0 引言
矿井瓦斯灾害和煤体自燃是制约我国煤矿安全高效开采的主要问题[1-2]。对于高瓦斯易自燃煤层，常采用钻孔抽采、高抽巷抽采、埋管抽采等措施消除回采工作面上隅角瓦斯积聚，解决回风流中瓦斯浓度超限问题[3-5]。然而，若瓦斯抽采方式不当，会引起大量漏风，造成采空区遗煤自燃。目前，矿井实际生产中应对采空区自燃的预防和控制措施主要包括注氮防灭火、灌浆防灭火、均压防灭火、凝胶阻化剂等[6-7]。其中注氮防灭火方式通过向采空区内注氮来降低采空区内部氧气体积分数，减小氧化带宽度，可有效降低自燃危险。氮气具有来源丰富、易提取、成本低的特点，因此成为实现采空区防灭火的首选气体。
近年来，国内外学者对注氮防灭火工艺进行了大量研究。罗新荣等[8-9]以某矿综采工作面为原型，设计了带有抽采孔的计算流体力学模型，得出在相同注氮流量下，采空区深部注氮比浅部注氮惰化效果更好。曹镜清等[10]通过布置束管和温度监测系统，并划分采空区自然发火危险区域，发现将注氮口位置延伸至工作面后方150 m 处时，惰化效果最佳。朱红青等[11]设计了非间隔式注氮防灭火工艺，实现了采空区中氮气的连续性分布。然而，对钻孔抽采条件下采空区注氮工艺的研究较少。瓦斯抽采引起煤体自燃问题是制约矿井安全开采的重要问题，研究瓦斯抽采情况下的注氮防灭火工艺对于治理煤自燃问题具有重要意义。
本文以滇东能源有限责任公司白龙山煤矿10201工作面为背景，采用Comsol Multiphysic[12]数值模拟软件，分别模拟钻孔抽采负压、钻孔布置间距对采空区流场的影响，并依据合理抽采参数条件寻求最优注氮条件，使得采空区自燃危险区域最小，并在试验工作面对抽采和注氮效果进行了考察。
1 数学模型的建立
1.1 采空区流场数学模型
(1)瓦斯流动数学模型：
(1)
式中：α为煤层瓦斯含量系数；μ为瓦斯的动力黏度，Pa·s；p为煤层瓦斯压力，MPa；t为瓦斯流动时间，s；K0为实验回归系数；pn为一个标准大气压，MPa；σ为采空区漏风条件下的正应力，MPa；n为瓦斯流动距离，m。
(2)工作面风流流动模型。工作面风流流动控制方程：
(2)
(3)
式中：ρg为气体密度，kg/m3；uns为速度向量，m/s，下标“ns”表示流动采用Navier-Stokes方程描述；
为向量散度符号；φns为气体压力，Pa；I为汇源项，g/(m2·s)；t′为流体温度，℃。
瓦斯运移弥散方程：
(4)
式中：ci为物质i的浓度，mol/m3；Di为物质i的扩散系数，m2/s；Si为物质i的汇源项，mol/(m3·s)。
(3)采空区渗流模型。采用带有Forchheimer修正项的Brinkman方程描述采空区湍流阻力的影响：
ubr=
(5)
(6)
(7)
式中：k为渗透率；ε为孔隙率；Cf为摩擦因数；Qbr为煤体瓦斯涌出质量源项，kg/(m3·s)，下标“br”表示流动采用Brinkman运动方程描述。
1.2 采空区氧浓度场数学模型
采空区微元体浓度场平衡方程：
(8)
式中：Yi为氧气的质量分数，%；ρf为氧气密度，kg/m3；u为速度向量在x方向上的分量，m/s；v为速度向量在y方向上的分量，m/s；D为氧气的扩散系数，通常取2.88×10-5m2/s；r为煤体耗氧速率，kg/(m3·s)。
2 模拟方案
白龙山煤矿10201工作面开采C7+8号煤层。工作面内煤层平均有益厚度为2.65 m，平均总厚度为2.87 m，煤厚变异系数为11%，厚度稳定，煤层可采性指数为1。煤层属于高瓦斯易自燃煤层，自燃倾向性等级为Ⅰ类。在10201回风巷与下降风巷岔门处施工4个定向瓦斯抽放钻孔，用于采空区瓦斯抽放。4个钻孔长度均为75 m，钻孔直径为150 mm，开孔间距为1 m，终孔控制到回风巷向下沿水平方向30 m范围，终孔间距为6 m，孔高为15～30 m。
