苗建中，高慧奇

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

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·試驗研究·

高瓦斯礦井采空區(qū)瓦斯與遺煤自燃綜合防治技術(shù)

苗建中，高慧奇

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

針對潞安集團(tuán)某高瓦斯礦井綜放開采過程中采空區(qū)煤層易自燃問題，以N2202工作面為工程背景，采用水平分支井對工作面瓦斯進(jìn)行抽采，同時對采空區(qū)注入CO2氣體防治采空區(qū)自然發(fā)火?；贔LUENT通過CFD軟件包對該工作面注入CO2前后采空區(qū)內(nèi)CH4氣體濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，對采空區(qū)注入CO2氣體使得CH4氣體濃度梯度分布向采空區(qū)深部移動，并能有效對采空區(qū)內(nèi)瓦斯積聚帶瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行稀釋。CO2氣體的注入使得采空區(qū)內(nèi)氧化帶范圍減小，同時致使吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，在防治采空區(qū)自然發(fā)火的同時有效提高了水平分支井對采空區(qū)瓦斯抽采效率。該研究成果為受煤層高瓦斯和自燃影響的礦井提供了一定的借鑒意義。

高瓦斯礦井；采空區(qū)；自燃；水平分支井；CO2氣體；氣體置換

我國煤層瓦斯儲量巨大，礦井開采過程中瓦斯資源充分利用可以減小發(fā)生瓦斯致災(zāi)的幾率，還能提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，全國約有56%的煤礦存在自燃發(fā)生問題，具有自然發(fā)火危險的煤層占可采煤層總數(shù)的60%，其發(fā)生的自燃災(zāi)害次數(shù)占總自燃次數(shù)的70%以上[1，2]. 本文以潞安某高瓦斯礦井開采過程中瓦斯涌出量大、采空區(qū)浮煤易自燃為工程背景，采用水平分支井對工作面瓦斯進(jìn)行抽采的同時，對采空區(qū)注入CO2氣體防治采空區(qū)自然發(fā)火，對煤層瓦斯和自燃的綜合治理有著重要的意義。

1 工程概況

潞安集團(tuán)某礦北風(fēng)井東翼采區(qū)主要開采3號煤層，煤層傾角4°～11°，平均傾角7°，煤層厚度5.82～6.95 m，平均厚度6.27 m，綜放開采。自2006年投產(chǎn)以來，該礦井瓦斯涌出量呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，2014年礦井絕對瓦斯涌出量高達(dá)254.89 m3/min，其中采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面風(fēng)排瓦斯量的比例為17.24%～25.86%，因此對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采至關(guān)重要。3號煤層自燃傾向性為II級，屬于自燃煤層，煤層最短自燃發(fā)火期為52天。

對于工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大的難題，采用水平分支井在地面對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行負(fù)壓抽采，關(guān)于水平分支井地面負(fù)壓對工作面瓦斯抽采的研究，孟君等[3]已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，并且該技術(shù)已經(jīng)在該礦應(yīng)用成熟。在實施瓦斯抽采的過程中，極易造成采空區(qū)漏風(fēng)，考慮到3號煤層為自燃煤層，瓦斯抽采引起的漏風(fēng)、覆巖裂隙場發(fā)育、氧化蓄熱大于漏風(fēng)散熱等不利因素[4]，對綜放開采時采空區(qū)中遺留的浮煤自燃有明顯的促進(jìn)作用，從而導(dǎo)致采空區(qū)自燃等新的災(zāi)害的出現(xiàn)。針對3號煤層采空區(qū)存在的高瓦斯和易自燃等問題，提出了在對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采的前提下，對采空區(qū)注入CO2防治煤層自燃的技術(shù)思路，并在N2202工作面回采階段進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)示意圖見圖1.

