文建东，苗在全，高 璐，荆士杰
(1.甘肃靖远煤电股份有限公司魏家地煤矿，甘肃 白银 730913；
2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)
长期以来，我国能源结构为“富煤、贫油、少气”，在现开发的一次性能源中，煤炭资源是我国经济可持续发展的重要工业基础，因此，煤炭在国民生活中占据着非常重要的地位[1-2]，然而随着社会的需求，煤炭产量的需求也随之提高，伴随着深井开采，煤层中的瓦斯含量也随之增加，严重威胁着煤层的安全开采[3-5]。因此，采用地面钻孔可以对采空区瓦斯、采动区瓦斯等区域瓦斯进行有效抽采[6-8]。但进行地面钻孔抽采时，却又易造成采空区漏风，从而使得采空区自然发火问题严重干扰者煤矿日常安全生产[9-11]。
李宗翔等[12]建立了采空区瓦斯和自燃耦合模型，得到采空区内高强度的瓦斯涌出可以削弱煤的自燃氧化进程；
余明高等[13]研究发现，对采空区瓦斯进行抽放治理时，区内浮煤通过自热可产生“内生火风压”，进一步增加了采空区的漏风量，干扰了自燃“三带”的分布范围；
卢平等[14]对煤与瓦斯自燃综合治理展开了综合研究，表明尾抽是低透气性高瓦斯煤层安全开采的重要手段；
郭忠凯等[15]通过数值模拟软件，确定了瓦斯抽采的“高位环形体”范围及位置。孙海涛等[16]建立了地面钻井抽放采空区瓦斯时，地面井附近区域内的气体压力衰减梯度变化函数，证明了对采空区进行瓦斯地面钻井抽放工作具有很高的工程意义。许多学者对煤与瓦斯突出问题衍生的自然发火进行了有效研究，但是关于近距离煤层开采条件下的采空区自然发火的综合防治技术却较少开展研究，因此笔者基于魏家地煤矿的基本情况、采空区瓦斯来源的构成比例和北1103工作面煤层顶板冒落的实际情况，通过建立数值模拟模型，有针对性地对偏W型通风系统进行优化，并进一步开展地面钻孔抽采对采空区自燃三带影响研究，用以防治采空区遗煤、残煤自燃，为形成北1103工作面瓦斯与火耦合灾害综合防治技术奠定基础，从而保证煤矿的安全高效生产。
甘肃靖远煤电集团魏家地煤矿属于高瓦斯矿井，北1103综放工作面位于该矿北一采区，可采走向长950 m，平均斜长200 m，倾角7°～23°。矿井相对瓦斯涌出量在11～30 m3/t，绝对瓦斯涌出量在47～75 m3/min，该工作面有自燃发火危险性，自燃发火期5个月左右。北1103工作面巷道布置如图1所示。
2.1 采空区煤岩结构
当赋存在地下的煤炭资源开采后，使煤岩体原始平衡状态被打破，处于失衡状态，由于煤岩失衡会导致煤原岩应力发生重新分布，随着时间的推移，直至达到一个新的平衡[17]。当前对覆岩破坏与移动的认识已相对成熟，“上三带”理论已被国内外学者学习接受，对覆岩破坏与位移研究的理论积累学习，发现其呈现明显的分带性，依据各带的特征、地质条件分为冒落带、裂缝带和弯曲带。当采空区上覆冒落带煤(岩)体的密实程度较疏时，会导致采空区附近围岩裂隙数量增多，导致区域内漏风程度随之加大，当采空区内存在一定浓度的氧气时，采空区内的遗煤易引发自燃。因此，采空区水平冒落带裂隙数量与采空区自燃“三带”有相互影响作用。当采空区顶板冒落的煤岩体呈自由状态堆积时，区域内裂隙空间大，加上采空区与工作面相邻，容易发生漏风现象，当区域内的煤与氧气产生热量后，能通过裂隙够迅速转移分散，不易积聚在煤体内部，此时相当于采空区自燃“三带”中的散热带。当采空区顶板冒落的煤(岩)体在上覆岩层压力作用下被逐渐压实后，密实程度增加，存在的裂隙数量明显减少，导致漏风量也随之较小，使煤氧化后释放的能量蓄积在煤体内部，使其温度升高，此时相当于自燃“三带”中的氧化带。随着采空区内的煤(岩)体进一步被压实，其内部孔隙数量急剧减少，加上遗煤附近氧浓度减少，导致区域内不会发生煤氧化反应，此时相当于采空区自燃“三带”中的窒息带。
图1 工作面巷道布置Fig.1 Roadway layout of working face
2.2 采空区瓦斯抽采与自燃发火理论
采空区内煤与瓦斯自燃发火作用主要表现为采空区内煤自燃条件的变化所引起的相互干扰作用[18]。当采空区内瓦斯含量较高时，采空区内氧气量则较低，发生氧化程度较慢，使得区内遗煤自燃可能性下降。当瓦斯绝对涌出量与采空区内风量处于相对平衡状态时，瓦斯含量与煤自燃相互作用明显。因此，瓦斯对煤自燃的作用受采空区通风效果的影响。当采空区存在大量瓦斯时，将抑制采空区遗煤的自然发火，相反，当采空区内瓦斯被抽采减少后，将促进采空区遗煤的自然发火。
2.3 瓦斯抽采对采空区自燃“三带”影响因素分析