依据工作面基本条件建立采空区模型，取工作面走向长度为250 m，倾向长度为150 m，巷道高度为3 m，模型计算高度为75 m，运输巷进风，回风巷回风。运用Comsol Multiphysic软件模拟瓦斯和氧气浓度分布规律。三维采空区模型如图1所示。
图1 10201工作面采空区煤自燃与瓦斯运移数值计算模型
Fig.1 Numerical calculation model of coal spontaneous combustion and gas migration in goaf of 10201 working face
根据10201工作面实际情况，采空区煤自燃与瓦斯运移数值计算所需物理参数见表1。
表1 10201工作面采空区煤自燃与瓦斯运移物理参数
Table 1 Physical parameters of coal spontaneous combustion and gas migration in goaf of 10201 working face
根据现场实测结果，模型边界条件设定如下：① 采空区围岩及松散煤体原始温度为第1类边界条件，原始温度取300 K。② 巷道和瓦斯抽采钻孔为自由流动，回风巷和钻孔为压力出口边界。③ 进风巷、回风巷及工作面处风流温度为常温，取293 K，为第1类边界条件。
将采空区煤自燃与瓦斯运移数值模型和物理参数输入有限元模拟软件，实现采空区物理模型的网格剖分及采空区煤自燃与瓦斯运移数值模型的调用求解，获得采空区气体分布规律。
3 模拟结果与分析
3.1 模拟结果与现场实测对比分析
设钻孔抽采负压为30 kPa，抽采间距为6 m，在数值模型上，从与采空区底板距离为1 m处的截面分别调取10%～18%[13]的氧气体积分数等值线图、温度场分布图和瓦斯体积分数分布图，如图2所示。
(a)30 kPa下氧气体积分数分布
(b)30 kPa下温度场分布
(c)30 kPa下瓦斯体积分数分布
图2 抽采负压为30 kPa时采空区气体与温度场分布
Fig.2 Gas and temperature field distribution in goaf when the negative pressure of drainage is 30 kPa
由图2可知，在距工作面10 m处，回风侧进入氧化升温带；在距工作面75 m处，氧气体积分数达到氧化升温带体积分数下限。进风侧由于漏风较大，散热带范围相对较宽，在距工作面95 m左右才进入氧化升温带。在工作面推进40 m左右时，回风侧瓦斯体积分数达到5%，进风侧相对回风侧有70 m左右的延迟。在工作面推进70 m左右时，回风侧瓦斯体积分数达到16%；在工作面推进近130 m的位置，进风侧瓦斯体积分数开始大于瓦斯爆炸上限。从温度场可以看出，颜色较深的高温区域集中在进回风两侧，分别距离工作面40～130 m和110～150 m。
将仿真数据与现场埋管取样得出的实测结果进行对比分析，结果如图3所示。由图3可知，随着工作面推进距离加大，氧气和瓦斯体积分数分别逐渐下降和上升，并且与数值模拟结果保持接近一致的趋势，证明了采用Comsol Multiphysic模拟软件对10201工作面采空区进行仿真的可行性。
3.2 抽采钻孔参数对采空区流场的影响
3.2.1 抽采负压对采空区流场的影响
为避免因抽采负压过大造成钻孔封孔段漏风，抽采负压应在30～40 kPa之间。分别选取抽采负压为30，35，40 kPa模拟分析不同抽采负压下瓦斯治理效果和瓦斯抽采对煤自燃的影响，结果分别如图2、图4和图5所示。
(a)回风侧氧气体积分数
(b)回风侧瓦斯体积分数
图3 回风侧气体体积分数模拟值与实测值对比
Fig.3 Comparison between simulated and measured gas volume fraction on return air side
(a)35 kPa下氧气体积分数分布
