基于采空区防治的最优抽采负压确定研究

王月红 吴 怡 张九零

(1. 华北理工大学矿业工程学院，河北省唐山市，063009；2. 河北省矿山开发与安全技术重点实验室，河北省唐山市，063009)

在实际煤矿井下生产过程中，瓦斯浓度超限已成为普遍现象，治理瓦斯也成为重中之重。当煤层瓦斯进行抽采时，负压较低时，抽采效果不佳，极易引起瓦斯爆炸；反之负压过高时，会增大漏风量，进而提高采空区内氧气的浓度，给采空区自然发火提供了有利条件。因此，选择合理抽采负压值，在煤矿安全生产中至关重要。

对于煤矿中抽采负压对瓦斯抽采效果影响的问题，冉永进等通过Comsol软件模拟负压值不同的情况下高位钻孔的有效抽采半径，得出随着负压增大，煤层瓦斯钻孔的有效抽采半径逐渐增大，抽采效率逐步提高；周凯军通过现场测试的基本参数，建立数学模型结合Comsol软件模拟不同负压值瓦斯抽采率的变化情况；李日富等指出了在不同抽采负压下的采空区气体流场分布规律，指出把抽采负压控制在一定范围内可降低采空区自然发火率；刘佳佳等运用Fluent软件模拟不同负压值情况下，采空区漏风流场分布规律以及漏风量的多少，并根据结果对自燃带宽度大小进行排序；宋万新等根据多种化学公式进行理论推导，提出以氧气体积分数划分“三带”并应用于现场试验中验证划分标准的正确性。

以上研究均从单一灾害角度进行的分析，不能充分将两者耦合起来一起研究，因此有必要将防治瓦斯与自燃灾害结合在一起探索合理抽采负压。本文先通过现场试验，基于Matlab软件，对比分析不同负压下采空区自燃“三带”变化情况；结合负压对瓦斯浓度的影响，计算得出了合理的抽采负压范围。研究结果为采空区确定合理抽采参数、防止自燃提供了参考依据。

1 工作面概况

开滦集团吕家坨矿5877Y工作面开采埋藏深度为-800 m的煤层，该区域所在7#煤层属I类自燃煤层。5877Y工作面采用走向长壁后退式开采方法，倾斜度较大，为防止冒顶，配合采用全部垮落法处理顶板。5877Y工作面走向长度200 m、倾向长度100 m，工作面开采厚度为2.75～4.2 m，平均厚度为3.72 m。经测量，工作面瓦斯相对涌出量为1.23 m3/t，二氧化碳相对涌出量为1.85 m3/t。

2 现场试验研究

为更好地了解采空区内气体的变化情况，根据5877Y工作面现场实际情况进行束管监测试验。在5877Y工作面上隅角、下隅角分别布置1#与2#、3#与4#监测点，1#与2#、3#与4#监测点相距均为25 m，测点布置如图1所示。束管必须悬挂敷设，且束管末端要加装长度为70～100 m，直径为20 mm的钢制套管，以防束管被砸断。

图1 监测点布置

3 进行瓦斯抽放前自燃“三带”划分

基于现场观测数据，绘制出4个监测点工作面推进距离与氧浓度的变化规律图，见图2。

(1)由图2(a)可知，氧气浓度随着工作面的推进先呈降低的趋势然后在小幅度增加之后再不断减少。因风流从进风侧的位置进入，采空区遗煤损耗氧气。但顶板作为良好的漏风通道，可有效补偿氧气，因此氧浓度随着工作面推进距离的增大出现波动。

(2)由图2(b)和图2(c)可知，2#和3#监测点氧气浓度与工作面推进距离的长度基本呈负相关变化。与1#监测点和4#监测点相比，2#监测点与3#监测点处于工作面中部距巷道稍远处。工作面推进后，采空区的压实状态很好，导致漏风通道减少，漏风量也在减小，采空区遗煤的氧化性变差，导致氧气浓度呈线性迅速降低。

(3)由图2(d)可知，4#监测点的氧气浓度与工作面推进距离的长度大致呈负相关变化趋势。到达散热带和窒息带推进距离时，氧气浓度变化比较平缓，但到自燃带推进距离时，氧气浓度变化很急剧，呈指数函数减少，说明在回风巷附近，“三带”变化很明显。

根据“三带”划分标准结合现场测得数据，绘制出“三带”的基本分布图，见图3。由图3可知，自燃带宽度最大的位置处于采空区中部靠近进风巷的一侧，最大处为14 m。自燃带宽度从最宽处向两侧不断降低，且向进风巷一侧下降速率较大。

4 合理抽采负压的确定

4.1 抽采负压对 “三带”的影响

根据现场测量得到的数据，采用Matlab软件建立不同抽采负压下氧气浓度的立体分布图、等值线图，见图4。

由图4(a)可以看出，在未抽采之前，随着采空区遗煤耗氧，氧气浓度沿着采空区由浅入深逐渐减少，当推进到40 m位置时已经降低到了较低的水平。新鲜风流注入后，其中的氧气经过遗煤损耗，造成回风侧含氧量下降。由图4(b)可以看出，窒息带的宽度最大，明显大于散热带和自燃带。

