近距离老空区分阶注氮—抽放稀释惰化效应模拟分析与实践

褚廷湘，苏媛媛

(华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

高瓦斯近距离煤层回采过程中，因层间距较小，在下部煤层回采过程中致使覆岩裂隙进一步发育，导致层间贯通，上部老空区在气体压差作用下，易造成上覆老空区积存瓦斯涌向下部工作面，增大下部工作面瓦斯涌出量，易诱导上隅角、回风巷瓦斯超限及有毒有害气体涌出，进而威胁下伏工作面通风安全及工作人员生命健康[1-3]。因此，近距离高瓦斯自燃煤层分层开采易诱导瓦斯异常涌出及煤自燃等复合灾害发生。注氮是采空区遗煤发火防治的常用措施之一，不仅能够惰化采空区而且可以稀释瓦斯浓度、增大采空区压力减少漏风量，而且还可降低瓦斯有效分压，促使吸附态瓦斯解吸，起到促排/促抽瓦斯的作用[4-5]。鉴于采空区的特殊性和复杂性，许多学者应用实验或者模拟仿真来研究不同注氮参数条件对采空区气体分布规律的影响[6]；樊克松[7]等通过CFD数值模拟研究得出超前注氮间距越大泄水巷内瓦斯浓度越大，注氮量越大泄水巷内瓦斯浓度越小的结论；年军[8]等利用Fluent模拟氮气与巷道内气体混合的状况和形式，得出利用氮气注入巷道驱替瓦斯的方法，不仅经济环保，同时稳定可靠，对处理矿井内瓦斯积聚，盲巷和密闭瓦斯问题的处理，提供了安全可靠的处理方式；王文才等[9]通过模拟采空区注氮防灭火结果得出，向采空区注氮可以有效减小采空区氧化带的范围；金永飞等[10]通过FLUENT数值模拟得出合理的注氮量和注氮位置，为该煤层后续开采的防灭火工作提供参考；文虎等[11]利用CFD模拟软件确定了最小安全推进速度，并提出减少遗煤、两隅角封堵、进风侧注氮与回风侧注浆等针对性的防灭火技术措施；许石青等[12]通过将不同注氮形式下采空区内温度场及氧气浓度变化的模拟结果与实际监测比较，得出针对高瓦斯矿井，相同注氮量下，联合注氮的防灭火效果比单一注氮好。

现有研究对注氮防治火灾及瓦斯灾害开展了富有意义的工作，但鲜有考虑近距离分层开采老空区的瓦斯与煤自燃协同治理的问题。因此，本文以新疆某矿12032下分层工作面、12031上分层采空区为研究对象，针对近距离老空区瓦斯涌出与煤自燃协同防控问题，通过模拟分阶注氮—抽放不同方式条件下老空区气体组分的变化特征与分布规律，进而提出了分阶注氮—抽放技术方案，为近距离煤层群老空区瓦斯与煤自燃灾害的协同防治提供了技术指导。

1 工作面概况

新疆某矿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煤层为II类自燃煤层，煤层倾角平均30°，煤层平均厚度为2.3 m，发火期在3～6个月，煤层瓦斯含量6.4 m3/t。12032工作面开拓布置环境较为复杂(如图1所示)，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(综采段)。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 m。

2 老空区瓦斯与煤自燃风险与防治策略

如图1所示，结合12032工作面四邻关系可知，在12032回采期间，其工作面瓦斯主要由12031上分层老空区、12051上分层老空区、12010老空区积存瓦斯涌出，以及12032下分层瓦斯涌出构成。其中，由于12032工作面与12031采空区间距只有2.7 m左右，煤层距离近，受重复采动影响，层间易贯通，造成12031老空区内积存瓦斯涌向下部12032工作面，下部工作面瓦斯涌出量增大，易导致上隅角瓦斯超限，威胁下部回采通风安全，因此，12031上分层老空区积存瓦斯对12032工作面回采影响最大。如图2 所示，通过12031密闭墙对老空区内的气体进行监测，得到气体赋存状态。12031老空区密闭内瓦斯浓度在22.6%～24.8%，瓦斯浓度较高；12031老空区密闭内氧气浓度为8%～9%，遗煤具备自燃发生条件。同时在12032顺槽掘进、回采过程中有可能造成上覆老空区瓦斯的大量涌出，对下分层开拓开采带来威胁。

图1 12032工作面井下四邻关系

图2 12031老空区内气体组分

为防治12031老空区瓦斯与煤自燃灾害，根据采空区状态，拟采取分阶注氮—抽放联合处理方式对12031老空区进行处理。通过注氮一方面稀释瓦斯、降低老空区氧气浓度，惰化老空区；另一方面，注氮稀释瓦斯后，对老空区瓦斯抽放，置换瓦斯，进而降低老空区瓦斯赋存量与浓度；同时可对后期12032下分层回采期间的瓦斯涌出及12031老空区遗煤二次氧化起到协同防治效果。