(b)35 kPa下温度场分布
(c)35 kPa下瓦斯体积分数分布
图4 抽采负压为35 kPa时采空区气体与温度场分布
Fig.4 Gas and temperature field distribution in goaf when the negative pressure of drainage is 35 kPa
(a)40 kPa下氧气体积分数分布
(b)40 kPa下温度场分布
(c)40 kPa下瓦斯体积分数分布
图5 抽采负压为40 kPa时采空区气体与温度场分布
Fig.5 Gas and temperature field distribution in goaf when the negative pressure of drainage is 40 kPa
进风侧散热带随抽采负压增大而增加，而中部和回风侧散热带则随抽采负压增大而减小。这主要是由于钻孔的抽采负压为漏风增加了动力，抽采负压越大，工作面向采空区的漏风量增加越明显，造成进风侧采空区散热带宽度增加。而当采空区风流到达采空区中部时，风流有一部分沿着漏风通道进入钻孔，造成漏入回风侧采空区的风流速度减小，使采空区中部和回风侧采空区散热带的宽度缩短。抽采负压的增加使得钻孔周围负压不断增大，风流源源不断地向钻孔周围补充。因此，随着抽采负压增加，采空区中部和回风侧氧化升温带的范围逐渐扩大，高温点范围也逐渐扩大。
钻孔瓦斯抽采使采空区内部压差增大，从而促使漏风强度增大，大部分风流由钻孔排出，排出了采空区内部的大量瓦斯，钻孔抽采下采空区及上隅角瓦斯体积分数大幅度降低。在30 kPa抽采负压下，进风侧绝大部分区域瓦斯体积分数均小于16%，回风侧直到工作面推进70 m时，瓦斯体积分数才大于16%。而在35 kPa和40 kPa抽采负压下呈现类似的规律。在35 kPa抽采负压作用下，进风侧和回风侧分别在工作面推进75 m和140 m后瓦斯体积分数才大于16%。在40 kPa抽采负压作用下，进风侧和回风侧分别在工作面推进80 m和145 m后瓦斯体积分数才大于16%。可见随着钻孔抽采负压的增加，采空区瓦斯体积分数逐渐降低，而对工作面浅部影响有限，整体下降规律保持一致。
在3种抽采负压下，瓦斯抽采效果明显，但抽采负压的增加对采空区浅部和上隅角地区影响有限，而且随着抽采负压加大，采空区内部漏风增加，氧化升温带范围发生火灾的危险性增加。从安全生产的角度来说，这对井下安全生产不利，因此，钻孔抽采负压选择30 kPa较为合理。
3.2.2 钻孔间距对采空区流场的影响
10201工作面布置的瓦斯抽放钻孔为大直径钻孔，为保证抽放钻孔均匀布置在煤层中，不留空白带，最大限度地提升抽采效果[14-15]，设钻孔间距(终孔间距)为4～8 m。模拟抽采钻孔间距分别为4，6，8 m时瓦斯治理效果和瓦斯抽采对煤自燃的影响，结果分别如图6、图2和图7所示。
(a)间距4 m下氧气体积分数分布
(b)间距4 m下温度场分布
(c)间距4 m下瓦斯体积分数分布
图6 钻孔间距为4 m时采空区气体与温度场分布
Fig.6 Gas and temperature field distribution in goaf when drilling interval is 4 m
(a)间距8 m下氧气体积分数分布
(b)间距8 m下温度场分布
(c)间距8 m下瓦斯体积分数分布
图7 钻孔间距为8 m时采空区气体与温度场分布
Fig.7 Gas and temperature field distribution in goaf when drilling interval is 8 m