為了研究在采空區(qū)中注入CO2氣體時對采空區(qū)內(nèi)原有CH4氣體的置換吸附效果，采用混合粒徑煤樣來模擬還原采空區(qū)煤體破碎塊體大小的不均勻性，取3組混合粒徑(0.075～0.5 mm、0.5～2 mm、2～5 mm、>5 mm)煤巖各50 g，在常溫常壓狀態(tài)下，使其處于CH4氣體吸附飽和狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，注入CO2氣體使其趨于吸附飽和狀態(tài)，3組煤樣的置換吸附實驗結(jié)果見表1. 由表1可知，注入CO2氣體能夠很好地對煤樣中的CH4氣體進(jìn)行置換吸附，常溫常壓下置換吸附平均比率高達(dá)20.58%. 因此，對采空區(qū)注入CO2氣體能夠起到提高采空區(qū)內(nèi)游離狀態(tài)的CH4氣體量的作用，在防治采空區(qū)自燃的基礎(chǔ)上提高采空區(qū)瓦斯抽采率。

圖1 工作面采空區(qū)注入CO2氣體及瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖

表1 CO2氣體置換吸附實驗結(jié)果表

2 采空區(qū)注入CO2氣體后自燃“三帶”特征

2.1 注入CO2氣體采空區(qū)數(shù)值模擬

根據(jù)N2202工作面地質(zhì)條件，對N2202工作面回采過程中工作面瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計平均，可知其平均瓦斯涌出量為81.79 m3/min. 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)內(nèi)不同深度位置處平均瓦斯涌出量與工作面平均瓦斯涌出量存在式(1)所示關(guān)系：

(1)

式中：

QCH4—工作面平均瓦斯涌出量，m3/min；

L—工作面傾向長度，m；

x—采空區(qū)不同深度處，m.

通過公式(1)可以計算出采空區(qū)不同深度x處的瓦斯涌出量，CO2氣體注入位置設(shè)置在距離工作面30 m的采空區(qū)內(nèi)，注入量取值1 000 m3，工作面通風(fēng)量取值1 500 m3/min，采空區(qū)漏風(fēng)量取值300 m3/min，采空區(qū)冒落帶和裂隙帶高度根據(jù)現(xiàn)場勘測情況取值50 m. 基于FLUENT通用CFD軟件包對N2202工作面注入CO2氣體前后采空區(qū)內(nèi)CH4氣體濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖2. 由圖2可知，CO2氣體注入前高濃度瓦斯在采空區(qū)深部高度集中，且容易在回風(fēng)平巷側(cè)形成靠近工作面的瓦斯積聚帶，瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)60%～70%.當(dāng)對工作面采空區(qū)注入CO2氣體后，采空區(qū)內(nèi)CH4氣體濃度梯度明顯向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，且回風(fēng)平巷側(cè)形成的靠近工作面的瓦斯積聚帶由于CH4氣體濃度的降低而得以消除，可見CO2氣體的注入使得采空區(qū)內(nèi)CH4氣體濃度梯度分布向采空區(qū)深部移動，并能夠有效的對采空區(qū)內(nèi)瓦斯積聚帶內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行稀釋。

圖2 采空區(qū)CH4氣體濃度云圖

2.2 采空區(qū)注入CO2氣體現(xiàn)場試驗

對采空區(qū)注入CO2氣體時會打破采空區(qū)原有多組分氣體的狀態(tài)而使其進(jìn)行運移，導(dǎo)致采空區(qū)氣體分布規(guī)律發(fā)生變化，進(jìn)而影響到采空區(qū)自燃“三帶”的分布狀態(tài)。以采空區(qū)O2氣體分布情況來推斷采空區(qū)浮煤氧化狀況，進(jìn)而劃分出采空區(qū)自燃“三帶”[5]. 在N2202工作面回采過程中，對采空區(qū)進(jìn)行了為期3個月的CO2氣體注入工業(yè)性試驗，采用束管監(jiān)測點對采空區(qū)注入CO2氣體前后采空區(qū)內(nèi)氣體濃度變化情況進(jìn)行監(jiān)測。CO2氣體注入量要能夠滿足采空區(qū)氧化帶內(nèi)遺留浮煤所需，注入量可以按式(2)進(jìn)行計算：