3 老空区分阶注氮—抽放瓦斯稀释置换数值模拟分析

3.1 几何模型创建及基本参数

在建立老空区几何模型时，将老空区视为规则的长方体，忽略采场矿压及老空区煤炭自燃等因素的影响。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300 m、倾向长150 m、冒落带高度16 m(根据经验公式结合模拟计算得出高度)。在COMSOL中建立等比例的老空区二维平面模型，对已建立的老空区物理模型进行网格剖分如图3所示。

采空区模型基本参数设置见表1。其中采空区的压力边界、浓度边界和温度边界的设置来自采空区注氮出口压力、抽放压差及注氮量、初始采空区气体组分和内部温度。

图3 几何模型

表1 采空区注氮模型的基本参数

3.2 模拟方案

(1)在12031进风密闭墙侧注氮15 d，观察采空区内瓦斯、N2、O2浓度的分布情况；

(2)在第(1)步计算的结果上，模拟12031进风密闭墙侧注氮、回风密闭墙侧抽放同时进行30 d工况下，采空区内瓦斯、N2、O2浓度的分布情况；

(3)在第(2)步模拟的结果的基础上，模拟12032下分层进风巷顶板走向插管注氮15 d工况下，采空区内瓦斯、N2、O2浓度的分布情况。

(4)在完成第(3)步模拟计算的结果上，模拟12032下分层回风巷顶板走向插管抽放15 d工况下，采空区内瓦斯、N2、O2浓度的分布情况。

3.3 模拟效果分析

3.3.1 老空区氮气分布模拟效果

图4反映了不同注氮及抽放阶段，采空区N2运移及浓度分布特征。如图4(a)、图4(b)所示，N2运移区域变化并不明显，说明在密闭墙边注边抽的情况下，注氮对采空区的惰化效果不明显，注入N2因抽放流出采空区，对采空区的稀释作用降低。综合图4(b)、图4(c)、图4(d)可知，先注后抽方式下，采空区惰化效果非常显著；如图4(c)所示，下分层进风巷插管注氮15 d后，采空区内氮气惰化区域明显增加，N2浓度80%以上区域由60%增加到80%左右；与图4(c)相比，在图4(d)中，采空区氮气浓度80%以上区域由80%增加到95%左右。由此可见注-抽结合对采空区惰化效果最好。通过图4 中四个阶段的模拟，可以发现采取注抽结合的阶段注氮技术能够实现采空区的高度惰化。

图4 不同注氮与抽放方式下N2运移及分布

3.3.2 老空区瓦斯稀释置换效果

就技法本身的来看，指头画的特点与其适宜的题材以及所面对的观众是相互统一而成体系的。“指墨画乃大写意粗放之画种，故宜解衣磅礴，以乱头粗服之法为之。为此，指画题材亦以粗犷、简古者为宜，并宜作大幅巨幛。倘若以册页斗方作纤细精工之画，则无由得指画之独特意趣。”[12]58

图5为不同注氮及抽放阶段的瓦斯分布模拟结果。如图5(a)所示，进风密闭注氮15天后，采空区51.49%区域中瓦斯浓度处于5%以下，说明进风密闭注氮对停采线附近区域的瓦斯稀释作用明显，但在注氮压力的作用下，瓦斯往采空区深部移动，且瓦斯含量并未发生改变。对比图5(b)与(a)发现，在图5(b)中CH4被稀释区域略有增大，回风密闭以里30 m范围内仍积存高浓度的瓦斯，稀释效果不明显。但是通过抽放，采空区内的瓦斯被置换出来，从源头降低了瓦斯的涌出来源，降低了12031采空区内的瓦斯赋存量。如图5(c)所示，瓦斯浓度低于5%的区域由图5(b)的60%增加至80%，且高浓度瓦斯往采空区深部移动现象更加明显；如图5(b)所示回风密闭墙以里30 m范围内瓦斯浓度在20%左右，而在图5(c)阶段，在回风密闭墙以里100 m范围内瓦斯浓度低于5%，说明瓦斯稀释作用显著。如图5(d)所示，瓦斯浓度低于5%的区域由图5(c)中的80%增加至95%，且高浓度瓦斯区域明显进一步缩小。可见，利用下分层回风巷顶板走向插管抽放，使得之前注入的N2充分运移到采空区深部。通过图5中四个阶段的模拟，发现通过先注氮再间歇抽放的方式，不但有助于采空区的惰化与置换，而且有利于前期注入氮气的进一步流动，进而惰化整个采空区。

