浅埋煤层覆岩采动裂缝对采空区漏风影响的研究

2021-12-22刘清洲赵加才宋守亚王高云

煤炭工程 2021年12期

刘清洲，张杰，赵加才，宋守亚，王高云，董博

(1.陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西宝鸡 721500；2.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

神府矿区工作面所在大部分区域煤层埋藏较浅，基岩较薄，煤层距离地表只有几十米，基岩以上为较厚的弱强度覆盖层。工作面开采时两带发育裂隙将导通覆盖层并直接发育至地表，成为诱导采空区漏风及遗煤自燃的主要通道，严重影响工作面的安全开采。因此，非常有必要对此条件下裂缝发育特征对采空区漏风影响进行研究。在浅埋煤层覆岩采动裂缝方面，黄庆享，侯忠杰等通过对顶板稳定性及垮落形态的研究，为覆岩破断位置的确定给出了理论依据[1，2]。王鹏等通过对韩家湾煤矿覆岩移动变形的研究，给出了采空区沉陷裂缝的分布形态及主要影响因素[3]。范钢伟等通过对单一关键层浅埋煤层“两带”发育演化过程的研究，将其分为发展期、贯通期及压实闭合期[4]。刘辉，胡振琪等通过现场监测，分析了神东矿区地裂缝的动态发育规律，并建立了相应函数关系[5，6]。侯恩科等通过现场实测，对地表采动裂缝张开量及动态变化时间进行了确定[7]。徐智敏等针对西部矿区基本特征，对顶板采动裂隙发育高度与形态演化特征进行了研究[8]。在浅埋煤层覆岩采动裂缝漏风及遗煤自燃防治方面，李迎春，张海峰，王建文等应用示踪气体技术对工作面采空区漏风通道进行了测定，表明塌陷裂缝是采空区主要的漏风通道[9-11]。徐会年等利用数值模拟和现场观测相结合的方法，对阳湾沟煤矿采空区流场与氧浓度等参数的变化情况研究，并提出了相应的防治措施[12]。许延辉，褚廷湘，曹凯等以降温控氧的煤火灾害治理思想，提出灌浆、注氮及阻化技术防治遗煤自燃的安全开采保障技术，并对自燃危险区域进行了判定[13-15]。

综上所述，关于浅埋煤层覆岩采动裂缝发育特征及遗煤自燃防治方面已做了大量研究，但对于此条件下裂缝发育特征对采空区漏风影响的研究目前较少。因此，本文基于采动裂缝发育特征与流体力学理论，针对安山煤矿5-2煤开采工作面采动裂缝发育特征对采空区漏风的影响进行了研究。

1 矿井概况

安山煤矿目前主采煤层为5-2煤，属薄基岩厚覆盖层赋存条件，且植被稀疏。125203和125205工作面回采范围内煤层水平标高为+1165m，地面标高为+1191～+1304m，平均煤厚2.3m，倾角小于1°，工作面宽度为270.5m，采用走向长壁开采，全部垮落法处理顶板，推进速度为14m/d左右。回采范围内构造简单，顶板岩性大致平稳。采用负压通风，工作面通风系统设计为U型通风，工作面正常生产期间配风量为1000m3/min，压力差值为800Pa。5-2煤属自燃～易自燃煤层，最短自燃发火期为38d。地温正常，无热害。

2 覆岩采动裂缝发育特征

工作面周期来压步距对于浅埋煤层覆岩采动裂缝的动态发育及分布具有决定作用，在实际生产中应准确地捕捉周期来压步距。因此，本文利用调度室监测中心在125203工作面布置安装的15台KGKJ216煤矿顶板动态监测系统压力分机(1#—158#支架每隔10架安装一部)对工作面液压支架支护阻力变化进行了13d(2018年9月8日—2018年9月20日)监测，工作面来压特征监测曲线如图1所示。

图1 工作面来压特征监测曲线

现场观测表明，安山煤矿浅埋煤层工作面开采过程中，地表贯通型采动裂缝随基岩承载层破断呈周期性展布特征，且裂缝间距与周期来压步距基本相等，来压步距平均为14m，支架最大工作阻力为22MPa，平均工作阻力为16MPa，动压系数为1.3左右。工作面来压后，其上方地表附近在来压前形成的临时性张开型覆岩采动裂缝逐渐演化成张开量较小或闭合型的覆岩采动裂缝。基岩承载层周期性失稳运动后形成了地表裂缝，覆岩采动裂缝发育特征如图2所示。

