褚廷湘，蘇媛媛

(華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

高瓦斯近距離煤層回采過程中，因?qū)娱g距較小，在下部煤層回采過程中致使覆巖裂隙進一步發(fā)育，導致層間貫通，上部老空區(qū)在氣體壓差作用下，易造成上覆老空區(qū)積存瓦斯涌向下部工作面，增大下部工作面瓦斯涌出量，易誘導上隅角、回風巷瓦斯超限及有毒有害氣體涌出，進而威脅下伏工作面通風安全及工作人員生命健康[1-3]。因此，近距離高瓦斯自燃煤層分層開采易誘導瓦斯異常涌出及煤自燃等復合災害發(fā)生。注氮是采空區(qū)遺煤發(fā)火防治的常用措施之一，不僅能夠惰化采空區(qū)而且可以稀釋瓦斯?jié)舛?、增大采空區(qū)壓力減少漏風量，而且還可降低瓦斯有效分壓，促使吸附態(tài)瓦斯解吸，起到促排/促抽瓦斯的作用[4-5]。鑒于采空區(qū)的特殊性和復雜性，許多學者應用實驗或者模擬仿真來研究不同注氮參數(shù)條件對采空區(qū)氣體分布規(guī)律的影響[6]；樊克松[7]等通過CFD數(shù)值模擬研究得出超前注氮間距越大泄水巷內(nèi)瓦斯?jié)舛仍酱?，注氮量越大泄水巷?nèi)瓦斯?jié)舛仍叫〉慕Y論；年軍[8]等利用Fluent模擬氮氣與巷道內(nèi)氣體混合的狀況和形式，得出利用氮氣注入巷道驅(qū)替瓦斯的方法，不僅經(jīng)濟環(huán)保，同時穩(wěn)定可靠，對處理礦井內(nèi)瓦斯積聚，盲巷和密閉瓦斯問題的處理，提供了安全可靠的處理方式；王文才等[9]通過模擬采空區(qū)注氮防滅火結果得出，向采空區(qū)注氮可以有效減小采空區(qū)氧化帶的范圍；金永飛等[10]通過FLUENT數(shù)值模擬得出合理的注氮量和注氮位置，為該煤層后續(xù)開采的防滅火工作提供參考；文虎等[11]利用CFD模擬軟件確定了最小安全推進速度，并提出減少遺煤、兩隅角封堵、進風側注氮與回風側注漿等針對性的防滅火技術措施；許石青等[12]通過將不同注氮形式下采空區(qū)內(nèi)溫度場及氧氣濃度變化的模擬結果與實際監(jiān)測比較，得出針對高瓦斯礦井，相同注氮量下，聯(lián)合注氮的防滅火效果比單一注氮好。

現(xiàn)有研究對注氮防治火災及瓦斯災害開展了富有意義的工作，但鮮有考慮近距離分層開采老空區(qū)的瓦斯與煤自燃協(xié)同治理的問題。因此，本文以新疆某礦12032下分層工作面、12031上分層采空區(qū)為研究對象，針對近距離老空區(qū)瓦斯涌出與煤自燃協(xié)同防控問題，通過模擬分階注氮—抽放不同方式條件下老空區(qū)氣體組分的變化特征與分布規(guī)律，進而提出了分階注氮—抽放技術方案，為近距離煤層群老空區(qū)瓦斯與煤自燃災害的協(xié)同防治提供了技術指導。

1 工作面概況

新疆某礦12032綜采工作面是二采區(qū)12031采煤工作面下分層工作面，是開采IV13煤層下分層第一個工作面。IV13煤層為II類自燃煤層，煤層傾角平均30°，煤層平均厚度為2.3 m，發(fā)火期在3～6個月，煤層瓦斯含量6.4 m3/t。12032工作面開拓布置環(huán)境較為復雜(如圖1所示)，西部為12031工作面采空區(qū)(綜放段)；南為12010工作面采空區(qū)；北部為12051上分層采空區(qū)；工作面上部為12031工作面采空區(qū)(綜采段)。12032上順槽布置在保護煤柱下方，沿下層煤掘進，與上層煤間距約2.7 m；12032下順槽布置在12031綜采段采空區(qū)下方，直接頂為粉-細砂巖，距上部12031老空區(qū)2 m。