图5 不同注氮与抽放方式下CH4浓度分布

3.3.3 老空区氧气惰化效果

图6反映了不同注氮与抽放阶段，采空区内氧气浓度分布变化特征。如图6(a)所示，通过进风密闭注氮15 d后，采空区内55.17%的区域O2浓度处于5%以下，进风密闭注氮对停采线进风密闭附近区域的氧气进行了有效稀释，但回风密闭处一定范围内O2浓度未得到有效稀释。如图6(b)所示，虽然回风密闭处O2被稀释区域体现更加明显，但由于抽放导致大量注入N2流入抽放系统中，整体稀释区域并无明显增大。如图6(c)所示，O2浓度低于5%的区域由图6(b)的55%增加至80%，停采线以里，沿进风密闭走向300 m，几乎都得到稀释与惰化；沿回风走向以里90 m范围内得到惰化；采空区倾向中部走向200 m范围得到了稀释与惰化。可见，利用下分层进风巷顶板走向插管注氮对采空区的氧气稀释作用显著。如图6(d)所示，O2浓度低于5%的区域由图6(c)的80%增加至95%，且相对高浓度氧气富集区域范围进一步缩小。从采空区氧气浓度的分布来看，在下分层回风顺槽顶板走向插管抽放21 d后，停采线以里沿走向300 m，几乎都得到稀释与惰化。

图6 不同注氮与抽放方式下O2浓度分布

综上所述，结合图4、图5、图6中瓦斯、N2及O2浓度的演化特征，综合分析分阶段注氮效果。在进风密闭只注氮15 d时，采空区内瓦斯因注氮，造成内部压力升高，瓦斯往采空区深部移动，高浓度瓦斯富集在采空区回风倾向方向。N2扩散区域没有明显增大，集中在采空区前部，采空区深部的氧气和瓦斯浓度大。采空区整体未得到有效的稀释与惰化。在进风密闭注氮15 d后，模拟了进风密闭注氮、回风密闭同时抽放30 d的情况。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，采空区内瓦斯浓度和氧气浓度变化并不明显，但通过抽放，实现了采空区内的赋存瓦斯的置换，从源头降低了瓦斯的涌出来源。在进风密闭注氮、回风密闭抽放同时进行30 d后，模拟了12032下分层进风顺槽顶板走向插管注氮15 d的工况，采空区内高瓦斯浓度区域随注氮时间的增加进一步缩小，75%左右区域瓦斯浓度在5%以下，80%左右区域氧气浓度在5%以下，氮气浓度80%以上区域达到80%左右，CH4和O2稀释效果明显。但采空区回风侧切眼附近CH4和O2浓度较高，且靠近切眼位置的进风巷两组注氮钻孔之间存在惰化不明显区域，仍需要进一步惰化与稀释。在下分层插管注氮15 d后，再次通过12032下分层回风顺槽顶板走向插管抽放21 d，从模拟结果可以看出，采空区95%左右区域CH4和O2浓度在5%以下，N2浓度80%以上区域在95%左右，只有回风侧切眼附近仍有部分高浓度瓦斯赋存，瓦斯和氧气稀释效果明显。在下分层回风巷顶板插管抽放过程中，之前注入的氮气充分运移到采空区深部，再通过注氮及间歇抽放的方式，一方面有助于采空区的惰化与置换，另一方面有利于前期注入氮气的进一步流动。

通过对密闭老空区注氮的模拟，发现通过先注氮后抽放的方式，可以实现对老空区瓦斯的稀释与置换，同时可以降低采空区氧气浓度。因此，以不同注氮方式下的数值模拟结果为指导，统筹考虑12032下分层开拓时序，制定了老空区分阶注氮工艺技术体系，如图7所示。

4 现场应用效果分析

基于上述模拟结果，提出了近距离老空区分阶注氮—抽放稀释置换瓦斯与煤自燃协同防治的技术策略，结合12032下分层开拓时序，划分为四个阶段：

图7 老空区分阶注氮工艺技术体系

第一阶段：在12032下分层未开拓时，通过12031老空区进风侧密闭墙进行注氮，从而稀释及惰化瓦斯，注氮方案如图8所示。通过12031老空区的进、回风密闭墙观察孔取样探测老空区气体组分变化、利用注气孔行注氮及抽放。

