瓦斯积聚带瓦斯浓度进行稀释。CO2气体的注入使得采空区内氧化带范围减小，同时致使吸附于煤体中的部分CH4气体被置换出来，在防治采空区自然发火的同时有效提高了水平分支井对采空区瓦斯抽采效率。该研究成果为受煤层高瓦斯和自燃影响的矿井提供了一定的借鉴意义。

高瓦斯矿井；采空区；自燃；水平分支井；CO2气体；气体置换

我国煤层瓦斯储量巨大，矿井开采过程中瓦斯资源充分利用可以减小发生瓦斯致灾的几率，还能提高煤炭企业的经济效益。据相关统计，全国约有56%的煤矿存在自燃发生问题，具有自然发火危险的煤层占可采煤层总数的60%，其发生的自燃灾害次数占总自燃次数的70%以上[1，2]. 本文以潞安某高瓦斯矿井开采过程中瓦斯涌出量大、采空区浮煤易自燃为工程背景，采用水平分支井对工作面瓦斯进行抽采的同时，对采空区注入CO2气体防治采空区自然发火，对煤层瓦斯和自燃的综合治理有着重要的意义。

1 工程概况

潞安集团某矿北风井东翼采区主要开采3号煤层，煤层倾角4°～11°，平均倾角7°，煤层厚度5.82～6.95 m，平均厚度6.27 m，综放开采。自2006年投产以来，该矿井瓦斯涌出量呈现逐年增大的趋势，2014年矿井绝对瓦斯涌出量高达254.89 m3/min，其中采空区瓦斯涌出量占工作面风排瓦斯量的比例为17.24%～25.86%，因此对采空区进行瓦斯抽采至关重要。3号煤层自燃倾向性为II级，属于自燃煤层，煤层最短自燃发火期为52天。

对于工作面采空区瓦斯涌出量较大的难题，采用水平分支井在地面对采空区瓦斯进行负压抽采，关于水平分支井地面负压对工作面瓦斯抽采的研究，孟君等[3]已经进行了深入的研究，并且该技术已经在该矿应用成熟。在实施瓦斯抽采的过程中，极易造成采空区漏风，考虑到3号煤层为自燃煤层，瓦斯抽采引起的漏风、覆岩裂隙场发育、氧化蓄热大于漏风散热等不利因素[4]，对综放开采时采空区中遗留的浮煤自燃有明显的促进作用，从而导致采空区自燃等新的灾害的出现。针对3号煤层采空区存在的高瓦斯和易自燃等问题，提出了在对采空区进行瓦斯抽采的前提下，对采空区注入CO2防治煤层自燃的技术思路，并在N2202工作面回采阶段进行了现场试验，系统示意图见图1.

为了研究在采空区中注入CO2气体时对采空区内原有CH4气体的置换吸附效果，采用混合粒径煤样来模拟还原采空区煤体破碎块体大小的不均匀性，取3组混合粒径(0.075～0.5 mm、0.5～2 mm、2～5 mm、>5 mm)煤岩各50 g，在常温常压状态下，使其处于CH4气体吸附饱和状态。在此基础上，注入CO2气体使其趋于吸附饱和状态，3组煤样的置换吸附实验结果见表1. 由表1可知，注入CO2气体能够很好地对煤样中的CH4气体进行置换吸附，常温常压下置换吸附平均比率高达20.58%. 因此，对采空区注入CO2气体能够起到提高采空区内游离状态的CH4气体量的作用，在防治采空区自燃的基础上提高采空区瓦斯抽采率。

图1 工作面采空区注入CO2气体及瓦斯抽采系统示意图

表1 CO2气体置换吸附实验结果表

2 采空区注入CO2气体后自燃“三带”特征

2.1 注入CO2气体采空区数值模拟

根据N2202工作面地质条件，对N2202工作面回采过程中工作面瓦斯涌出量进行统计平均，可知其平均瓦斯涌出量为81.79 m3/min. 根据现场监测数据可知，采空区内不同深度位置处平均瓦斯涌出量与工作面平均瓦斯涌出量存在式(1)所示关系：

(1)

式中：

QCH4—工作面平均瓦斯涌出量，m3/min；

L—工作面倾向长度，m；

x—采空区不同深度处，m.

通过公式(1)可以计算出采空区不同深度x处的瓦斯涌出量，CO2气体注入位置设置在距离工作面30 m的采空区内，注入量取值1 000 m3，工作面通风量取值1 500 m3/min，采空区漏风量取值300 m3/min，采空区冒落带和裂隙带高度根据现场勘测情况取值50 m. 基于FLUENT通用CFD软件包对N2202工作面注入CO2气体前后采空区内CH4气体浓度进行数值模拟，模拟结果见图2. 由图2可知，CO2气体注入前高浓度瓦斯在采空区深部高度集中，且容易在回风平巷侧形成靠近工作面的瓦斯积聚带，瓦斯浓度高达60%～70%.当对工作面采空区注入CO2气体后，采空区内CH4气体浓度梯度明显向采空区深部转移，且回风平巷侧形成的靠近工作面的瓦斯积聚带由于CH4气体浓度的降低而得以消除，可见CO2气体的注入使得采空区内CH4气体浓度梯度分布向采空区深部移动，并能够有效的对采空区内瓦斯积聚带内瓦斯浓度进行稀释。

