浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究

2021-03-26张建辰刘清洲周府伟

煤炭工程 2021年3期

张杰，张建辰，刘清洲，2，周府伟，陈诚

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710000；2.陕西郭家河煤业有限公司，陕西宝鸡 721500；3.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710000)

我国煤炭储量丰富，埋深不超过150m的煤层称为浅埋煤层，其中位于陕北神府侏罗纪煤田浅交界处南梁煤矿是典型的浅埋煤层。在开采该类煤层时，由于基岩薄，上覆岩层的运动演化具有一定的规律性，与其他煤层不同，浅埋煤层开采时会产生贯通地表裂隙，对地表植被等产生破坏，同时致使井下采空区漏风现象凸显，井下通风困难，对井下安全开采造成威胁，同时煤矿采空区漏风是致使采空区煤炭自燃的严重诱因之一。因此，进行上覆岩层裂隙发育及采空区漏风规律研究十分必要。现阶段，我国学者对于厚土层下薄基岩浅埋煤层开采过程中的岩层破坏规律及浅埋煤层岩层控制关键层理论已经取得丰富的科研成果。黄庆享[2]通过分析顶板结构的稳定性，揭示了工作面来压明显和顶板台阶下沉的机理是顶板结构滑落失稳，并给出了维持顶板稳定的支护力计算公式，为浅埋煤层顶板控制定量化分析提供了理论基础；侯忠杰[3]把关键层理论应用于地表厚松散层浅埋煤层，给出了组合关键层岩柱不同断裂度的最大回转角，得出地表厚松散层浅埋煤层顶板管理的主要问题是组合关键层岩柱的滑落失稳，即覆岩全厚度沿煤壁的台阶切落；许家林[4]认为导致浅埋煤层特殊采动损害现象的关键原因在于单一关键层结构。其次，对于浅埋煤层开采地表裂缝与漏风研究也有诸多成果；张辛亥，吴刚[5]等针对柠条塔煤矿N1201综采工作面漏风强度高的特点进行分析，进行漏风数值模拟，得出其漏风情况，并得出工作面自燃危险特点。

在前人研究的基础上，通过物理相似模拟及数值模拟实验对采空区裂隙进行模拟演化，将浅埋煤层开采过程中的裂隙发育及漏风过程进行还原，提出漏风防治措施并进行模拟验证，并确定防治施工周期，以期获得良好的可行性。

1 裂隙发育及漏风特征实测分析

浅埋类煤层随着工作面的推进，采空区覆岩发生垮落，导水裂隙带将沟通上方覆盖的全部含水层并发育至地表。导水裂隙带是漏风的主要通道，而漏风造成采空区风量增加，氧气含量增多，而氧气是采空区遗煤发生自燃的必要条件，因此分析导水裂隙带形成的过程特性是必要的。南梁煤矿煤层均为易自燃煤层，以南梁现阶段开采的30100煤层为对象分析漏风防治。

1.1 工作面概况

南梁煤矿为典型的黄土丘陵沟壑地貌，煤层顶板有一层厚度约20m左右的巨厚层状中-细粒砂岩，块状，煤层平均埋深为68.21m，平均厚度为1.39m，平均可采煤厚度为1.59m，为中厚煤层；煤直接顶主要为粉砂岩、细粒砂岩；直接底主要为细粒砂岩、粉砂岩和泥岩；煤层上方未风化基岩厚度最小为3.04m，未风化基岩厚度最大为20.01m。属于典型厚土层薄基岩的浅埋煤层。现阶段开采煤层为30100煤层，其中N02钻孔柱状如图1所示。

图1 30100煤层综合柱状

30100工作面属于抽出式通风，随着工作面的推进，上覆岩层垮落后，形成裂隙，并逐渐延伸至地面，所以地面为漏风源，井下工作面为漏风汇，致使工作面形成漏风。工作面出现漏风使采空区氧气浓度升高，遗煤接触氧气发生氧化反应产生的CO量增多，对工作面造成生产安全威胁。

1.2 裂隙发育形态

随着工作面的开采，顶板岩层由于采动发生垮落，由于上覆松散沙层厚度较大，力学性能稳定，形成悬顶，由于工作面的继续开采，岩层强度达到极限，顶板发生全厚切落。

根据煤层柱状图，工作面采高H=2.45m，根据现场测试数据，地表初始下沉h=0.25m。由于位移过程中顶板厚松散层不发生膨胀，根据公式计算得出需填充采空区所需的顶板厚度。

所需顶板厚度：

式中，kp为岩层的碎胀系数。

根据煤层柱状图可知由于上覆岩层组成不同，计算顶板加权平均岩层碎胀系数kp：

式中，kpi为第i层岩层的碎胀系数；hi为第i层岩层的高度，m。

由柱状图可知自煤层顶板至地表岩层依次为：①泥岩：kp1=1.4，h1=0.88m；②细粒砂岩：kp2=1.6，h2=2.88m；③粉砂岩：kp3=1.7，h3=4.5m。代入公式中得kp=1.63，b=3.49m。