当对工作面进行通风，由于漏风因素始终存在，导致部分风流会进入到采空区。当对采空区进行瓦斯抽采时，采空区内部风流场将会受到影响，导致采空区自燃“三带”发生改变[19]。瓦斯抽采对采空区自燃“三带”影响因素主要为以下2个方面[20]。
(1)抽采方式不同。采空区自燃“三带”分布受瓦斯抽采方式的影响主要体现为瓦斯抽放口与工作面的空间位置。当瓦斯抽放口距离采空区越近时，采空区深部流场受其影响越大。反之，当瓦斯抽放口距离采空区越远时，采空区深部流场受其影响越小。
(2)抽采流量大小不同。采空区瓦斯抽采流量与采空区自然“三带”的分布也有一定相关性，且是动态变化的。当瓦斯抽采流量较大时，随着瓦斯抽采流量的持续增大，采空区漏风量随之增大，但是当最大瓦斯抽采流量低于某一值时，随着瓦斯抽采流量的减少，采空区漏风量却逐渐增加，从而影响着采空区自燃“三带”的分布。
3.1 建立模型
根据魏家地北1103通风工作面现场实际情况，采用COMSOL 数值软件对地面钻孔抽采对采空区自燃 “三带”的影响情况展开模拟研究。现对计算模型进行如下简化[20]。
(1)忽略矿井周期来压对工作面流场的影响，只考虑从工作面漏入采空区的风量、运输巷和进风巷以及专用通防巷对北1103采煤工作面通风流场的影响。
(2)将工作面、回风巷、运输巷和专用通防巷视为规则长方体，北1103切眼长200 m，巷道净宽6.8 m，净高2.8 m，净断面面积18.92 m2；
北1103运输巷净宽4.8 m，净高3.8 m，净断面面积15.76 m2；
北1103回风巷净宽4.8 m，净高3.8 m，净断面面积15.76 m2。
(3)只考虑裂隙带部分，垮落带(竖向破断裂隙带)与煤层顶板高度为20 m，煤层厚读为7 m，采空区长度为400 m，宽度为200 m，高度为50 m。
基于前期对现场的实地考察、测量和工作面原有基础数据，并根据矿井通风理论，进行瓦斯抽放对采空区自燃“三带”影响规律研究。简化后的几何模型剖面如图2所示。
图2 三维物理模型Fig.2 3D physical model
数值模拟根据真实尺寸建立模型，模型原点为北1103工作面回风巷上隅角下部端点，设定x轴、轴y和z轴正方向分别为采空区深部方向、工作面倾向方向和垂直向上方向，边界条件设定采空区边界为固定边界不产生位移，仅考虑入口风速，数据以现场实测数据为主，出口边界设置为压力流出、抑制回流。采用四面体网格对模型进行划分，整个模型划分的网格数量为221 402个。
3.2 模拟结果分析
由于此次地面钻孔抽采采用负压抽采，导致采空区内形成压力梯度，使得采空区氧化带范围明显发生变化，地面钻孔抽采前后采空区氧气浓度分布分别如图3、图4所示。
图3 无地面钻孔抽采采空区氧浓度范围Fig.3 Range of oxygen concentration in goaf without ground drilling
由图3、图4可知，在采空区进、回风巷以及工作面的氧气浓度与空气中的氧气含量几乎相同。无地面钻孔抽采时进风巷侧采空区漏风严重，氧气大量向采空区扩散，进风巷一侧氧气影响范围扩散至采空区深部110 m处，更深处氧气浓度几乎为零。优化化后的U型通风方式，进风巷一侧氧气影响范围沿走向至采空区深部70 m处，经地面钻孔抽采瓦斯后，采空区内氧化带宽度明显增加。
图4 地面钻孔抽采后采空区氧浓度范围Fig.4 Range of oxygen concentration in goaf after ground drilling
利用氧气浓度10%～18%的划分标准对采空区自燃三带进行划分，利用comsol后处理功能对优化后的通风系统，经地面钻孔抽采前后的采空区氧化自燃带进行立体表征分别如图5、图6所示。
图5 无地面钻孔抽采采空区氧化自燃带Fig.5 Stereoscopic map of oxidation spontaneous combustion zone in goaf without ground drilling
图6 地面钻孔抽采后采空区氧化自燃带Fig.6 Stereoscopic map of oxidation spontaneous combustion zone in goaf after surface borehole extraction
通过图5和图6可知，原通风方式形成的采空区氧化自燃带宽度明显小于地面钻孔抽采后采空区氧化自燃带，形成这种现象的原因在于原有通风系统由于在靠近回风巷的中部增加一条进风巷道，加剧了工作面中部向采空区的漏风，根据钱鸣高院士提出的“O”型圈理论得知，进风巷侧与回风巷侧由于边界实体煤的存在，顶板垮落但是不会完全压实，进风巷侧与回风巷侧的采空区渗透率明显大于采空区中部，由此形成的采空区倾向中部氧化自燃带范围扩大。经地面钻孔瓦斯抽采后，导致进风巷侧氧化自燃带向采空区走向深部转移。
