瓦斯抽采对采空区自燃“三带”的影响研究

叶春辉

（煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽 淮南 232000）

采空区煤自燃危险性评估多采用“三带”理论，划分“三带”的依据主要有采空区内漏风风速、采空区内升温速度梯度、采空区内氧气浓度[1]。目前，解决矿井瓦斯问题，经常采取的方式为加强矿井通风能力、加大瓦斯抽采量[2-3]。在瓦斯抽采条件下，采空区将会形成新漏风通道，漏风动力增强，漏风量变大[4]。受此影响，瓦斯抽采条件下采空区自燃“三带”将会与未抽采时的分布区域不同。文虎等[5]通过数值模拟和现场观测不同抽采条件下采空区氧浓度场分布规律，得到采空区煤自燃“三带”分布情况，结果较为一致，并据此提出针对性防灭火技术对策。

朱集东矿1161（1）工作面预计瓦斯涌出量为55 m3/min，工作面回采期间利用多种抽采措施综合治理瓦斯，对采空区自燃“三带”造成影响。因此以朱集东矿1161（1）工作面为研究对象，对其不同瓦斯抽采条件下的采空区自燃“三带”进行研究。

1 1161（1）工作面概况

朱集东矿采用立井、多水平、分组集中大巷、分区通风的开拓方式。矿井通风方式为中央并列式，采用抽出式通风方法。1161（1）工作面回采期间采用“U”型通风，运输顺槽进风、轨道顺槽回风。

朱集东煤矿1161（1）工作面走向长1673 m，倾斜长度219.5 m，1161（1）工作面所采11-2煤层平均厚度1.2 m。工作面为一次采全高综合机械化工作面，采高1.7～1.9 m，取1.9 m。上覆13-1煤层及下伏8 煤层均无采掘活动。11-2煤层自然发火期为89 d，自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃。

2 影响采空区“三带”的因素分析

2.1 采空区浮煤厚度

1161（1）工作面煤层平均厚度为1.2 m，工作面采高取1.9 m，工作面两巷高2.8 m，工作面回采率在99.31%左右，采空区内部空隙率可考虑为30%。根据前后观测的工作面顶煤厚度以及工作面的回采率估算出采空区平均浮煤厚度。

（1）进、回风两侧及两端头支架处浮煤厚度为0。

（2）采空区中部由于回采率为99.31%，则其浮煤厚度为：

1.2×（1-99.31%）/（1-30%）=0.01 m

根据能量守恒原理，采空区浮煤自然氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热量之和时，才可能引起煤体自燃升温。因此，采空区遗煤自燃前提是要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚。对于最小浮煤厚度，可用公式（1）计算：

式中：Tm为自燃临界煤温，K；Tw为围岩温度，K；φ为空气干燥状态下煤湿度，%；kp为原煤样吸氧量，m3/（k·s）；ρm为煤的平均密度，kg/m3。

即当浮煤厚度h≤hmin时，松散煤体不能引起自燃升温，hmin为最小浮煤厚度。

11-2煤层水分为1.53%，密度为1.37 t/m3，常温常压下干煤吸氧量为6×10-10，11-2煤自燃临界温度为65 ℃，平均原岩温度为43.14 ℃。

将上述数值代入最小浮煤厚度计算公式，可计算出，11-2煤最小遗煤厚度0.26 m。

综上所述，1161（1）工作面正常回采情况下，采空区进、回风两侧及两端头支架处和采空区中部浮煤厚度均小于最小浮煤厚度，无法引起遗煤自燃升温。

2.2 采空区瓦斯抽采

1161（1）工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为55 m3/min。工作面风量2268 m3/min，风速2.9 m/s。仅依靠通风方法很难解决瓦斯难题，因此必须采用瓦斯抽采进行治理。1161（1）工作面采空区瓦斯抽采方式主要有：地面钻井抽采、轨道顺槽钻场钻孔抽采、运输顺槽顶板巷密闭墙埋管抽采、上隅角埋管抽采。

（1）地面钻井抽采。工作面回采期间，利用地面钻井（9 口）抽采13-1煤卸压瓦斯。

（2）轨道顺槽钻场钻孔抽采。共设计施工13个平钻场。在钻场内施工13-1煤穿层钻孔、11-2煤顶板走向钻孔抽采13-1煤卸压瓦斯。

（3）运输顺槽顶板巷密闭墙埋管抽采。工作面回采前，提前将1161（1）运输顺槽顶板巷封闭，并在密闭墙埋管抽采13-1煤卸压瓦斯。

（4）上隅角埋管抽采。在1161（1）回风隅角埋管抽采采空区瓦斯，管路接至工作面回风隅角，管路末端安设埋管。

研究上隅角埋管抽采及地面钻井抽采两种抽采条件下的采空区自燃“三带”。1161（1）轨顺上隅角埋管以及1161（1）1#～6#地面井抽采气体取样分析化验结果，数据如图1、图2。

