大直径钻孔瓦斯抽采对采空区遗煤自燃影响研究

郭志锋 周钰博 岳治勇

（1.山西石泉煤业有限责任公司，山西 长治 046000；2.华电煤业集团有限公司，北京 100035）

石泉煤矿为高瓦斯矿井，采用综采放顶煤开采，全部垮落法处理顶板。由于高瓦斯矿井煤层开采后形成的采空区内部环境非常复杂，且氧化升温是动态变化的过程，不同的采煤方法、通风方式及瓦斯抽采方式等因素直接影响着遗煤自燃。高瓦斯煤层开采过程中，瓦斯抽采治理与采空区遗煤自燃相互制约，采用大直径瓦斯抽采和增大风量会引起漏风量增加，导致遗煤加速自燃，而通过减小风量或封堵控制遗煤自燃，又增加了采空区瓦斯爆炸危险，特别是放顶煤开采采空区遗煤量较大，氧化升温达到自燃点更易引起自燃灾害和瓦斯爆炸，直接威胁矿井的安全生产[1-3]。目前，很多学者已针对采空区遗煤氧化升温进行了大量研究，卢平等[4]研究了潘三煤矿工作面顶板走向长钻孔卸压瓦斯抽放和本煤层顺层孔抽放等瓦斯与煤自燃综合治理技术。李宗翔等[5]通过总结研究采空区遗煤氧化环境-自燃升温规律，详细分析了自燃采空区遗煤耗氧-升温的区域分布特征。采用数值模拟分析了821 工作面高位钻孔抽放瓦斯条件下采空区漏风及氧气浓度分布特征，得出了采空区遗煤自燃区域分布规律，研究了高位瓦斯抽采钻孔抽采压力对综放采空区遗煤自燃范围的影响[6]。大直径钻孔瓦斯抽采技术是近年来才兴起并应用在高瓦斯矿井[7-11]，对于该技术条件下的采空区遗煤自燃致灾风险规律的研究还处于初级阶段，通过研究大直径钻孔抽采对采空区遗煤自燃的影响，对高瓦斯矿井的安全生产有着非常重要的现实意义。

本文以石泉煤矿30107 工作面为试验区，结合现场实际条件，通过具有高可重复性、低成本的数值模拟手段对大直径钻孔深入采空区不同位置时的氧气浓度和温度场进行模拟分析，并通过现场监测采空区内氧气浓度及温度场分布情况与数值模拟结果进行对比来研究在大直径钻孔抽采条件下氧化升温致灾风险区域划分，探索和分析大直径钻孔抽采技术对采空区遗煤自燃的影响规律，为具有类似地质技术条件的采空区遗煤氧化升温致灾风险的矿井提供参考。

1 概况

30107 综放工作面所采煤层为3#煤，煤层平均厚度为6.0 m，倾角平均5°，埋深平均400 m，顶板为砂岩，底板为砂质泥岩。矿井瓦斯绝对涌出量44.34 m3/min，瓦斯相对涌出量11.72 m3/t，原始瓦斯压力0.62 MPa，为高瓦斯矿井。采用综采放顶煤开采，全部垮落法处理顶板，工作面采用U 型通风。

2 大直径钻孔瓦斯抽采条件下遗煤氧化升温自燃数值模拟

大直径钻孔瓦斯抽采技术是应用在高瓦斯矿井中解决上隅角瓦斯超限问题的抽采技术，其是通过大直径钻机施工大直径瓦斯抽采钻孔，形成由邻近巷道侧向抽采工作面回风侧的抽采钻孔，实现大流量、低负压瓦斯抽采，提升了抽采效率和瓦斯治理效果。该技术主要是以瓦斯治理为主，而缺少不同位置瓦斯抽采钻孔对采空区遗煤自燃的影响分析。通过建立数值模拟模型，模拟瓦斯抽采钻孔在不同位置采空区内自燃带及温度场的变化，探究大直径钻孔瓦斯抽采条件下遗煤氧化升温规律。