由最大拉应力理论可知，采空区上方悬顶的危险断面位于岩梁两端上部和中央的下部，再根据最大剪应力理论，剪应力最大点在岩梁两端中性层处。

悬顶两端上部拉应力破坏的极限跨距：

式中，γ1为厚松散层的容重，kN/m3；γ2为基岩的容重，kN/m3；h1为厚松散层的高度，m；h2为基岩的高度，m；σT为岩体层的单向抗拉强度，MPa。

代入h1=88.68m、h2=4.77m、γ1=2.0kN/m3、γ2= 2.5kN/m3、g=10m/s2，σT=20MPa，计算得L12=22.64m，即初始来压步距为22.64m。

再将工作面中部顶板沿走向简化成受均布荷载和岩体自重作用的悬臂岩梁。根据最大拉应力理论，悬臂岩梁最大拉应力点在固支端上部，由弹性力学计算得周期来压步距Lτ为：

代入数值计算得周期来压步距Lτ=8.95m。

根据现场测试数据，初始来压步距为23.8m，一次周期来压步距为9.5m，与计算结果相近。

1.3 漏风测试计算

为了研究地表采动裂缝的导气性，进行示踪气体(SF6)试验，由于地面裂隙较多，根据地表裂隙观测结果，找出最可能为漏风源的裂隙，并确定回风巷某处为释放地点，进行释放。同时在井下回风巷内距工作面10m左右处及工作面内设置2组取样地点，从释放气体起，采用SF6检测仪对这两个测点的SF6情况持续监测。

通过实验测试得出：回风隅角附近地表接收点的SF6浓度相对较大，说明漏风主要从地面回风侧漏入采空区，回至工作面回风隅角附近，回风隅角附近漏风量较大。

设定SF6从地表漏风源至工作面是沿直线渗透，则从地表释放点至工作面检测点距离可据释放点和检测点两点的坐标进行确定。

通过测定气体SF6从释放点流至检测点的时间间隔可以计算出漏风速度：

U=L/Δt

(6)

式中，Δt为气体SF6从释放点流至检测点的时间间隔，s。

通过现场实测，覆岩倾向裂隙距离工作面煤壁为39m，进而说明浅埋煤层工作面开采时覆岩在煤壁附近破断。由于测点埋深为99m，距离回风巷为10m，因而测点距离回风隅角的距离约等于106.87m，从释放到接收到SF6的时间间隔为30～71min，则计算出气体漏风速度为0.025～0.059m/s，表明气体在裂隙通道内的运移速度较慢。再通过现场测试数据得出30100工作面漏风量为0.67m3/s，漏风率为5.2%；因而当工作面平均埋深为70m，且缓慢推进时，在导水漏风裂缝将更加发育，工作面漏风率将大于5.2%。

通过掌握南梁煤矿30100工作面的漏风量大小，根据数据分析得出地表采动裂缝发育特征及其对生产的影响，表明随着采动影响，裂隙已发育至地表，贯通采空区且漏风至工作面，严重时导致煤层自燃、涌水溃沙和地表植被退化，不利于矿井安全生产及环境保护。

2 裂隙发育及漏风特征实验研究

根据南梁煤矿30100煤层实际赋存尺寸及现有的钻孔综合柱状图，材料配比见表1，建立相关不同地表形态(沟谷及平地)的模拟实验平台，相似比为1∶100，研究覆岩破断失稳特征及断裂裂缝分布规律，为矿井漏风治理工作提供理论依据。

2.1 覆岩裂隙模拟分析

在距离模型右边界0.2m处开挖，模拟过程中，设置5.0m为一开挖步距，实验过程中观察覆岩裂隙演化过程并记录来压步距及裂隙张开宽度数据，见表2。分析该类煤层开采工作面在深部沟谷下推进过程中：下坡—过沟底—上坡过程上覆岩层的破断失稳特征、断裂裂缝分布情况及漏风特性规律。

表1 实验材料配比

表2 实验特征参数

当工作面推进到260m时，煤壁后方4m左右处发生滑落失稳，基岩整体切落，基本顶发生第十二次周期来压，最终上覆岩层的破断失稳特征、断裂裂缝分布状况如图2所示。

图2 基本顶周期来压现象

由实验记录数据可以看出，该类煤层在沟谷下坡开采时，来压步距逐渐增大；在沟谷底处时的来压步达到最大，为42.5m；沟谷上坡开采时，来压步距又逐渐减小；在平地区域进行开采时，来压步距基本保持不变。说明受地表形态差异的影响，周期来压步距与煤层上方的荷载成反比。

在相似模拟实验过程中，通过记录裂隙张开量，可以看出裂隙张开量也与煤层上方荷载成反比。在沟谷下坡开采时，产生竖向裂隙，随着工作面推进至沟谷上坡处时，由于沟谷上坡荷载的回转应力，沟谷下坡处裂隙张开量逐渐减小，沟谷底处裂隙闭合且挤压密实，裂隙漏风能力降低。说明由于沟谷的影响，导水漏风裂缝张开量随着工作面的推进存在着动态变化。