通过施加不同的负压，分别获得不同的“三带”分布，如图4(c)～(h)所示。由于漏风正风压与抽放负压形成对流，根据氧浓度来划分自燃“三带”，由进风侧到回风侧“三带”分布较抽放前更为均匀。与抽放前相比，氧浓度场的分布发生明显变化，散热带和自燃带范围变宽，窒息带变窄，且随抽放负压增大这种变化越明显。抽采负压为10 kPa时，进风侧自燃带范围距工作面煤壁大约15～35 m，回风侧自燃带范围距工作面煤壁大约10～30 m；抽采负压为20 kPa时，进风侧自燃带范围距工作面煤壁大约20～40 m，回风侧自燃带范围距工作面煤壁大约15～30 m；抽采负压为30 kPa时，进风侧自燃带范围距工作面煤壁大约23～58 m，回风侧自燃带范围距工作面煤壁大约23～42 m。由此可见，进风侧的氧浓度值很高，进风侧自燃带宽度大于回风侧。

图3 “三带”分布图

由于自燃带的范围对采空区遗煤自燃的防治工作最为关键，为了更直观分析不同抽采负压对自燃带范围的影响，用以上数据绘制曲线图，见图5。由图5可知，随着负压增大，从采空区中部开始到进风侧一段，自燃带宽度逐渐增大；回风侧自燃带宽度则大致呈现先升高后降低的走向。

4个监测点的自燃带宽度y与抽采负压x关系的拟合方程如下：

4个方程的拟合系数R2均大于0.7，因此拟合方程可信。

图4 不同抽采条件下氧气浓度立体分布图和等值线图

图5 自燃带与负压变化关系图

4.2 抽采负压对瓦斯浓度的影响

根据现场实测数据，运用origin软件绘画出抽采负压和回风侧瓦斯浓度的关系折线图，见图6。由图6可知，随着抽采负压的增大，回风巷瓦斯浓度逐渐减小，当减小到某一程度后趋于稳定。

图6 抽采负压对回风巷瓦斯浓度影响

将回风侧瓦斯浓度C与抽采负压p关系的拟合曲线方程如式(2)所示。其中，R2=0.989>0.7,则该拟合方程可信。

C=0.98e-0.0002p

(2)

4.3 合理的抽采负压

因抽采负压对瓦斯浓度及采空区自燃带宽度都会造成影响，为了保证煤矿安全生产，需找到同时满足两者的合理负压范围。

(1)根据我国实行的《煤矿安全规程》中的明确要求，瓦斯浓度在回风巷一侧不得超过1.0%。

结合现场实际情况，瓦斯浓度不能超过安全许可极限值。因此赋予一个系数，取β=1.5，根据式(3)代入数据，回风巷一侧瓦斯浓度的最大值为0.67%。

(3)

根据式(2)可计算出在安全标准下，回风巷瓦斯浓度符合以上条件的最低负压为24 kPa。可见，为了保证整个工作面的安全生产的进行，负压值至少为24 kPa。

(2)根据自燃发火理论，如果遗煤在自燃带存留时间较最短自燃发火期长，采空区往往会发生自燃现象。自燃带最大宽度计算公式为：

Lmax=v·t

(4)

式中：v——推进速度，m/d；

t——最短自燃发火期，d。

根据矿山生产实际情况，此处取v=1.2 m/d，t=60 d，代入式(4)可以计算出最大宽度为72 m。

考虑到设备检查、人员工休和突发情况等因素，赋予推进速度一个系数θ=1.2，可知根据式(5)计算出自燃带的最大宽度为60 m。

(5)

当进风侧自燃带宽度为60 m时，代入式(1)可计算出抽采负压p=34 kPa。因此，得出遗煤自燃的负压p<34 kPa。

(3)综上分析可知，开滦集团吕家坨矿5877Y工作面合理的抽采负压范围为24～34 kPa。

5 结论

(1)基于现场实际观测的数据，以氧气浓度为指标划分“三带”的范围，同时根据各测点数据，采用数学方法，揭示其分布规律和变化趋势。

(2)运用Matlab软件，分别生成各抽采负压下对应氧浓度分布模型。根据图像，比较抽采前后以及随着负压增大采空区自燃“三带”变化情况，即自燃带和散热带越来越宽，窒息带越来越窄。其中，自燃带宽度在靠近回风巷一侧位置，呈现随着负压的增大先增大后减小趋势，在中部和靠近进风巷一侧位置，呈现随着负压的增大而增大的趋势。

(3)结合采空区自燃带宽度和瓦斯浓度与抽采负压的关系，得到最合理抽采负压范围为24～34 kPa。