2 老空區(qū)瓦斯與煤自燃風險與防治策略

如圖1所示，結合12032工作面四鄰關系可知，在12032回采期間，其工作面瓦斯主要由12031上分層老空區(qū)、12051上分層老空區(qū)、12010老空區(qū)積存瓦斯涌出，以及12032下分層瓦斯涌出構成。其中，由于12032工作面與12031采空區(qū)間距只有2.7 m左右，煤層距離近，受重復采動影響，層間易貫通，造成12031老空區(qū)內(nèi)積存瓦斯涌向下部12032工作面，下部工作面瓦斯涌出量增大，易導致上隅角瓦斯超限，威脅下部回采通風安全，因此，12031上分層老空區(qū)積存瓦斯對12032工作面回采影響最大。如圖2 所示，通過12031密閉墻對老空區(qū)內(nèi)的氣體進行監(jiān)測，得到氣體賦存狀態(tài)。12031老空區(qū)密閉內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?2.6%～24.8%，瓦斯?jié)舛容^高；12031老空區(qū)密閉內(nèi)氧氣濃度為8%～9%，遺煤具備自燃發(fā)生條件。同時在12032順槽掘進、回采過程中有可能造成上覆老空區(qū)瓦斯的大量涌出，對下分層開拓開采帶來威脅。

圖1 12032工作面井下四鄰關系

圖2 12031老空區(qū)內(nèi)氣體組分

為防治12031老空區(qū)瓦斯與煤自燃災害，根據(jù)采空區(qū)狀態(tài)，擬采取分階注氮—抽放聯(lián)合處理方式對12031老空區(qū)進行處理。通過注氮一方面稀釋瓦斯、降低老空區(qū)氧氣濃度，惰化老空區(qū)；另一方面，注氮稀釋瓦斯后，對老空區(qū)瓦斯抽放，置換瓦斯，進而降低老空區(qū)瓦斯賦存量與濃度；同時可對后期12032下分層回采期間的瓦斯涌出及12031老空區(qū)遺煤二次氧化起到協(xié)同防治效果。

3 老空區(qū)分階注氮—抽放瓦斯稀釋置換數(shù)值模擬分析

3.1 幾何模型創(chuàng)建及基本參數(shù)

在建立老空區(qū)幾何模型時，將老空區(qū)視為規(guī)則的長方體，忽略采場礦壓及老空區(qū)煤炭自燃等因素的影響。根據(jù)12031上分層老空區(qū)的物理尺寸，建立模型的工作面走向長度300 m、傾向長150 m、冒落帶高度16 m(根據(jù)經(jīng)驗公式結合模擬計算得出高度)。在COMSOL中建立等比例的老空區(qū)二維平面模型，對已建立的老空區(qū)物理模型進行網(wǎng)格剖分如圖3所示。

采空區(qū)模型基本參數(shù)設置見表1。其中采空區(qū)的壓力邊界、濃度邊界和溫度邊界的設置來自采空區(qū)注氮出口壓力、抽放壓差及注氮量、初始采空區(qū)氣體組分和內(nèi)部溫度。

圖3 幾何模型

表1 采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)

3.2 模擬方案

(1)在12031進風密閉墻側注氮15 d，觀察采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況；

(2)在第(1)步計算的結果上，模擬12031進風密閉墻側注氮、回風密閉墻側抽放同時進行30 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況；

(3)在第(2)步模擬的結果的基礎上，模擬12032下分層進風巷頂板走向插管注氮15 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況。

(4)在完成第(3)步模擬計算的結果上，模擬12032下分層回風巷頂板走向插管抽放15 d工況下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯、N2、O2濃度的分布情況。

3.3 模擬效果分析

3.3.1 老空區(qū)氮氣分布模擬效果

圖4反映了不同注氮及抽放階段，采空區(qū)N2運移及濃度分布特征。如圖4(a)、圖4(b)所示，N2運移區(qū)域變化并不明顯，說明在密閉墻邊注邊抽的情況下，注氮對采空區(qū)的惰化效果不明顯，注入N2因抽放流出采空區(qū)，對采空區(qū)的稀釋作用降低。綜合圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)可知，先注后抽方式下，采空區(qū)惰化效果非常顯著；如圖4(c)所示，下分層進風巷插管注氮15 d后，采空區(qū)內(nèi)氮氣惰化區(qū)域明顯增加，N2濃度80%以上區(qū)域由60%增加到80%左右；與圖4(c)相比，在圖4(d)中，采空區(qū)氮氣濃度80%以上區(qū)域由80%增加到95%左右。由此可見注-抽結合對采空區(qū)惰化效果最好。通過圖4 中四個階段的模擬，可以發(fā)現(xiàn)采取注抽結合的階段注氮技術能夠?qū)崿F(xiàn)采空區(qū)的高度惰化。