2.1 数值模拟物理模型及参数设定

Fluent 数值模拟软件是基于完全非结构化网格的有限体积法，采用单元梯度算法，可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。通过Fluent 模拟软件模拟瓦斯抽采钻孔距工作面不同距离采空区内自燃带范围和温度场的变化情况，分析大直径钻孔抽采对采空区遗煤自燃的影响规律。

模型参数：30107 综放工作面长度180 m，切眼宽6 m；采空区长度260 m，宽180 m，高20 m；进回风巷宽5 m，高3.2 m；大直径抽采钻孔孔径为250 mm。

数值模型边界条件：进风巷道口边界条件设为速度入口，设置风速为2 m/s，氧气体积分数为21%；回风巷道口设为自由出口；大直径钻孔抽采口设为速度入口，设置风速为-7.8 m/s；工作面与采空区、抽采孔与采空区的交界处分别设为一对内界面，其他面设为墙体，采空区区域设置为多孔介质并对孔隙率、渗透率进行UDF 程序编译，采空区瓦斯涌出量为4.78 m3/min，工作面孔隙率设为95%。

2.2 采空区内遗煤自燃带范围数值模拟分析

数值模拟中，通过设置大直径瓦斯抽采钻孔深入采空区不同位置，模拟大直径瓦斯抽采钻孔距工作面距离L分别为15 m、25 m、35 m 和45 m 时采空区内遗煤自燃带范围（为了保证瓦斯抽采效果，钻孔不应深入采空区45 m）。自燃带范围按采空区内氧气浓度和漏风风速两种方法确定。当采空区内氧气浓度分布在5%～18%或漏风强度在0.1～0.24 m/min 范围时，该区域属于自燃带。两种方法模拟结果在模拟图中显示（其中两等值线之间区域代表氧气浓度自燃带范围，云图区域代表漏风强度自燃带范围），模拟结果均为高度z=1 m 的截面图，模拟结果见图1、表1。

表1 钻孔距工作面距离与自燃带宽度关系 m

图1 采空区遗煤氧化自燃带范围

根据数值模拟结果，通过速度场判断采空区自燃带范围。由图1 和表1 可知，随着大直径抽采钻孔距工作面距离的增大，自燃带在进风侧深度保持不变，均为20 m，宽度逐渐增加。自燃带在回风侧深度增加，宽度增加，且受瓦斯钻孔抽采的影响，在钻孔附近的漏风强度大于0.24 m/min，形成一块非自燃带区域。当大直径抽采钻孔距工作面距离由15 m 增大到25 m 时，由于钻孔还处于采空区浅部，多孔介质孔隙率较大，漏风强度大于0.24 m/min 的区域增加，自燃带深度由20 m 增大到28 m。随着钻孔继续深入采空区，受上覆岩层应力作用，采空区逐渐被压实，介质孔隙率减小，风阻增大，深入采空区的钻孔对采空区浅部区域风流渗流的影响减弱，导致漏风强度小于0.24 m/min 的区域增大，自燃带深度逐渐由28 m 减少到20 m。

通过采空区氧气浓度场判断自燃带范围。随着大直径抽采钻孔距工作面距离的增大，自燃带在进风侧深度由56 m 增大到62 m 后保持不变，宽度逐渐增大；自燃带在回风侧深度不变，宽度增加；自燃带在中间区域深度不变，宽度增加。整体上，随着钻孔距工作面距离的增大，通过速度场和氧气浓度场判断的自燃带区域均呈现逐渐增大的趋势，不利于预防采空区遗煤自燃。

2.3 采空区内温度场数值模拟分析

模拟以孔代巷大直径抽采钻孔距工作面不同距离（L为15 m、25 m、35 m 和45 m）时采空区内温度场，通过分析不同距离采空区内温度场分布及变化规律，结合高温核心区域范围，判断容易发生自燃区域。模拟温度采用开氏温度（单位K）。采空区内温度场分布模拟结果如图2。

