某煤矿极近距离上覆老空区注氮—抽放稀释置换瓦斯数值模拟分析

王 磊

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿）

近距离煤层开采中因重复采动，煤岩冒落带及裂隙带进一步扩大，易沟通上下采空区，致使下部煤层回采过程中将面临瓦斯涌出、漏风及自燃情况的发生，影响下部煤层的回采［1-3］。注氮技术在煤矿生产过程中，在防灭火方面具有良好的效果，得到广泛应用［4-5］。在处理密闭老空区方面今年来有新进展［6］，氮气注入密闭老空区后，这样可有效地降低密闭空间内的瓦斯浓度，同时还可阻碍氧气浓度增加以及新空气的进入。因而在预防瓦斯与煤自燃共生灾害方面，这种技术被广泛地应用，且表现出多方面的优势。但密闭老空区注氮后，虽然稀释了瓦斯浓度，但其绝对量并未发生改变，因此在注氮稀释的基础上，通过抽放置换瓦斯很有必要。本研究根据某煤矿的地质条件，论证上覆老空区通过注氮—抽放稀释置换瓦斯技术方案的可行性，利用数值模拟方法分析了利用老空区进、回风侧密闭注氮—抽放稀释与置换老空区瓦斯的效果，为制定现场技术方案提供参考。

1 工作面概况

某煤矿12032综采工作面是二采区12031采煤工作面下分层工作面，是开采IV13煤层下分层第一个工作面。IV13煤层自燃发火倾向等级为II类，发火期在3~6个月，煤层倾角30°，煤层瓦斯含量6.4 m3/t。12032工作面开拓布置环境较为复杂，西部为12031工作面采空区（综放段）；南为12010工作面采空区；北部为12051上分层采空区；工作面上部为12031工作面采空区。12032上顺槽布置在保护煤柱下方，沿下层煤掘进，与上层煤间距约2.7 m；12032下顺槽布置在12031综采段采空区下方，直接顶为粉—细砂岩，距上部12031老空区2.0 m。

IV13煤层从属性分析可知，为自然发火煤层，其有一定自燃概率，通风系统和12031采空区相隔离。不过在开采过程中煤柱、围岩、遗留煤中的瓦斯不断的释放而进入到采空区，使得此区域中的瓦斯浓度不断提高，具体情况见图1。在此工程背景下，同时在下分层回采期间，因层间距较小，致使煤岩裂隙进一步发育，层间贯通，上部老空区受气体压差的扰动，易造成老空区残存瓦斯气体涌向下部工作面，下部工作面瓦斯存在超限的风险。

从图1可知，在12031密闭老空区内瓦斯浓度在22.6%~24.8%，老空区内氧气8%~9%；可见12031老空区内封存的瓦斯浓度较高，一旦12032回采，因层间的贯通，易造成老空区内封存的瓦斯涌向12032工作面，造成上隅角瓦斯超限，严重影响安全生产。

为了论证老空区注氮—抽放稀释与置换瓦斯的可行性，采用数值模拟进行了注氮—抽放稀释与置换瓦斯分析。

2 老空区注氮稀释置换效果数值模拟方案

2.1 物理模型

在进行建模（图2）时，对12031老空区内环境假设如下。①其空间可看作为一个规则长方体，不考虑采场矿压和煤自燃因素。②是由矸石和遗煤混合而形成的特殊多孔介质，其中的多孔介质保持各向同性。在进行建模过程中为简化处理，而不考虑到冒落带上部岩层。③在冒落稳定区域内进行气体的运输和混合，其中的混合气体不可压缩。可基于守恒定理对其性质进行分析。

根据12031上分层老空区的物理尺寸，建立模型的工作面走向长度为300 m，倾向长为150 m，冒落带高度根据经验公式结合模拟来确定，经计算取为16 m。密闭内瓦斯、氧气、氮气的初始浓度分别为28.9、10.09、4.0 mol/m3。采空区注氮出口压力为0.2 MPa。进风巷顶板插管注氮间距60 m，回风巷顶板插管抽放间距60 m。

2.2 采空区空隙率与渗透率设置

在覆岩应力的作用下，采空区随着时间推移逐渐被压实。因此，采空区冒落煤岩的碎胀系数分布满足：

式中，Kp(x,y)具体表示相应碎胀系数分布；K'p为采空区冒落煤岩被压实后的碎胀系数；ax为冒落煤岩碎胀系数距离工作面的衰减率，m-1；ay表示此系数的衰减率，m-1；dy为距离固壁的距离，m；ξ1表示调整系数。