2.2 裂隙漏风模拟分析

SF6示踪气体释放地点分别选择设在沟谷下坡、沟底、沟谷上坡和平地四个区域的导水漏风裂缝处，同时在采空区设置相应的取样地点，当工作面推进至相应位置时，采用SF6检测便携仪对相应测点的SF6情况进行监测。在监测前，采用亚克力板分别对模型前后进行密封处理。相似模拟风速测定结果如图3所示。

图3 相似模拟风速测定结果

对比四个区域在不同阶段的漏风特征可知：①沟谷处比平地区域接收点的SF6浓度相对较大；②上坡比下坡区域接收点的SF6浓度相对较大，且各裂缝存在不同程度的漏风；③滞后工作面的裂隙漏风量随着工作面的推进而减小，这是由于上覆岩层运动趋于稳定及未开采煤层上方荷载的回转应力作用。

回采完毕后在沟谷下坡、沟底、沟谷上坡和平地四个区域对地表采动裂缝进行针对性的封堵，本次实验采用跟实际开采环境相似的沙土材料对导水漏风裂缝进行了人工封堵。

封堵完毕后再次进行SF6示踪气体测试，通过测试结果发现对地表漏风裂缝进行封堵虽然不能完全阻止采空区漏风，但明显减缓了导水漏风裂缝漏风速度，减少了采空区漏风。

3 数值模拟研究分析

3.1 数值模型的建立

运用ANSYS软件中FLUENT进行数值模拟，以现生产工作面技术条件为背景，采用计算流体力学方法，建立工作面及采空区多孔介质三维模型，模拟研究在平地区域采动时，采空区、工作面以及进回风巷的漏风情况。通过相似模拟研究表明，开采平地区域时，每推进大约10m发生一次周期来压，距工作面10m处发生一次回转下沉，上部覆岩发生全厚切落，并新产生一条导气裂隙。

故设置模型数据如下：进回风巷道断面尺寸为5.0m×2.4m，工作面断面尺寸为5.0m×2.4m，采空区空间尺寸为50m×40m×50m。根据相似模拟实验结果，每隔10m设置一条裂隙带，取覆岩漏风裂缝为50m×40m×0.8m，在采空区0m≤Z≤25m区域粘滞阻力取5×106(1/m2)，在采空区25m≤Z≤50m区域粘滞阻力取5×107(1/m2)。

确定边界条件如下：根据现场数据设置工作面生产工作配风量Q0为900m3/min，因此，进风巷入口进风速度v=Q0/S=900/12/60=1.25m/s，S为进风巷断面积。压力差值为950Pa。分别模拟出两种情况下采空区压力、漏风流场、风速。模拟结果如图4所示。

图4 两种情况的模拟结果

在厚土层薄基岩类浅埋煤层开采过程中，覆岩发生全厚切落，形成贯通地表的导气裂隙，通过数值模拟分析可以看出，产生自地表向采空区及采空区向工作面的漏风迹线，地表压力大于采空区内部压力。渗流速度自采空区上部至工作面逐渐增大，由于工作面为抽出式通风，其流场流速较工作面中部和进风巷侧大。工作面两巷附近地表漏风速度大于工作面中部位置。

3.2 漏风防治数值模拟

对地表采动裂缝进行填平封堵，由于漏风裂缝内漏风流量受多孔介质孔隙率及渗透阻力系数的影响，即封堵材料施工时的密实程度直接影响地表漏风裂缝的漏风能力。在相同埋深情况下，分别设置封堵裂隙的多孔介质粘滞阻力在5×104～1×106(l/m2)变化时，模拟得出在不同粘滞阻力条件下，采空区内漏风风速及漏风流场分布情况，模拟结果如图5所示。

图5 不同粘滞阻力下模拟结果

从模拟结果图可以看出：封堵粘滞阻力越大，即封堵越密实，采空区漏风量减小，工作面风速降低。封堵粘滞阻力较小时，封堵措施并不能有效降低采空区漏风量，当封堵粘滞阻力大于5×105(1/m2)时，从模拟结果图可以看出采空区漏风量明显减小，空气流动迹线趋于平稳。

工作面漏风防治不仅与封堵材料的密实程度有关，也与距离工作面的远近有关，确定合理的裂隙封堵周期既可以保障工作面生产的安全性，也可以保证地面施工的安全性，更可以降低封堵施工频率，减小成本。

当封堵后裂隙的粘滞阻力在5×105(1/m2)时，工作面风速为0.25m/s，满足煤矿安全规范要求。取裂隙封堵粘滞阻力为1×106(1/m2)时，用软件分别模拟封堵不同距离情况下的漏风情况，模拟结果如图6所示。

图6 不同封堵距离下模拟结果

由数值模拟结果可以看出，在封堵粘滞阻力在1×106(1/m2)时，封堵30～50m处的裂隙，采空区漏风防治效果并不明显，仍然对工作面生产安全造成威胁；当漏风裂缝封堵距离在20～50m时，采空区漏风风量发生显著变化，防治效果明显；当漏风裂缝封堵距离在10～50m时，采空区漏风量更少，但从施工角度来说，加大了劳动频率。因此确定采空区裂隙封堵最经济有效的施工周期为工作面推进时每发生三次周期来压。