某矿2306工作面采空区遗煤自燃及瓦斯灾害治理方案

吴 健

(汾西矿业集团通风处)

矿井采用沿空掘巷开采新技术，有助于极大地减少预留煤柱的储量损失，最大限度地提高煤炭采出率。沿空掘进时，由于掘进巷道与采空区之间的保护煤柱较窄，节理裂隙较多，相邻采空区易通过保护煤柱的裂缝与巷道相互连通，从而形成漏风通道[1-5]。某矿3#煤层采用综采放顶煤开采技术，采空区遗煤较多，瓦斯释放量大，随着回采后时间的推移，采空区内会积存了大量瓦斯。一旦采空区发生大量漏风，极易使得采空区氧气浓度增加，进而导致自燃事故发生。此外，涌向采空区的风流会使得采空区内的瓦斯大量涌进掘进巷道，造成掘进巷道瓦斯浓度超限，从而导致瓦斯事故发生[6-8]。本研究以该矿2306工作面为例，对该工作面瓦斯遗煤自燃及瓦斯灾害治理技术进行研究。

1 工作面煤层赋存条件

该矿2308胶带顺槽位于3#煤层，属于二类自然发火煤层，煤层自然发火期为3～6个月，最短发火期为31 d。煤层瓦斯压力为0.27 MPa，瓦斯含量为2.36 m3/t，最高瓦斯绝对涌出量为6.46 m3/min，瓦斯相对涌出量为2.33 m3/t[9]。煤层厚度为3.2～9.3 m，平均7.4 m，煤层倾角为21°～40°，平均36°。煤层呈黑色，条带状结构，半光亮型，以亮煤为主，次为暗煤，含镜煤及黄铁矿，较脆，参差状棱角状断口，属于低中灰、特低硫、特低磷、高发热量、高灰熔点的气煤，具有易选、结焦性好的特点。2308胶带顺槽区域煤层呈向斜状，轴部位于2308胶带顺槽中部，向斜轴向342°，向北倾伏，倾角为32°。受向斜构造影响，沿顺槽方向煤层呈先俯角8°，过向斜轴部后仰角26°～140°[9]。3#煤层顶底板特征如表1所示。

表1 3#煤层顶底板特征参数

2 采空区遗煤自燃及瓦斯治理方案

2.1 方案设计

对于易自燃煤层，在沿空掘进巷道时，巷道与采空区之间保护煤柱较窄，采空区内积聚了大量瓦斯。受巷道进风量、大气压变化等因素的影响，采空区与掘进巷道内的气体压力极易发生不平衡，导致采空区瓦斯向巷道大量涌出。仅通过加大风量来稀释巷道瓦斯，无法有效解决采空区瓦斯异常涌出问题，并且随进风量的增加，采空区极易发生自燃[10]。通过对采空区瓦斯进行抽放可以从根本上解决瓦斯异常涌出问题，抽放时一般将抽放口布置于低压区，即掘进巷道出风口位置。瓦斯抽放时，抽放口附近会形成负压，更有利于瓦斯向抽放口运移，但受抽放负压影响，采空区更易发生漏风，加剧了采空区遗煤自燃的危险性。因此，在进行瓦斯抽放的同时须确保采空区压力与掘进巷道内压力均衡，可采取注氮措施来实现内外压力平衡[3]。为确保注氮安全，一般沿着采空区漏风方向注氮，使得氮气顺着漏风方向运移。为确保将氮气充满整个采空区，可将注氮口布置于风筒出风口附近。当采空区内瓦斯被抽出，且氮气已经充满了整个采空区时，采空区内瓦斯及遗煤自燃危害便得到了有效解决。采空区瓦斯置换过程，即为建立采空区抽放与注氮的动态平衡过程，在该过程中，采空区氧气浓度应始终控制在7%以下。

2.2 钻孔布置

在实施气体置换时，选择合理的抽放注氮位置十分重要。通过观测，确定在沿着采空区的2308掘进巷道进风侧区域内向采空区布置注氮钻孔，从巷道出风口侧向采空区布置抽放钻孔(图1)。如此布置的优点为：在进行瓦斯抽放和注氮时，一方面，在抽放口附近会形成负压，能够使高压区的瓦斯向抽放口附近运移，加之保护煤柱具有较大的黏性阻力，可大大减少采空区向巷道的瓦斯涌出量；另一方面，注入的氮气能够顺着漏风方向向抽放口运移，可使得氮气快速充满整个采空区。在进行采空区瓦斯抽放时，应坚持“低负压、大流量”的原则，并有效控制瓦斯抽放量，使其略小于注氮量，方可确保采空区内压力平衡。

图1 瓦斯抽放及注氮钻孔布置示意

3 数值模拟分析

在易自燃瓦斯矿井中，当采用综采放顶煤技术开采较厚煤层时，放落的煤块会释放出大量瓦斯，造成采空区内大量瓦斯积聚。沿空掘巷时，受各种因素的影响，采空区与掘进巷道的内外压力极易发生不平衡，易导致瓦斯异常涌出或遗煤自燃。一方面，当采空区采取注氮防灭火措施时，注入的氮气会改变采空区瓦斯原有的平衡状态，采空区瓦斯可能涌入掘进巷道，使巷道瓦斯浓度超限；另一方面，为解决采空区瓦斯积聚问题，需对采空区瓦斯进行抽放，若抽放强度过大或抽放口位置设置不合理，易导致向采空区注入的氮气涌入瓦斯抽放口，使注氮效果下降。为提高采空区注氮防灭火效果，同时防止采空区瓦斯涌出造成巷道瓦斯异常，本研究采用Fluent软件对注氮条件下采空区氧气浓度及瓦斯浓度的分布规律进行分析。

图2为沿空掘巷采空区底板以上2.1 m处的氧气浓度分布特征。分析可知：风筒出风口采空区附近以及掘进巷道中，氧气浓度最高，达到20%～21%；越往采空区深处，氧气浓度越低，同一深度，进风侧氧气浓度高于回风侧；从掘进巷道向采空区深处，采空区从巷道进风侧向回风侧，氧气浓度呈一定梯度递减，但在注氮口附近，氮气冲淡了氧气的浓度；由于注氮量相对于漏风量较小，因此注氮对采空区氧气浓度分布的影响较有限，尽管如此，在注氮口附近区域，注氮能够在一定程度上降低采空区遗煤自然发火的危险性。

图2 氧气浓度分布

图3为采空区同一平面的氮气浓度分布特征。分析可知：氮气在采空区的分布特征与氧气大致相同，只是氮气浓度较高，并且在注氮口附近，氮气浓度明显较高，甚至达到了100%，导致该区域氧气浓度较低。

综上分析可知：联合采用采空区注氮和瓦斯抽放的技术措施，可使得采空区氧气浓度大幅下降，大部分区域降至10%以下，瓦斯浓度降至9%以下，整体效果明显优于单独采用瓦斯抽放或注氮措施。

4 结 语

对某矿2306工作面采空区采用了注氮与瓦斯抽放相结合的技术方案，研究表明：该方案有助于显著降低采空区氧气浓度以及瓦斯浓度，大幅降低采空区遗煤自燃以及瓦斯异常涌出的危险性。

图3 氮气浓度分布