(2)

根據(jù)以往監(jiān)測結(jié)果，采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量Q0取值10 m3/min，氧化帶內(nèi)O2氣體濃度上限平均值C1按10%計算，采空區(qū)內(nèi)惰化防火指標(biāo)C2按臨界O2氣體濃度達(dá)到5%為完成指標(biāo)，注入采空區(qū)內(nèi)的CO2氣體濃度CN按99%計算，備用系數(shù)K取值1.35，則可計算出采空區(qū)注入CO2氣體量QN應(yīng)滿足900 m3. 因為N2202工作面為綜放開采，考慮到工作面每天推進(jìn)距離較短，而每噸液態(tài)CO2氣體約為600 m3，因此采用日夜各注入一次CO2氣體，每次注入1.5 t左右。

采空區(qū)束管監(jiān)測點隨著進(jìn)入采空區(qū)距離的增大，其監(jiān)測氣體濃度變化曲線見圖3. 圖3a)為注入CO2氣體前監(jiān)測到的采空區(qū)氣體變化規(guī)律，從圖3a)可知O2氣體隨著監(jiān)測點進(jìn)入采空區(qū)距離的增大而逐漸減小，在采空區(qū)深部35 m位置處O2氣體濃度依舊高達(dá)18.5%以上，直致采空區(qū)深部100 m位置處O2氣體濃度下降至10%以下，最終濃度趨于穩(wěn)定在3%左右。圖3b)為注入CO2氣體后監(jiān)測到的采空區(qū)氣體變化規(guī)律，CO2氣體注入位置為采空區(qū)深部30 m處，注入CO2氣體后N2202工作面回風(fēng)平巷以及上隅角等位置處的O2氣體濃度依舊能夠保持在20 %左右，這與未注入CO2氣體時基本一致，說明注入CO2氣體不對采掘工作面安全生產(chǎn)造成影響。大量CO2氣體的注入致使O2氣體濃度在采空區(qū)深部20 m位置處低于15%，在采空區(qū)深部70 m位置處O2氣體濃度下降至10%以下，最終濃度趨于穩(wěn)定在2%左右。由于N2202工作面采用綜放開采，采空區(qū)中遺留的大量浮煤解吸產(chǎn)生了大量的CH4氣體，并積聚在采空區(qū)內(nèi)。在整個束管監(jiān)測范圍內(nèi)，CH4氣體濃度在采空區(qū)深部100 m位置處開始趨于穩(wěn)定，未注入CO2氣體時濃度穩(wěn)定于20%左右，注入CO2氣體時濃度穩(wěn)定于35%左右，可見，CO2氣體的注入使得采空區(qū)內(nèi)原來吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，可更好地利用水平分支井對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

圖3 采空區(qū)氣體隨埋入距離變化曲線圖

根據(jù)束管監(jiān)測點對采空區(qū)氣體濃度的監(jiān)測結(jié)果，以O(shè)2氣體濃度為依據(jù)對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，N2202工作面采空區(qū)注入CO2氣體前后自燃“三帶”劃分見圖4. 由圖4可知，CO2氣體的注入使得采空區(qū)中窒息帶的范圍增大，氧化帶范圍減小，并使得氧化帶范圍內(nèi)的煤體惰性增強，減小了采空區(qū)氧化自燃的可能性。