图2 采空区CH4气体浓度云图

2.2 采空区注入CO2气体现场试验

对采空区注入CO2气体时会打破采空区原有多组分气体的状态而使其进行运移，导致采空区气体分布规律发生变化，进而影响到采空区自燃“三带”的分布状态。以采空区O2气体分布情况来推断采空区浮煤氧化状况，进而划分出采空区自燃“三带”[5]. 在N2202工作面回采过程中，对采空区进行了为期3个月的CO2气体注入工业性试验，采用束管监测点对采空区注入CO2气体前后采空区内气体浓度变化情况进行监测。CO2气体注入量要能够满足采空区氧化带内遗留浮煤所需，注入量可以按式(2)进行计算：

(2)

根据以往监测结果，采空区氧化带内漏风量Q0取值10 m3/min，氧化带内O2气体浓度上限平均值C1按10%计算，采空区内惰化防火指标C2按临界O2气体浓度达到5%为完成指标，注入采空区内的CO2气体浓度CN按99%计算，备用系数K取值1.35，则可计算出采空区注入CO2气体量QN应满足900 m3. 因为N2202工作面为综放开采，考虑到工作面每天推进距离较短，而每吨液态CO2气体约为600 m3，因此采用日夜各注入一次CO2气体，每次注入1.5 t左右。

采空区束管监测点随着进入采空区距离的增大，其监测气体浓度变化曲线见图3. 图3a)为注入CO2气体前监测到的采空区气体变化规律，从图3a)可知O2气体随着监测点进入采空区距离的增大而逐渐减小，在采空区深部35 m位置处O2气体浓度依旧高达18.5%以上，直致采空区深部100 m位置处O2气体浓度下降至10%以下，最终浓度趋于稳定在3%左右。图3b)为注入CO2气体后监测到的采空区气体变化规律，CO2气体注入位置为采空区深部30 m处，注入CO2气体后N2202工作面回风平巷以及上隅角等位置处的O2气体浓度依旧能够保持在20 %左右，这与未注入CO2气体时基本一致，说明注入CO2气体不对采掘工作面安全生产造成影响。大量CO2气体的注入致使O2气体浓度在采空区深部20 m位置处低于15%，在采空区深部70 m位置处O2气体浓度下降至10%以下，最终浓度趋于稳定在2%左右。由于N2202工作面采用综放开采，采空区中遗留的大量浮煤解吸产生了大量的CH4气体，并积聚在采空区内。在整个束管监测范围内，CH4气体浓度在采空区深部100 m位置处开始趋于稳定，未注入CO2气体时浓度稳定于20%左右，注入CO2气体时浓度稳定于35%左右，可见，CO2气体的注入使得采空区内原来吸附于煤体中的部分CH4气体被置换出来，可更好地利用水平分支井对采空区瓦斯进行抽采。

图3 采空区气体随埋入距离变化曲线图

根据束管监测点对采空区气体浓度的监测结果，以O2气体浓度为依据对采空区自燃“三带”进行划分，N2202工作面采空区注入CO2气体前后自燃“三带”划分见图4. 由图4可知，CO2气体的注入使得采空区中窒息带的范围增大，氧化带范围减小，并使得氧化带范围内的煤体惰性增强，减小了采空区氧化自燃的可能性。

图4 采空区CO2气体注入前后“三带”分布变化图

3 瓦斯抽采监测

对N2202工作面采空区采用水平分支井进行地面抽采瓦斯时，注入CO2气体前后瓦斯抽采量基本不受影响，在27.6 m3/min上下波动，见图5a). 对于抽采气体中CH4气体和CO2气体浓度监测结果见图5b). 从图5可知，对采空区注入CO2气体后，CH4气体监测浓度呈现增大趋势，由原先平均浓度35.61%增高至49.25%，而CO2气体监测浓度基本稳定在3.3%左右，说明对采空区注入CO2气体防灭火能够有效提高瓦斯抽采浓度，同时注入的CO2气体能够基本保留于采空区内，不会随着瓦斯抽采而被抽出。

图5 注入CO2气体前后水平分支井瓦斯抽采监测数据曲线图

4 结 论

1) 针对某高瓦斯矿井综放开采过程中采空区易自燃问题，提出采用水平分支井地面负压抽采采空区积聚瓦斯，并对采空区注入CO2气体防治采空区自

然发火问题。

2) 数值模拟结果表明，对采空区注入CO2气体能够使得CH4气体浓度梯度分布向采空区深部移动，并能够有效地对采空区瓦斯积聚带内瓦斯浓度进行稀释。现场试验表明，以O2气体浓度为依据对采空区自燃“三带”进行划分，CO2气体的注入使得采空区中窒息带的范围增大，氧化带范围减小，减小了采空区氧化自燃的可能性。

3) 采空区埋入的束管监测点以及水平分支井抽采气体监测结果均表明，CO2气体的注入使得采空区内原来吸附于煤体中的部分CH4气体被置换出来，有效地提高水平分支井对采空区瓦斯抽采效率。

[1] 王银辉，艾 兴，赵 涛，等．高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟[J]．中国安全生产科学技术，2017，13(4)：53-57．

[2] 张 超．高瓦斯易自燃煤层采空区CO2防灭火技术研究[D]．太原：太原理工大学，2015．

[3] 孟 君．水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用[J]．煤矿开采，2014，19(5)：86-88．

[4] 杨增强，曹 明，刘 磊，等．采用氡气预测煤矿自然发火[J]．煤矿安全，2010，12(7)：45-47．

[5] 文 虎，张 泽，赵庆伟，等．煤层分层前后采空区自燃“三带”的数值模拟[J]．煤矿安全，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年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事巷道掘进管理工作

(E-mail)iceiceice185@163.com

TD75+2.2

B

1672-0652(2017)05-0004-04