图1 1161（1）轨顺上隅角埋管取样化验结果

图2 1161（1）1#～6#地面井取样化验结果

根据图1、图2 可得，随着1161（1）轨顺上隅角抽采管埋深增加，直至埋深到将近1000 m 时，氧浓度仍未降至18%。工作面不断回采，地面井位置逐渐进入采空区深部，工作面退尺到1000多米时，1#地面井在采空区内1000 m 左右，氧浓度最低在6.95%；4 号地面井在采空区内500 m 左右，氧浓度仍在8%以上。

由于地面井抽采是从1161（1）工作面采空区经过13 煤层到达地面，考虑氧浓度在此期间因煤氧化消耗而降低，实际1161（1）工作面采空区的氧浓度比地面井化验结果的氧浓度高。

综上所述，因抽采瓦斯治理模式的影响，造成采空区漏风较大，风流带走大量热量，导致采空区氧浓度高。同时结合采空区浮煤厚度结论，确定实际条件下无法划分采空区自燃“三带”。

3 采空区煤自燃“三带”数值模拟

为研究不同抽采条件对采空区自燃“三带”的影响，为矿方预防采空区煤自燃提供依据，结合前文分析，采用COMSOL 软件模拟1161（1）工作面采空区漏风流场，依据漏风风速划分“三带”标准，确定采空区自燃“三带”分布规律。

3.1 参数设置及边界条件

模拟范围为1161（1）工作面倾向长度1000 m，走向长度220 m。进出口参数见表1。假设采空区浮煤大于极限浮煤厚度，设定为0.3 m。

表1 进出口参数

空隙率n随距工作面距离x的关系如公式（2）：

3.2 不同抽采条件时的模拟结果与分析

按照漏风风速划分“三带”：（1）散热带：采空区漏风风速大于0.24 m/min 的区域；（2）氧化带：漏风风速在0.1～0.24 m/min 的区域；（3）窒息带：漏风风速小于0.1 m/min 的区域。

不同抽采条件下的采空区氧化带（漏风风速0.1～0.24 m/min 的区域）分布情况如图3 ～图5。

从图3 ～图5 中分析得出：抽采量不同，导致采空区氧化带宽度及位置均不同。其中地面井停止抽采、地面井和上隅角停止抽采时，抽采量减少，氧化带向工作面方向移动的同时宽度变窄；上隅角停止抽采时，抽采量减少，但5#和6#井抽采对于氧化带周边漏风的影响虽导致氧化带向工作面移动，但氧化带宽度变宽。

图3 正常抽采情况下采空区漏风风速分布图

图4 地面井停止抽采时采空区漏风风速分布图

图5 上隅角停止抽采时采空区漏风风速分布图

3.3 采空区自燃“三带”划分

根据采空区浮煤大于最小浮煤厚度时，不同抽采条件下的采空区漏风流场数值模拟结果，得到朱集东矿1161（1）工作面采空区自燃“三带”范围见表2。

表2 采空区“三带”划分表

图6 地面井和上隅角停止抽采时采空区漏风风速分布图

根据漏风风速划分采空区“三带”标准，地面井和上隅角停止抽采时（相当于工作面正常回采时），采空区自燃“三带”分布图如图7。

图7 采空区自燃“三带”分布

4 结论

以朱集东煤矿1161（1）工作面为研究对象，通过现场观测和数值模拟方法研究瓦斯抽采对采空区自燃“三带”的影响，为朱集东矿工作面采空区煤自燃防治提供基础。

（1）根据现场观测数据及矿方相关资料，得到1161（1）工作面正常回采期间，采空区几乎无浮煤，浮煤厚度小于最小浮煤厚度；同时考虑瓦斯抽采治理模式的影响，造成采空区漏风较大，确定无法划分采空区自燃“三带”。

（2）掌握不同瓦斯抽采条件对采空区自燃“三带”的影响。分析模拟结果得到：抽采量不同，导致采空区氧化带宽度及位置均不同。抽采量减少，氧化带向工作面方向移动时宽度变窄；当抽采影响氧化带周边漏风时，氧化带向工作面移动，但宽度变宽。