由图2 可知，随着以孔代巷大直径抽采钻孔距工作面距离的增大，采空区高温区域不断扩大并向回风侧方向延伸。温度大于313 K 的高温核心区域变大，位置处于进风侧。由进风侧到回风侧，采空区高温区域不断减小。由模拟结果分析可知，漏风流中的氧气与遗煤发生氧化反应产生热量，积聚的热量使采空区内温度逐渐升高，当温度达到遗煤燃点即可发生自燃。温度场中高温核心区位于进风侧深入采空区95～165 m 范围，结合采空区自燃带范围数值模拟结果可知，该区域大部分处于自燃带范围，属于易发生自燃区域。因此，以孔代巷抽采钻孔距工作面距离越大，采空区易发生遗煤自燃的高温核心区域也越大，不利于预防自燃，且随着钻孔深入采空区，钻孔周边范围也会逐渐形成高温区，增大了自燃风险，更不利于自燃的管控。

3 现场试验

通过对采空区气体和温度的监测，分析采空区内各点气体的浓度场和温度场分布，验证数值模拟准确性。以30107 综放工作面为试验区，将监测点布设在支架后方及工作面两侧顺槽内，两顺槽各布置1 个测点，切眼布置3 个测点，温度测点的布置与束管的安装同时进行，并将测温探头与束管抽气口处固定到一起。束管及测温电缆外侧采用Φ50 mm 钢管进行保护，并将其安设在距顶板50 cm 处。工作面测点布置如图3。

图3 30107 工作面测点布置图

通过对以孔代巷抽采钻孔距工作面距离L分别为15 m、25 m、35 m 和45 m 时的采空区内氧气浓度和温度进行监测，分析采空区内各点的氧气浓度和温度。由于采空区条件复杂，在束管敷设中可能出现断裂导致无法采集数据的现象，应将缺失的数据剔除。采空区各测点氧气浓度和温度实测结果（以L为15 m 为例）见表2。

表2 采空区各测点氧气浓度与温度实测结果

由表2 可知，随着测点距工作面距离的增大，采空区内氧气浓度呈现逐渐降低的趋势，进风侧氧气浓度由19.6%降低为5.3%，回风侧氧气浓度由5.1%降低为1.0%。由于工作面沿程氧气消耗，由进风侧到回风侧采空区内氧气浓度也不断减小。整体上，工作面采空区浅部氧气浓度较大，向采空区深部浓度逐渐衰减，呈现出典型的U 型工作面氧气浓度分布形态。实测氧气浓度分布规律与数值模拟采空区温度场分布结果相对应。随着测点距工作面距离的增大，进风侧5#测点采空区温度不断增大，而回风侧1#测点采空区温度先减小后增大再减小。距工作面15 m 处，由进风侧到回风侧采空区温度逐渐增大；距工作面135 m 处，由进风侧到回风侧采空区温度逐渐减小。现场采空区实测温度分布结果与数值模拟温度分布规律相一致。对比分析以孔代巷大直径抽采钻孔距工作面距离L为15 m 时的采空区各测点氧气浓度与温度实测和数值模拟结果发现，实测数值与模拟数值相差较小，氧气浓度最大差异值为0.7%，温度最大差异值为0.8 K，且各测点实测数值随钻孔距工作面距离的变化趋势与模拟结果基本一致，表明了模拟结果的可靠性。

4 结论

1）以采空区自燃带范围为基础，进一步模拟采空区温度场，可以直观反映大直径瓦斯抽采钻孔位置对采空区自燃带范围的影响规律，并对自燃带范围模拟结果起到间接验证的作用。

2）模拟表明以孔代巷大直径抽采钻孔距工作面距离增大，通过速度场和氧气浓度场判断的自燃带区域均增大，最易发生自燃的高温核心区域也增加，且随着钻孔深入采空区，钻孔周边范围也会逐渐形成高温区，提高自燃风险，更不利于采空区自燃的控制。

3）氧气浓度与温度场模拟结果与采空区各测点实测结果相比，氧气浓度最大差异值为0.7%，温度最大差异值为0.8 K，表明实测值与模拟值相差很小，验证了模拟结果的可靠性，为以孔代巷大直径钻孔瓦斯抽采技术采空区自燃灾害防治提供依据。