采空区冒落煤岩空隙率与碎胀系数的关系为

采空区冒落煤岩渗透率与空隙率的表达式为

式中，Dp为采空区冒落煤岩的平均颗粒直径，m。

2.3 控制方程及边界条件

采空区注氮控制方程为

式中，p为此区域的气流动压力，Pa；μ动力黏度，Pa⋅s；k表示渗透率，m2；β具体表示非达西流因子，m-1；H具体表示分布函数；Qs为对应于此区域的气体源（汇）项；ci为相应组分的气体摩尔浓度，mol/m3；c为混合气体的摩尔浓度，mol/m3；Wi为相应的反应源项。

2.4 密闭老空区注氮模拟方案

根据12031老空区的概况，制定了如下模拟方案。①进风密闭墙侧注氮15 d内老空区瓦斯浓度的分布；②在第①步计算的结果上，模拟了进风密闭墙侧注氮、回风密闭墙侧抽放30 d工况下，老空区瓦斯浓度的分布。

3 数值模拟结果分析

3.1 进风密闭注氮瓦斯浓度模拟分析

根据12031老空区的情况，结合12032下分层的开拓接续，首先模拟了12032下分层未开拓时，通过12031老空区进风密闭注氮稀释及惰化情况。图3是密闭老空区在注氮15 d内，不同注氮时间下的瓦斯浓度分布。

由图3可知在进风密闭注氮下，采空区瓦斯浓度变化具有以下特征。

（1）随着注氮时间增加，采空区内瓦斯被稀释区域逐渐扩大，且以注氮口位置逐渐沿老空区走向、倾向范围运移。

（2）在注氮3、6、9、12、15 d后，采空区瓦斯浓度低于10%的范围分别为倾向70 m、走向70 m渗透扩散环形形态，渗流扩散半径70 m左右；倾向90 m、走向90 m渗透扩散呈环形形态，扩散半径90 m左右；倾向100 m、走向100 m，渗透扩散呈环形形态，扩散半径100 m左右；倾向120 m、走向180 m渗透扩散呈椭圆形态；倾向140 m走向280 m渗透扩散呈椭圆形态。

（3）以采空区瓦斯浓度低于5%为稀释评价指标，则注氮3、6、9、12、15 d的稀释影响区域面积占整个老空区面积的比例分别为6.89%、10.64%、12.9%、28.37%、51.49%。④老空区内瓦斯因注氮，造成内部压力升高，瓦斯往采空区深部移动，高浓度瓦斯富集在老空区回风倾向方向。

3.2 进风密闭注氮与回风密闭抽放瓦斯浓度模拟分析

进风密闭注氮15 d后，在此基础上模拟了进风密闭注氮、回风密闭同时抽放30 d的注氮稀释及置换情况，见图4。

从图4可以看到在进风密闭注氮、回风密闭抽放30 d、边注边抽工况下，老空区瓦斯浓度在不同天数下的变化特征如下。

（1）在边注边抽情况下，由于靠近停采线，采空区内空隙率及渗透率较大，导致注入氮气几乎进入抽采管路，随着边注边抽时间增加，采空区内瓦斯浓度变化并不明显。

（2）从采空区瓦斯浓度的分布来看，在边注边抽15 d以前，回风闭墙以里30 m位置，瓦斯浓度较高，也就是说如果闭墙埋管进入采空区30 m时，在前15 d可以有效抽放瓦斯。边注边抽30 d后，采空区回风侧高浓度瓦斯富集区往后部移动，若通过闭墙插管抽放显然效果不佳，抽出的气体大部分为前期注入的氮气，从整个30 d的抽放工况下瓦斯浓度场的变化说明了这一点。

（3）在边注边抽30 d内瓦斯浓度低于5%,受影响区域并无太大改变，但通过抽放降低了老空区内瓦斯的赋存量，起到了置换效果。

4 结论

（1）通过进风密闭注氮阶段，可对停采线附近区域的瓦斯进行有效稀释。

（2）通过闭墙实施边注边抽，实现了老空区内的赋存瓦斯的置换量，从源头降低了瓦斯的涌出来源，置换效果明显。

（3）数值模拟结果显示，后期现场可以通过12031老空区进风密闭、回风密闭采用注氮与抽放相结合的方式，对老空区内瓦斯进行稀释与置换，这对现场技术实施提供了参考。