圖4 不同注氮與抽放方式下N2運移及分布

3.3.2 老空區(qū)瓦斯稀釋置換效果

就技法本身的來看，指頭畫的特點與其適宜的題材以及所面對的觀眾是相互統(tǒng)一而成體系的?！爸改嬆舜髮懸獯址胖嫹N，故宜解衣磅礴，以亂頭粗服之法為之。為此，指畫題材亦以粗獷、簡古者為宜，并宜作大幅巨幛。倘若以冊頁斗方作纖細精工之畫，則無由得指畫之獨特意趣?！盵12]58

圖5為不同注氮及抽放階段的瓦斯分布模擬結果。如圖5(a)所示，進風密閉注氮15天后，采空區(qū)51.49%區(qū)域中瓦斯?jié)舛忍幱?%以下，說明進風密閉注氮對停采線附近區(qū)域的瓦斯稀釋作用明顯，但在注氮壓力的作用下，瓦斯往采空區(qū)深部移動，且瓦斯含量并未發(fā)生改變。對比圖5(b)與(a)發(fā)現(xiàn)，在圖5(b)中CH4被稀釋區(qū)域略有增大，回風密閉以里30 m范圍內(nèi)仍積存高濃度的瓦斯，稀釋效果不明顯。但是通過抽放，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被置換出來，從源頭降低了瓦斯的涌出來源，降低了12031采空區(qū)內(nèi)的瓦斯賦存量。如圖5(c)所示，瓦斯?jié)舛鹊陀?%的區(qū)域由圖5(b)的60%增加至80%，且高濃度瓦斯往采空區(qū)深部移動現(xiàn)象更加明顯；如圖5(b)所示回風密閉墻以里30 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?0%左右，而在圖5(c)階段，在回風密閉墻以里100 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%，說明瓦斯稀釋作用顯著。如圖5(d)所示，瓦斯?jié)舛鹊陀?%的區(qū)域由圖5(c)中的80%增加至95%，且高濃度瓦斯區(qū)域明顯進一步縮小?？梢姡孟路謱踊仫L巷頂板走向插管抽放，使得之前注入的N2充分運移到采空區(qū)深部。通過圖5中四個階段的模擬，發(fā)現(xiàn)通過先注氮再間歇抽放的方式，不但有助于采空區(qū)的惰化與置換，而且有利于前期注入氮氣的進一步流動，進而惰化整個采空區(qū)。

圖5 不同注氮與抽放方式下CH4濃度分布

3.3.3 老空區(qū)氧氣惰化效果

圖6反映了不同注氮與抽放階段，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布變化特征。如圖6(a)所示，通過進風密閉注氮15 d后，采空區(qū)內(nèi)55.17%的區(qū)域O2濃度處于5%以下，進風密閉注氮對停采線進風密閉附近區(qū)域的氧氣進行了有效稀釋，但回風密閉處一定范圍內(nèi)O2濃度未得到有效稀釋。如圖6(b)所示，雖然回風密閉處O2被稀釋區(qū)域體現(xiàn)更加明顯，但由于抽放導致大量注入N2流入抽放系統(tǒng)中，整體稀釋區(qū)域并無明顯增大。如圖6(c)所示，O2濃度低于5%的區(qū)域由圖6(b)的55%增加至80%，停采線以里，沿進風密閉走向300 m，幾乎都得到稀釋與惰化；沿回風走向以里90 m范圍內(nèi)得到惰化；采空區(qū)傾向中部走向200 m范圍得到了稀釋與惰化?？梢?，利用下分層進風巷頂板走向插管注氮對采空區(qū)的氧氣稀釋作用顯著。如圖6(d)所示，O2濃度低于5%的區(qū)域由圖6(c)的80%增加至95%，且相對高濃度氧氣富集區(qū)域范圍進一步縮小。從采空區(qū)氧氣濃度的分布來看，在下分層回風順槽頂板走向插管抽放21 d后，停采線以里沿走向300 m，幾乎都得到稀釋與惰化。

