窄煤柱影响下工作面漏风通道数值模拟研究

2021-12-14王建廷李俊锋

山东煤炭科技 2021年11期

杨建王建廷李俊锋

（陕西正通煤业有限责任公司，陕西咸阳 713699）

深部矿井在开采过程中，受较高采动应力的影响，工作面巷道壁逐渐压酥变形，产生大量漏风通道[1-3]。尤其是对于采用窄煤柱支护方式的煤层而言，矿山压力致使窄煤柱内部产生大量裂隙，与临近采空区沟通，从而使得工作面漏风规律更加复杂[4-5]。而采空区遗煤自燃问题，大部分都是由于漏风引起的，漏风导致采空区大量遗煤持续保持良好的供氧状态，最终发生煤氧化自燃，给矿井安全生产带来重大隐患[6-7]。通过数值模拟技术对采空区裂隙进行模拟演化，揭示煤层开采过程中覆岩导气裂隙的发育规律过程，进而深入明晰深井窄煤柱开采条件下工作面漏风特性，为防治采空区煤炭自燃提供理论依据。

1 窄煤柱模拟模型理论

弹性模量经验公式：

式中：E为弹性模量，GPa；Ec为杨氏模量，GPa；kn/ks为刚度比；a=1.652，b=-0.395。泊松比经验公式：

式中：v为泊松比；c=0.209，d=0.111。

根据经验公式（3）、（4）对数值模拟所需的细观参数进行反演。反演得到的细观数据见表2。

（1）单轴抗压强度回归性分析：

式中：σc为抗压强度，MPa；σ为平行连接法向连接强度，MPa；τ为平行连接切向连接强度，MPa。

（2）抗拉强度回归性分析：

式中：σt为抗拉强度，MPa；d为-0.174；e为0.463；f为0.289。

2 深井窄煤柱工作面数值模型建立

根据来压步距，对模型进行了适当的简化处理，模型长200 m，宽120 m，高74 m，共计9 层。如图3 所示，颗粒半径在平衡过程中不断扩大，相互挤压，直至达到目标孔隙率为0.05，模型建立完成。在模型中，第1 层至第6 层最小粒径为0.5，最大粒径为0.83；第7 层至第11 层最小粒径为0.4，最大粒径为0.664，两部分粒径比均为1.66。

表1 各岩层反演细观力学参数

3 采动影响下窄煤柱裂隙演化特性分析

3.1 203 工作面分布开采模拟分析

在PFC3D 模拟软件进行煤柱模拟的过程中，采用分步式煤层开采的方法，每20 m 为一步。首先对 203 工作面进行煤层开采模拟，模拟结果如图1。

图1 工作面分阶段开采示意图

选用回采20 m、80 m、160 m、200 m 距离时的模拟结果进行分析。由图4 可以看出，在回采20 m 时，没有出现很明显的顶板及覆岩垮落；回采至80 m 时，煤层顶板及覆岩在地应力的作用下发生破碎，顶板及覆岩发生垮落；随着203 工作面回采，顶板和上覆岩层继续发生破碎垮落，直至回采结束，顶板及覆岩发生的破碎垮落充满整个203 采空区。

模拟回采203 工作面完毕后，将沿空掘巷后的煤柱进行提取，并根据工作面回采时间的不同提取不同时间的裂隙发育情况，再现煤柱裂隙产生的整个过程，如图2。

由图2 知，在2031 工作面回采过程中，204 工作面还未进行开采，预留煤柱位置部分并未单独成窄煤柱，还是呈现煤层状态。因此在203 工作面回采过程中，预留窄煤柱部分的裂隙发育较小。在203 工作面推进20 m 时，煤柱位置受压，有少量裂隙发育，并且延伸至工作面前方5 m 左右。在进一步的工作面推进过程中，窄煤柱位置的裂隙发育状态基本延伸至工作面前方5～10 m 范围内，整体孔隙率变化较小。

图2 203 工作面回采过程中预留煤柱位置孔隙率变化

3.2 204 工作面分步开采煤柱裂隙模拟分析

模拟回采203 工作面完毕后，将沿空掘巷后的预留煤柱位置进行提取，并根据工作面回采时间的不同提取不同时间的裂隙发育情况，再现煤柱裂隙产生的整个过程，如图3、图4。

图3 204 工作面分阶段开采示意图

图4 回采过程中不同回采距离煤柱孔隙图

模拟204 工作面回采完毕后，将沿空掘巷后的煤柱进行提取，并根据工作面回采时间的不同提取不同时间的裂隙发育情况，再现煤柱裂隙产生的整个过程，如图3。

204 工作面回采过程中煤柱长200 m，宽7 m，每掘进20 m 保存一组数据。煤柱孔隙率不仅在回采后采空区中的煤柱表现出明显的孔隙率增加，在超前工作面部位由于煤柱集中应力也会导致孔隙增加。

在204 工作面回采之前，由于203 工作面回采以及204 回风巷道的掘进，窄煤柱内部已经产生了一些孔隙。当工作面回采距离为20 m 时，直接顶将会发生松动，基本顶有细微变动。由于203 工作面回采结束的原因，204 工作面采空区侧能提供的支撑力有限，而204 工作面采空区也难以提供足够的支撑力，煤柱承受的顶板压力增大，在超前工作面一定范围内产生集中应力，因此煤柱内部此时将开始陆续产生裂隙。但由于是初期，204 采空区面积不大，裂隙产生数量较少。随着工作面的不断推进，窄煤柱受到的集中应力随着工作面的推进而变化。当工作面向前推进至80 m 时，窄煤柱工作面前方约80 m 范围内均发生煤柱裂隙发育，孔隙率增大；当204 工作面回采推进至120 m 时，煤柱之中的裂隙数量达到最大值。

4 工作面采空区压能测定结果及分析

由图5 可以看出，在运输顺槽、204 工作面、回风顺槽中的气压的变化趋势相同，整体呈现降低趋势。运输顺槽内气压变化有起伏，但是整体呈现下降趋势。由进风隅角和回风隅角可以看出工作面区域气压下降明显，是由于气流随着运输顺槽进入工作面区域后，采空区会发生漏风，有气流流入后方采空区内，造成气压下降，压能降低。在测点7至测点12 范围内，204 工作面与203 工作面采空区内存在较大压差，此处由于窄煤柱受集中应力，裂隙发育明显，孔隙率增大，形成窄煤柱内部漏风通道，部分气流会流入窄煤柱，形成204 工作面与203 采空区之间的漏风通道。204 工作面的新鲜气流通过漏风通道流入203 采空区，造成203 采空区内的遗煤在新鲜气流的作用下发生二次氧化升温，有遗煤自燃危险，会影响204 工作面的正常回采工作。在回风巷中，气压整体呈现细微下降，在局部区域存在起伏变化。