随着钻孔间距的增加，采空区进风侧氧化升温带和高温点范围的变化并不明显，而回风侧和靠近中部位置的变化较为显著，回风侧的氧化升温带范围逐渐减小，而靠近中部位置的氧化升温带范围逐渐增大。这主要是由于钻孔间距为4 m的情况下，钻孔集中抽放回风侧瓦斯，使得风流向钻孔周围不断地补充，遗煤具备良好的氧化升温条件。而随着钻孔间距增加，钻孔分布范围逐渐增加，钻孔间距为6 m和8 m条件下均增加了立体抽采范围，钻孔负压区域并不集中在一处，呈现扇形分布。因此，在钻孔间距较大的情况下，靠近中部区域的氧化升温带范围和高温点的范围会增大，而在回风侧区域会减小。
用Matlab软件读出不同钻孔间距下采空区上隅角瓦斯体积分数，如图8所示。
图8 不同钻孔间距下上隅角瓦斯体积分数
Fig.8 Gas volume fraction of upper corner at different drilling intervals
由图8可知，钻孔间距为4 m条件下，由于钻孔集中抽采作用，直到工作面推进距离为18 m左右瓦斯体积分数才达到安全临界值(1%)[16-17]。而随着钻孔间距增加，上隅角瓦斯体积分数达到1%的时间更早。从瓦斯体积分数分布整体上来看，钻孔间距的增加导致钻孔抽采作用较为平均，在靠近采空区倾向中部的位置瓦斯体积分数上升比钻孔间距为4 m条件下更慢，体积分数达到瓦斯爆炸上限16%的时间更为滞后。
3种钻孔间距方案均在较短时间内就将上隅角煤体瓦斯体积分数降到安全临界值，而且钻孔间距越小，瓦斯体积分数降到安全临界值所需的时间越短。钻孔间距越小，靠近采空区中部氧化升温带范围较小，从安全生产的角度来说，选择钻孔间距为4 m较为合理。但从经济性角度来看，钻孔间距越小，所需的钻孔数量越多，施工工程量越大，会造成大量劳动力和生产材料浪费，此外，钻孔间距太小，也易使钻孔间发生“串孔”，造成钻孔失效。综合考虑，钻孔间距取6 m更为合理。
3.3 钻孔抽采条件下注氮方式优化
当抽采负压取30 kPa、钻孔间距取6 m时，瓦斯抽采效果良好，且采空区遗煤自燃危险性较小。因此，设抽采负压为30 kPa，抽采间距为6 m，配合注氮惰化，分析采空区氧气场的变化及分布特点。分别设进风侧注氮口与工作面距离X为50，75，100 m，注氮流量为500 m3/h，模拟分析不同注氮口位置的注氮效果，结果如图9所示。
(a)X=50 m时氧气体积分数分布
(b)X=75 m时氧气体积分数分布
(c)X=100 m时氧气体积分数分布
图9 不同注氮位置下采空区氧化升温带分布
Fig.9 Oxidative and temperate ascending zone distribution in goaf under different nitrogen injection positions
由图9可知，在不同位置注氮均能够起到缩小氧化升温带的作用，但注氮位置不同，氧化升温带缩小的幅度有所不同。在进风侧注氮口附近，受注氮影响，氧气体积分数均出现明显降低趋势，说明当注氮位置靠近进风口时，受进风侧漏风影响，氮气能够有效地减小进风侧氧化带宽度。对比分析不同注氮位置下最大氧化升温带宽度的变化，与未注氮时相比，X为50，75，100 m对应的最大氧化升温带宽度依次减小18，30，24 m。当X为75 m时，最大氧化升温带缩小幅度最大，达到23.62%。因此，选择注氮口位置深入采空区75 m，此时氮气能很好地稀释进风侧氧气，且随着风流运动，能最大程度减小采空区氧化升温带宽度。
为了探究不同注氮量对采空区煤自燃的影响，设X为75 m处为注氮位置，注氮量分别选取500，1 000，1 500，2 000 m3/h，分析不同注氮流量下注氮的效果，结果如图10所示。
由图10可知，注氮流量不同，氧化升温带范围也不同，总体而言，随着注氮流量的增加，氧化升温带的范围逐渐减小。氧气体积分数为18%的等值线变化较小，而氧气体积分数为10%的等值线变化较大。在注氮流量为500，1 000，1 500，2 000 m3/h条件下，最大氧化升温带的缩小幅度依次为23.62%，29.92%，36.22%，38.58%，说明注氮流量为2 000 m3/h时，缩小氧化升温带效果最明显。当注氮量大于1 500 m3/h时，注氮效果提升没有那么明显。另外，从经济角度考虑，注氮流量增加，相应成本也会增加。所以，为了兼顾注氮效果和成本，注氮流量设为1 500 m3/h最为合理。