圖6 不同注氮與抽放方式下O2濃度分布

綜上所述，結合圖4、圖5、圖6中瓦斯、N2及O2濃度的演化特征，綜合分析分階段注氮效果。在進風密閉只注氮15 d時，采空區(qū)內(nèi)瓦斯因注氮，造成內(nèi)部壓力升高，瓦斯往采空區(qū)深部移動，高濃度瓦斯富集在采空區(qū)回風傾向方向。N2擴散區(qū)域沒有明顯增大，集中在采空區(qū)前部，采空區(qū)深部的氧氣和瓦斯?jié)舛却?。采空區(qū)整體未得到有效的稀釋與惰化。在進風密閉注氮15 d后，模擬了進風密閉注氮、回風密閉同時抽放30 d的情況。由于靠近停采線，采空區(qū)內(nèi)空隙率及滲透率較大，導致注入氮氣幾乎進入抽采管路，隨著邊注—邊抽時間增加，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛茸兓⒉幻黠@，但通過抽放，實現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)的賦存瓦斯的置換，從源頭降低了瓦斯的涌出來源。在進風密閉注氮、回風密閉抽放同時進行30 d后，模擬了12032下分層進風順槽頂板走向插管注氮15 d的工況，采空區(qū)內(nèi)高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域隨注氮時間的增加進一步縮小，75%左右區(qū)域瓦斯?jié)舛仍?%以下，80%左右區(qū)域氧氣濃度在5%以下，氮氣濃度80%以上區(qū)域達到80%左右，CH4和O2稀釋效果明顯。但采空區(qū)回風側切眼附近CH4和O2濃度較高，且靠近切眼位置的進風巷兩組注氮鉆孔之間存在惰化不明顯區(qū)域，仍需要進一步惰化與稀釋。在下分層插管注氮15 d后，再次通過12032下分層回風順槽頂板走向插管抽放21 d，從模擬結果可以看出，采空區(qū)95%左右區(qū)域CH4和O2濃度在5%以下，N2濃度80%以上區(qū)域在95%左右，只有回風側切眼附近仍有部分高濃度瓦斯賦存，瓦斯和氧氣稀釋效果明顯。在下分層回風巷頂板插管抽放過程中，之前注入的氮氣充分運移到采空區(qū)深部，再通過注氮及間歇抽放的方式，一方面有助于采空區(qū)的惰化與置換，另一方面有利于前期注入氮氣的進一步流動。

通過對密閉老空區(qū)注氮的模擬，發(fā)現(xiàn)通過先注氮后抽放的方式，可以實現(xiàn)對老空區(qū)瓦斯的稀釋與置換，同時可以降低采空區(qū)氧氣濃度。因此，以不同注氮方式下的數(shù)值模擬結果為指導，統(tǒng)籌考慮12032下分層開拓時序，制定了老空區(qū)分階注氮工藝技術體系，如圖7所示。

4 現(xiàn)場應用效果分析

基于上述模擬結果，提出了近距離老空區(qū)分階注氮—抽放稀釋置換瓦斯與煤自燃協(xié)同防治的技術策略，結合12032下分層開拓時序，劃分為四個階段：

圖7 老空區(qū)分階注氮工藝技術體系

第一階段：在12032下分層未開拓時，通過12031老空區(qū)進風側密閉墻進行注氮，從而稀釋及惰化瓦斯，注氮方案如圖8所示。通過12031老空區(qū)的進、回風密閉墻觀察孔取樣探測老空區(qū)氣體組分變化、利用注氣孔行注氮及抽放。

第二階段：在進風側密閉墻處注氮一段時間后，同時在進風側密閉墻注氮、回風側密閉墻抽放，注氮—抽放方案如圖9所示。

圖8 12031老空區(qū)進風側密閉注氮方案

圖9 12031老空區(qū)進風側密閉注氮、回風側密閉注氮稀釋與抽放方案

第三階段：在進風側密閉墻注氮、回風側密閉墻抽放一段時間后，在下分層12032工作面進風順槽頂板走向插管注氮。如圖10所示為12032進風巷走向插管注氮稀釋瓦斯方案圖，每隔60 m，沿頂板走向布置注氮鉆孔，通過進風順槽插管注氮，6組鉆孔同時注氮。

圖10 12032進風巷走向插管注氮稀釋瓦斯方案

第四階段：在下分層進風順槽頂板走向插管注氮一段時間后，在下分層回風順槽頂板走向插管抽放，置換瓦斯。如圖11所示為12032回風巷走向插管抽放瓦斯方案圖，每隔60 m沿頂板走向布置抽放鉆孔，通過回風順槽插管抽放，6組鉆孔同時抽放。

