某煤矿综放采空区瓦斯与火治理技术

董 强

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室）

综放工作面采空区会遗留下大量浮煤，造成较高浓度的瓦斯涌向工作面。另一方面，综放工作面回采过程中需加大风量，会导致工作面向采空区内漏风风量较大，进而引起采空区浮煤的自然发火［1］。由此可见，综放采空区瓦斯与火治理技术尤为关键，合理的工作面回采技术参数，如风量、瓦斯抽采量、注氮量，会牵制综采工作面的安全生产［2-3］。

本研究选取某煤矿206 综放工作面，以4 号煤综放采空区为研究对象，通过FLUENT软件数值仿真手段，得出最优化的工作面瓦斯与火治理技术工艺参数，用以指导工作面安全生产。

1 工作面概况

206 综放工作面主采4 号煤层，厚度18.35 m，分层开采，煤层平均倾角为4°，东为205 综采工作面采空区，西、南、北侧均未开采，206 综放工作面本煤层采厚为6 m，工作面布置见图1。

206 综放工作面走向长2 246 m，切眼长180 m，最大风量为1 850 m³/min，工作面布置有206 运输巷道、206 回风巷道、206 灌浆巷道、206 顶板高抽巷，瓦斯 含 量 为 6.74～6.86 m3/t，瓦 斯 压 力 为 0.54～0.624 MPa，工作面回采率为90%，产量约为9 100 t/d。

2 自燃煤层综放采空区瓦斯与火灾害特性

放顶煤开采方式导致206 综放工作面在开采过程中会有大量的顶煤遗留到采空区中，遗留的煤炭会涌出大量瓦斯，需要进行瓦斯抽采防治，但是瓦斯抽采会导致采空区流场发生变化，另外工作面涌向采空区的空气也会由于瓦斯抽采的作用，改变采空区氧气流场。206综放工作面开采的4号煤层是二类自燃煤层，当采空区氧气流场改变时，会存在自燃危险，需要采取防治火灾的技术措施。

也就是说，治理瓦斯的同时会引起采空区自燃的危险性，采空区需要对有可能自燃的危险区域进行防治火灾发生的技术措施。采空区在抽采条件下，自燃危险区域的划分有以下影响因素。

（1）采空区遗煤厚度。根据现场实际情况，绘制了206 综放采空区最小遗煤分布，见图2。由图2 看出，采空区最小遗煤厚度为1.71～5.25 m，4 号煤的自燃临界温度为60～75 ℃，当遗煤厚度大于0.6 m时，就有自燃危险性［4］。可见，采空区漏风流场满足条件时，采空区全区域都有自燃的危险性。

（2）自燃“三带”耦合划分。采空区自燃“三带”采用耦合划分方式：①散热带，漏风风速≥0.04 m3/min；②氧化带，漏风风速≤0.04 m3/min，并且氧气浓度≥10%；③窒息带，氧气浓度≤10%。

（3）采空区自燃危险区域。因为采空区遗煤厚度均有自燃危险性，所以自燃“三带”的划分结果中，采空区遗留下的煤炭如果正好处在氧化带范围之内，也就是说煤炭所处环境的氧气和漏风都符合条件，则自燃危险区域很大。

3 采空区瓦斯与火多场耦合数值仿真

3.1 采空区瓦斯与火多场耦合方程

3.1.1 采空区孔隙率、渗透系数

206 综放采空区孔隙率取值按经验计算公式，选取同为4 号煤层放顶煤开采的彬长矿区下沟矿经验值［5］，按式（1）、式（2）计算孔隙率和渗透系数：

式中，f为孔隙率，%；K 为渗透性系数，m2/（Pa·s）；x为距离工作面的长度，m。

3.1.2 采空区遗煤耗氧方程

采空区内遗留的煤炭消耗氧气速度参考文献［6］，按式（3）计算。

式中，v 为氧气的消耗，kg/（m3·s）；ρy为采空区漏风风流的氧气密度，取1.429 g/L；λ 为氧气浓度衰减率，取5×10-5s-1；ct为遗留煤炭环境氧气浓度，%；cb为遗留煤炭氧化的最低氧浓度值，%。