圖4 采空區(qū)CO2氣體注入前后“三帶”分布變化圖

3 瓦斯抽采監(jiān)測

對N2202工作面采空區(qū)采用水平分支井進(jìn)行地面抽采瓦斯時，注入CO2氣體前后瓦斯抽采量基本不受影響，在27.6 m3/min上下波動，見圖5a). 對于抽采氣體中CH4氣體和CO2氣體濃度監(jiān)測結(jié)果見圖5b). 從圖5可知，對采空區(qū)注入CO2氣體后，CH4氣體監(jiān)測濃度呈現(xiàn)增大趨勢，由原先平均濃度35.61%增高至49.25%，而CO2氣體監(jiān)測濃度基本穩(wěn)定在3.3%左右，說明對采空區(qū)注入CO2氣體防滅火能夠有效提高瓦斯抽采濃度，同時注入的CO2氣體能夠基本保留于采空區(qū)內(nèi)，不會隨著瓦斯抽采而被抽出。

圖5 注入CO2氣體前后水平分支井瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié) 論

1) 針對某高瓦斯礦井綜放開采過程中采空區(qū)易自燃問題，提出采用水平分支井地面負(fù)壓抽采采空區(qū)積聚瓦斯，并對采空區(qū)注入CO2氣體防治采空區(qū)自

然發(fā)火問題。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，對采空區(qū)注入CO2氣體能夠使得CH4氣體濃度梯度分布向采空區(qū)深部移動，并能夠有效地對采空區(qū)瓦斯積聚帶內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行稀釋?，F(xiàn)場試驗表明，以O(shè)2氣體濃度為依據(jù)對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，CO2氣體的注入使得采空區(qū)中窒息帶的范圍增大，氧化帶范圍減小，減小了采空區(qū)氧化自燃的可能性。

3) 采空區(qū)埋入的束管監(jiān)測點以及水平分支井抽采氣體監(jiān)測結(jié)果均表明，CO2氣體的注入使得采空區(qū)內(nèi)原來吸附于煤體中的部分CH4氣體被置換出來，有效地提高水平分支井對采空區(qū)瓦斯抽采效率。

[1] 王銀輝，艾 興，趙 濤，等．高瓦斯沿空留巷采空區(qū)自燃危險區(qū)域數(shù)值模擬[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13(4)：53-57．

[2] 張 超．高瓦斯易自燃煤層采空區(qū)CO2防滅火技術(shù)研究[D]．太原：太原理工大學(xué)，2015．

[3] 孟 君．水平分支井技術(shù)在地面負(fù)壓抽采目的層瓦斯中的應(yīng)用[J]．煤礦開采，2014，19(5)：86-88．

[4] 楊增強，曹 明，劉 磊，等．采用氡氣預(yù)測煤礦自然發(fā)火[J]．煤礦安全，2010，12(7)：45-47．

[5] 文 虎，張 澤，趙慶偉，等．煤層分層前后采空區(qū)自燃“三帶”的數(shù)值模擬[J]．煤礦安全，2017，48(3)：178-181．

Comprehensive Prevention and Control Technology for Gas and Coal Spontaneous Combustion in High Gassy Coal Mine

MIAO Jianzhong, GAO Huiqi

Gob side in a coal mine in Lu′an Group is prone to coal powder spontaneous combustion, the engineering in N2202 face is observed in this paper. The Y shaped tunnels are used for gas drainage, meanwhile the CO2is injected to the goaf area to prevent possible spontaneous combustion. Based on FLUENT with CFD, The concentration of CH4in the goaf before and after the injection of CO2in the working face is numerically simulated. The results showed that CO2injection to the goaf made the CH4distributed in a gradient and profile way, and can effectively dilute the gas concentration. Injection of CO2makes the goaf oxidation zone decreased, part of the CH4gas adopted inside coal is replaced, spontaneous combustion prevented, gas drainage efficiency also increased.

High-gas mine; Goaf; Spontaneous combustion; Horizontal multilateral well; CO2; Gas replacement

2017-03-25

苗建中(1967—)，男，山西襄垣人，2017年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事巷道掘進(jìn)管理工作

(E-mail)iceiceice185@163.com

TD75+2.2

B

1672-0652(2017)05-0004-04