通過上述分階注氮—抽放措施的實施，實現(xiàn)對12031老空區(qū)內(nèi)瓦斯的稀釋與置換，這對降低下分層12032順槽掘進、回采過程中瓦斯涌出量及防止工作面瓦斯超限風險具有重要的作用。

在現(xiàn)場實施過程中，首先在下分層12032未開拓布置之前，通過12031老空區(qū)進風側密閉注氮，主要目的稀釋老空區(qū)瓦斯、氧氣濃度。進風側密閉注氮一定周期后，停止注氮，然后通過回風側密閉抽放老空區(qū)瓦斯，降低老空區(qū)內(nèi)瓦斯的絕對量。在12032順槽未掘進之前，再次通過12031老空區(qū)進風側密閉注氮、回風側密閉抽放同時進行，且注氮量要大于抽放量，以氮氣作為載氣，再次稀釋及置換老空區(qū)內(nèi)的瓦斯。在注氮—抽放進行前后，進風側及回風側內(nèi)氣體組分濃度見表2，其中進風側瓦斯?jié)舛扔沙跏嫉?5.6%降低至8.7%、回風側瓦斯?jié)舛扔沙跏嫉?7.8%降低至8.6%，老空區(qū)內(nèi)瓦斯得到了有效惰化。進、回風側的O2濃度在分階注氮后均低于5%，采空區(qū)中遺煤不具備自然發(fā)火條件，起到了防治煤自燃的目的。同時進、回風側CO濃度都降至0 ppm，說明老空區(qū)不存在氧化現(xiàn)象。

圖11 12032回風巷走向插管抽放瓦斯方案

表2 采空區(qū)進風密閉注氮、回風密閉抽放、邊抽邊注前后氣體濃度變化

待下分層順槽掘進及工作面開拓布置完成后，先通過進風順槽插管注氮，然后通過回風頂板走向插管抽放，實施了頂板走向鉆孔間歇注氮與抽放技術。并利用進、回風順槽施工的鉆孔，檢測到采空區(qū)內(nèi)氣體組分變化見表3。進風巷頂板鉆孔注氮、回風巷頂板鉆孔抽放階段的瓦斯?jié)舛染h低于利用密閉注氮—抽放期間的超前鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，可見通過該階段的注氮—抽放對采空區(qū)瓦斯的稀釋效果更加顯著。O2濃度低于5%，不具備煤自燃條件。CO濃度為0 ppm，說明采空區(qū)不存在氧化現(xiàn)象。

表3 頂板走向鉆孔間歇注氮與抽放前后氣體濃度變化

為了檢驗上述措施對下分層掘進的保證效果，在掘進期間，跟蹤了掘進迎頭的瓦斯及CO涌出情況，如圖12、圖13所示。

圖12 下分層進風順槽掘進期間氣體涌出統(tǒng)計

圖13 下分層回風順槽掘進期間氣體涌出統(tǒng)計

在下分層掘進期間，進風順槽瓦斯?jié)舛仍?.08%～0.33%之間，回風順槽瓦斯?jié)舛仍?.03%～0.35%之間，瓦斯涌出量未超限。CO濃度均為0 ppm，采空區(qū)內(nèi)不存在氧化情況，可以保護下分層順槽掘進的安全。

5 結論

(1) 以新疆某礦12032下分層工作面、12031上分層采空區(qū)為研究對象，利用COMSOL模擬分析得到不同工況下采空區(qū)內(nèi)瓦斯、氮氣、氧氣濃度場的變化規(guī)律，建立了老空區(qū)分解注氮—抽放技術體系。

(2) 現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，實施分階注氮—抽放后，老空區(qū)瓦斯?jié)舛冉抵?.8%左右；在下分層掘進期間，進風順槽瓦斯?jié)舛仍?.08%～0.33%之間，回風順槽瓦斯?jié)舛仍?.03%～0.35%之間，有效防止了老空區(qū)瓦斯涌出及瓦斯超限現(xiàn)象；老空區(qū)內(nèi)氧氣濃度基本穩(wěn)定在5%以下，CO消失，老空區(qū)得到有效惰化。

(3) 在分階注氮-稀釋方式下，可實現(xiàn)對老空區(qū)瓦斯的稀釋與置換，及協(xié)同降低老采空區(qū)氧氣濃度，有利于防止老空區(qū)遺煤二次氧化的發(fā)生，該方法為近距離分層開采瓦斯涌出及煤自燃協(xié)同防治提供了技術參考。