3.2 采空区数值仿真几何模型建立

使用FLUENT 软件对206 综放采空区进行数值仿真［7］，采空区边界条件设置见表1，建立的模型见图3。

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3.3 采空区瓦斯与火数值仿真结果

使用 FLUENT 软件［8］，风量取1 200 m3/min，未采取注氮防灭火措施时，数值仿真的瓦斯浓度分布见图4。由图4可知，采空区深部瓦斯浓度较高，最大值3.5%。根据图2，采空区遗留的煤炭平均值为1.62 m，所以选择206 综放采空区2 m 高的平面，作为自燃“三带”划分的基准面［9］，此高度平面风速和氧气浓度分布见图5。

根据氧化带耦合划分的原则，当漏风风速≤0.04 m3/s，并且氧气浓度≥10%，则认为采空区的遗留煤炭处于氧化带范围之内，煤炭具有自燃危险，由图5 可知，0.004 m/s 风速曲线位置在距离工作面切顶线31 m 位置处，10%氧气浓度曲线位置在距离工作面切顶线124 m 处，宽度为93 m，在运输顺槽一侧，在没有采取瓦斯抽采技术措施时，工作面进风巷道一侧距离工作面切顶线31～124 m 位置采空区内遗煤具有很大的自燃危险。

4 采空区瓦斯与火协同治理及自燃危险区数值仿真

4.1 瓦斯与火协同治理技术

4.1.1 采空区瓦斯治理

采空区瓦斯治理采取的是高抽巷抽采采空区瓦斯，高抽巷层位布置影响着采空区瓦斯抽采的效果，206高抽巷剖面如图6所示。其中：

式中，H 为垂距，m；h1为冒落带高度，m；Δh 为距冒落带高度，m。

式中，S 为水平距，m；α 为顶板岩石断裂角，（°）；Δs 为距裂隙圈水平距离，m。

按式（4）计算H取21～40 m，按式（5）计算S取15～36 m。

4.1.2 采空区防灭火治理

206 综放工作面防灭火采取的是井下移动注氮泵，通过采空区支架后方的软筛管注入采空区内，注氮量为1 000～1 200 m3/h，注氮布局30 m，注氮管路进入采空区10 m后开始注氮，如图7所示。

4.2 采空区自燃危险区数值仿真

在206 工作面风量为1 200 m3/min、抽采量为140 m3/min 条件下，注氮量分别为 600，800，1 000，1 200 m3/h 时，采空区2 m 高的平面漏风风速和氧气浓度分布见图8。

如图8 所示，当注氮量不同时，0.004 m/s 上限漏风风速在回风巷道一侧，位置分别在50，51，52，52 m，对应图8（a）、（c）、（e）、（g）。10%氧气浓度在回风巷道一侧，位置分别在130，110，100，100 m，对应图8（b）、（d）、（f）、（h）。氧化带耦合划分是以0.004 m/s漏风风速曲线开始，至10%下限氧气浓度位置，经计算后的氧化带宽度如表2所示。

由表2 看出，随着注氮量的增加，氧化带最大宽带范围为80～48 m，当注氮量为1 200 m3/h 时，氧化带最大宽度为采空区52～100 m，宽度为48m。则工作面采空区遗煤的最短自然发火期。工作面每日最小推进速度≥2.05 m/d，则采空区遗留的煤炭没有自燃危险，否则采空区遗留煤炭有自燃的危险。

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4.3 工作面瓦斯与火共治效果

206综放工作面在2个月内的瓦斯与火治理技术下的推进速度、抽采量、风排瓦斯量、上隅角CO 浓度见图9所示。

由图9看出，工作面日推进速度为5～6 m，高抽巷抽采量（混合量）在140 m³/min左右，浓度在11%左右，纯量在15 m³/min左右，工作面风排瓦斯量在4 m³/min左右。束管埋设在20～60 m，采空区深部CO 最大值在 23 ppm 左右，最小值在 2 ppm 左右，206 综放工作面很好地兼顾了瓦斯抽采和防灭火。

5 结 论

（1）采用FLUENT 数值仿真软件对206 综放采空区进行建模，模拟了在没有抽采瓦斯时采空区流场。

（2）得出206 综放工作面在风量1 200 m³/min，抽采量 140 m³/min，注氮量 1 000 m³/h，推进速度大于2.05 m/d 时，就可以很好地兼顾采空区瓦斯抽采和防灭火。