3 工作面漏风特征实测分析

本次对浅埋煤层开采工作面漏风特征分析时，拟采用SF6检测便携仪和风表分别对工作面单条裂缝漏风特征及总的漏风量进行测试，从而说明裂缝发育对生产的影响。

3.1 示踪气体测试分析

3.1.1 测试方案

安山煤矿125203工作面采空区形成的贯通型采动裂缝在矿井负压通风下，地面为漏风源，井下工作面为漏风汇，新鲜空气将通过覆岩采动裂缝流入采空区及工作面，最后汇入到回风巷。因此，本文拟采用SF6示踪气体对125203工作面漏风情况进行测试，用覆岩采动裂缝漏气性的分析，来评价覆岩漏风通道的发育情况。

根据试验工作面实际开采情况，找出工作面上方最可能为漏风源的地表裂缝释放SF6示踪气体，同时利用SF6检测便携仪分别对回风巷内距工作面10m处和工作面内的SF6气体进行持续检测。释放点与工作面位置关系如图3所示。

图3 释放点与工作面位置关系

3.1.2 测试结果分析

地表漏风测试分析见表1。由表1可知：

表1 地表漏风测试分析

1)距回风巷越近，SF6被检测到的浓度越大，时间越早，且持续时间越长。因此，在矿井负压通风条件下，工作面回风巷附近采空区漏风量较大，从而很容易造成回风巷附近采空区遗煤自燃现象的发生。

2)覆岩采动裂隙与工作面煤壁间距离较近，且最近距离为1m，进一步说明浅埋煤层开采工作面上方覆岩在煤壁附近发生破断。释放点至检测点的最短运移路线长度约等于87.5m，释放的SF6气体6min后被检测到，因此，最大漏风速度约为0.24m/s，表明气体在漏风通道内的运移速度较快。

3.2 工作面漏风量测试

3.2.1 测试方案

本次采用CFJ10型风速表对不同推进速度下的125203和125205工作面回采巷道的风速进行了测试；采用钢尺对巷道断面进行了测量。工作面风量监测巷道包括4条，其中，供风量监测巷道分别为125203运输巷和125205运输巷，回风量监测巷道分别为125203回风巷和125205回风巷。通过直接测试法所得各巷道的平均风速及净断面面积后，最终求得各工作面漏风量。

3.2.2 测试结果分析

工作面漏风量测试结果见表2。由表2可以看出，125203工作面漏风量为11.39m3/s，漏风率为108.4%；125205工作面漏风量为4.12m3/s，漏风率为27.8%；125203工作面与125205工作面漏风量的比值为2.76。

表2 工作面漏风量测试

结合生产工作面推进速度可知，125203工作面处于末采阶段，受工作面缓慢推进速度的影响，其附近所形成的覆岩采动裂缝从张开型向闭合型演化过程所需时间较长，因而漏风强度较大；而125205工作面为正常回采阶段，工作面推进速度较快，其附近所形成的覆岩采动裂缝从张开型向闭合型演化过程所需时间较短，因而漏风强度较小。说明工作面推进速度对其漏风量的大小有着重要影响，工作面缓慢推进会使覆岩采动裂缝的漏气性增强，严重时引起煤层自燃和涌水溃沙，实际生产中应合理加快工作面推进速度，保障工作面安全开采。

4 覆岩采动裂缝发育尺度对漏风的影响

由前文研究可知，安山煤矿5-2煤工作面采空区基岩承载层周期性失稳运动后形成了贯通型覆岩采动裂缝，如图2所示。在矿井负压通风条件下，地表空气沿漏风通道进入采空区，此范围内覆岩采动裂缝的发育尺度影响着其内空气的流动阻力，对裂缝内空气的流动起控制作用。因此，本节将基于覆岩采动裂缝发育尺度，采用流体力学相关知识，对贯通型覆岩采动裂缝的漏气性进行研究。

贯通型覆岩采动裂缝内空气的流速及流量与其发育尺度之间的关系如下[16]：

图4 流速随裂缝张开量及压差的变化规律

图5 漏风量随裂缝发育尺度的变化规律

现场观测表明，安山煤矿5-2煤工作面开采时，贯通型覆岩采动裂缝的产生伴随着整个开采过程。在125205工作面正常开采过程中，工作面漏风量为4.12m3/s，贯通发展区裂缝张开量平均为0.3m，埋深平均为70m，裂缝间距为平均周期来压步距14m，经计算，沿工作面走向方向，采空区覆岩采动裂缝的贯通发展区范围为210m，此范围内采空区遗煤容易受自然氧化的影响而发生自燃现象，工作面应在该煤层的最短自然发火期内推过此范围，来保障采空区遗煤不发生自燃。