图10 不同注氮流量下采空区氧化升温带分布
Fig.10 Oxidative and temperate ascending zone distribution in goaf under different nitrogen injection flow
4 应用效果考察
在试验工作面实际应用中，根据最佳注氮参数向10201工作面注氮，2018-11-12—12-23进行瓦斯抽采效果现场数据监测。为了达到更佳的抽放效果，4个定向抽放钻孔与10201回风巷3号瓦斯抽放管路相连。钻孔抽采效果如图11所示。10201回风巷3号瓦斯抽放管路平均瓦斯抽采体积分数达到9.645%，平均混合量达到35.72 m3/min，平均瓦斯抽采纯量达到3.20 m3/min。
图11 钻孔抽采效果
Fig.11 Drilling and drainage effect
综放工作面瓦斯综合治理效果如图12所示。从图12可看出，综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制，均低于1%，实现了综放工作面安全、高效开采。
分析瓦斯抽采管路气体监测数据，得到煤自燃防治效果，如图13所示。抽采管路中CO体积分数均低于0.040%，上隅角CO体积分数控制在0.032%内，采空区煤体未发生自燃，综放工作面得以安全高效推进。现场应用效果验证了钻孔的抽采效果，也说明了注氮防灭火参数选择的合理性。
图12 综放工作面瓦斯综合治理效果
Fig.12 Effect of comprehensive gas control on fully mechanized working face
图13 煤自燃治理效果
Fig.13 Treatment effect of coal spontaneous combustion
5 结论
(1)钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动，从而导致采空区流场发生变化。钻孔抽采会减小采空区内部瓦斯浓度，但会为采空区漏风增加动力，增加工作面向采空区的漏风，同时钻孔周围呈现负压状态，漏风风流也不断向钻孔周围补充，采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态。
(2)随着钻孔抽采负压增加，采空区浅部瓦斯浓度降低效果的提升不明显，而采空区中部和回风侧氧化升温带的范围逐渐扩大，抽采负压定为30 kPa较为合理。钻孔间距对钻孔抽采效果有较大影响，钻孔间距越小，抽采效果越好，但工程量越大，所以，确定钻孔设计间距为6 m。
(3)钻孔抽采会使得采空区遗煤自燃危险性变高，通过注氮可降低氧气体积分数，缩小氧化升温带范围，降低自然发火危险性。选择注氮口与工作面距离为75 m，注氮流量为1 500 m3/h，可在节约成本的同时最大程度地缩小氧化升温带范围。
(4)应用结果表明:10201回风巷3号瓦斯抽放管路平均瓦斯抽采浓度、混合量和纯量分别达到9.645，35.72，3.20 m3/min；综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制，均低于1%；抽采管路和上隅角CO体积分数分别低于0.040%，0.032%，采空区煤体未发生自燃。采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果，综放工作面得以安全高效推进。
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