第二阶段：在进风侧密闭墙处注氮一段时间后，同时在进风侧密闭墙注氮、回风侧密闭墙抽放，注氮—抽放方案如图9所示。

图8 12031老空区进风侧密闭注氮方案

图9 12031老空区进风侧密闭注氮、回风侧密闭注氮稀释与抽放方案

第三阶段：在进风侧密闭墙注氮、回风侧密闭墙抽放一段时间后，在下分层12032工作面进风顺槽顶板走向插管注氮。如图10所示为12032进风巷走向插管注氮稀释瓦斯方案图，每隔60 m，沿顶板走向布置注氮钻孔，通过进风顺槽插管注氮，6组钻孔同时注氮。

图10 12032进风巷走向插管注氮稀释瓦斯方案

第四阶段：在下分层进风顺槽顶板走向插管注氮一段时间后，在下分层回风顺槽顶板走向插管抽放，置换瓦斯。如图11所示为12032回风巷走向插管抽放瓦斯方案图，每隔60 m沿顶板走向布置抽放钻孔，通过回风顺槽插管抽放，6组钻孔同时抽放。

通过上述分阶注氮—抽放措施的实施，实现对12031老空区内瓦斯的稀释与置换，这对降低下分层12032顺槽掘进、回采过程中瓦斯涌出量及防止工作面瓦斯超限风险具有重要的作用。

在现场实施过程中，首先在下分层12032未开拓布置之前，通过12031老空区进风侧密闭注氮，主要目的稀释老空区瓦斯、氧气浓度。进风侧密闭注氮一定周期后，停止注氮，然后通过回风侧密闭抽放老空区瓦斯，降低老空区内瓦斯的绝对量。在12032顺槽未掘进之前，再次通过12031老空区进风侧密闭注氮、回风侧密闭抽放同时进行，且注氮量要大于抽放量，以氮气作为载气，再次稀释及置换老空区内的瓦斯。在注氮—抽放进行前后，进风侧及回风侧内气体组分浓度见表2，其中进风侧瓦斯浓度由初始的25.6%降低至8.7%、回风侧瓦斯浓度由初始的27.8%降低至8.6%，老空区内瓦斯得到了有效惰化。进、回风侧的O2浓度在分阶注氮后均低于5%，采空区中遗煤不具备自然发火条件，起到了防治煤自燃的目的。同时进、回风侧CO浓度都降至0 ppm，说明老空区不存在氧化现象。

图11 12032回风巷走向插管抽放瓦斯方案

表2 采空区进风密闭注氮、回风密闭抽放、边抽边注前后气体浓度变化

待下分层顺槽掘进及工作面开拓布置完成后，先通过进风顺槽插管注氮，然后通过回风顶板走向插管抽放，实施了顶板走向钻孔间歇注氮与抽放技术。并利用进、回风顺槽施工的钻孔，检测到采空区内气体组分变化见表3。进风巷顶板钻孔注氮、回风巷顶板钻孔抽放阶段的瓦斯浓度均远低于利用密闭注氮—抽放期间的超前钻孔内的瓦斯浓度，可见通过该阶段的注氮—抽放对采空区瓦斯的稀释效果更加显著。O2浓度低于5%，不具备煤自燃条件。CO浓度为0 ppm，说明采空区不存在氧化现象。

表3 顶板走向钻孔间歇注氮与抽放前后气体浓度变化

为了检验上述措施对下分层掘进的保证效果，在掘进期间，跟踪了掘进迎头的瓦斯及CO涌出情况，如图12、图13所示。

图12 下分层进风顺槽掘进期间气体涌出统计

图13 下分层回风顺槽掘进期间气体涌出统计

在下分层掘进期间，进风顺槽瓦斯浓度在0.08%～0.33%之间，回风顺槽瓦斯浓度在0.03%～0.35%之间，瓦斯涌出量未超限。CO浓度均为0 ppm，采空区内不存在氧化情况，可以保护下分层顺槽掘进的安全。

5 结论

(1) 以新疆某矿12032下分层工作面、12031上分层采空区为研究对象，利用COMSOL模拟分析得到不同工况下采空区内瓦斯、氮气、氧气浓度场的变化规律，建立了老空区分解注氮—抽放技术体系。

(2) 现场监测结果表明，实施分阶注氮—抽放后，老空区瓦斯浓度降至4.8%左右；在下分层掘进期间，进风顺槽瓦斯浓度在0.08%～0.33%之间，回风顺槽瓦斯浓度在0.03%～0.35%之间，有效防止了老空区瓦斯涌出及瓦斯超限现象；老空区内氧气浓度基本稳定在5%以下，CO消失，老空区得到有效惰化。

(3) 在分阶注氮-稀释方式下，可实现对老空区瓦斯的稀释与置换，及协同降低老采空区氧气浓度，有利于防止老空区遗煤二次氧化的发生，该方法为近距离分层开采瓦斯涌出及煤自燃协同防治提供了技术参考。