综上可知，采空区内自燃三带范围为立体不规则状，不同高度处，自燃带范围存在差异。自燃带范围氧气浓度较高，地面钻井终孔位置应位于窒息带以内，该范围内瓦斯浓度较高，结合采空区流场分布规律可知，回风侧氧气浓度高于进风侧。根据采空区遗煤经验高度，选择2 m高度处采空区氧化自燃带范围，地面钻孔对采空区自燃“三带”影响情况如图7所示。由图7可知，在实施地面钻孔后，采空区氧化带宽度明显增加，具体数值从原有29 m氧化带变为39 m。优化后的通风系统经地面抽采钻孔后，导致采空区内的氧化带向顶板深部移动，当地面钻孔设置在回风巷上隅角20 m处时，氧化带范围会在倾向上明显增加。具体布设地面钻孔前后采空区三带影响范围见表1。
图7 地面钻孔对采空区自燃“三带”影响(z=2 m)Fig.7 Effect of ground drilling on spontaneous combustion "Three Zones" in goaf (z=2 m )
4.1 北1103工作面采空区“三带”卸压钻井布置
对北1103工作面采空区进行地面钻井抽采工作，此次共布置3个卸压钻井，均位于采空区回风巷一侧，且终孔位置分别距离切眼位置108、342、456 m。同时地面钻井施工过程中，工作面仍向前推进，因为地面卸压钻井实施后形成井上下立体瓦斯抽采模式，必然导致采空区氧化带的变宽，应加强对卸压钻井的抽采管控，采取以间歇式抽采为主的方式进行地面抽采，14个月后，测点的 O2浓度降至 5 %左右，停止观测。
表1 实施地面钻孔前后采空区“三带”分布Tab.1 Distribution of "Three Zones" in goaf before and after surface drilling
4.2 北1103工作面采空区“三带”观测数据分析
根据观测点所得到的数据进行汇总，得到北1103工作面回采期间1号、2号和3号地面卸压抽采钻井终孔点位置气体参数(O2浓度)与工作面推帮线之间的关系，如图8所示。
图8 O2浓度与工作面推帮线之间的关系Fig.8 Relationship between O2 concentration and thrust line in working face
由图8可知，当工作面推帮线距地面钻井位置0～35 m时，O2浓度为18%～21%；
当工作面推帮线距地面钻井位置35～68 m时，O2浓度为8%～18%；
当工作面推帮线距地面钻井位置为68 m以上时，O2浓度为8%以下。综上所述，结合所得O2浓度可知，北1103工作面在地面实施卸压钻井后，采空区三带分布规律为工作面推帮线后0～35 m为散热带、工作面推帮线后35～68 m为氧化带、工作面推帮线68 m之后为窒息带。结合数值模拟结果分析可知，相比较原采空区三带，地面卸压钻井实施后对三带影响规律为散热带宽带减少10 m、氧化带宽度增加16 m，这主要是由于地面卸压瓦斯抽采影响了矿井的漏风程度，从而扰乱了井下采空区流场，使得采空区自燃“三带”范围发生改变。
魏家地北1103工作面矿井火灾的内因涉及方面比较多，主要原因是通风不足，煤层瓦斯含量高，当煤氧化产生的热量不易流失时，导致煤自燃，对北1103工作面进行地面瓦斯抽采的同时，可以采取以下防治措施。
(1)注氮防灭火。在北1103工作面进行日程回采过程时，可向煤层采空区注入氮气，可以有效地惰化采空区内的遗煤，抑制其发生氧化，使得采空区内部氧化带延展率降低，有利于减小采空区自然发火的危险。
(2)注浆防灭火。当北1103采空区出现自然发火征兆时，如监测到CO浓度升高，应立即向采空区进行注浆工作，直至CO浓度降低，同时应及时处理工作面浮煤。
(3)堵漏防灭火。在北1103工作面日常生产中，当出现地表裂隙或地表下沉现象后，应及时进行回填，同时应加强工作面支护强度。
(1)对采空区瓦斯进行地面钻孔抽采，可以影响其氧化带范围，布设地面钻孔后，采空区散热带宽度由56 m增加至61 m；
氧化带宽度由29 m增加至40 m；
窒息带宽度由315 m减少至300 m。
(2)当地面卸压钻井终孔位置处于氧化带时，采取以间歇式抽采为主，可将氧化带等分为3个块段，抽、停相互交替，当推进氧化带两端时以开启抽采闸阀的2/3、当推进氧化带中部时，应停止卸压钻井的抽采，以自然引排为主。
(3)北1103工作面一煤层属Ⅱ类易燃煤层，最短自燃发火期仅21 d，当地面钻井抽采时，采空区氧化带长度为32 m，可有效减少采空区漏风问题导致的采空区遗煤自燃风险。
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