張 杰，張建辰，劉清洲，2，周府偉，陳 誠

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710000；2.陜西郭家河煤業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721500；3.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

我國煤炭儲量豐富，埋深不超過150m的煤層稱為淺埋煤層，其中位于陜北神府侏羅紀(jì)煤田淺交界處南梁煤礦是典型的淺埋煤層。在開采該類煤層時，由于基巖薄，上覆巖層的運(yùn)動演化具有一定的規(guī)律性，與其他煤層不同，淺埋煤層開采時會產(chǎn)生貫通地表裂隙，對地表植被等產(chǎn)生破壞，同時致使井下采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象凸顯，井下通風(fēng)困難，對井下安全開采造成威脅，同時煤礦采空區(qū)漏風(fēng)是致使采空區(qū)煤炭自燃的嚴(yán)重誘因之一。因此，進(jìn)行上覆巖層裂隙發(fā)育及采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究十分必要?，F(xiàn)階段，我國學(xué)者對于厚土層下薄基巖淺埋煤層開采過程中的巖層破壞規(guī)律及淺埋煤層巖層控制關(guān)鍵層理論已經(jīng)取得豐富的科研成果。黃慶享[2]通過分析頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，揭示了工作面來壓明顯和頂板臺階下沉的機(jī)理是頂板結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，并給出了維持頂板穩(wěn)定的支護(hù)力計算公式，為淺埋煤層頂板控制定量化分析提供了理論基礎(chǔ)；侯忠杰[3]把關(guān)鍵層理論應(yīng)用于地表厚松散層淺埋煤層，給出了組合關(guān)鍵層巖柱不同斷裂度的最大回轉(zhuǎn)角，得出地表厚松散層淺埋煤層頂板管理的主要問題是組合關(guān)鍵層巖柱的滑落失穩(wěn)，即覆巖全厚度沿煤壁的臺階切落；許家林[4]認(rèn)為導(dǎo)致淺埋煤層特殊采動損害現(xiàn)象的關(guān)鍵原因在于單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。其次，對于淺埋煤層開采地表裂縫與漏風(fēng)研究也有諸多成果；張辛亥，吳剛[5]等針對檸條塔煤礦N1201綜采工作面漏風(fēng)強(qiáng)度高的特點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)行漏風(fēng)數(shù)值模擬，得出其漏風(fēng)情況，并得出工作面自燃危險特點(diǎn)。

在前人研究的基礎(chǔ)上，通過物理相似模擬及數(shù)值模擬實(shí)驗對采空區(qū)裂隙進(jìn)行模擬演化，將淺埋煤層開采過程中的裂隙發(fā)育及漏風(fēng)過程進(jìn)行還原，提出漏風(fēng)防治措施并進(jìn)行模擬驗證，并確定防治施工周期，以期獲得良好的可行性。

1 裂隙發(fā)育及漏風(fēng)特征實(shí)測分析

淺埋類煤層隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)覆巖發(fā)生垮落，導(dǎo)水裂隙帶將溝通上方覆蓋的全部含水層并發(fā)育至地表。導(dǎo)水裂隙帶是漏風(fēng)的主要通道，而漏風(fēng)造成采空區(qū)風(fēng)量增加，氧氣含量增多，而氧氣是采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的必要條件，因此分析導(dǎo)水裂隙帶形成的過程特性是必要的。南梁煤礦煤層均為易自燃煤層，以南梁現(xiàn)階段開采的30100煤層為對象分析漏風(fēng)防治。

1.1 工作面概況

南梁煤礦為典型的黃土丘陵溝壑地貌，煤層頂板有一層厚度約20m左右的巨厚層狀中-細(xì)粒砂巖，塊狀，煤層平均埋深為68.21m，平均厚度為1.39m，平均可采煤厚度為1.59m，為中厚煤層；煤直接頂主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖；直接底主要為細(xì)粒砂巖、粉砂巖和泥巖；煤層上方未風(fēng)化基巖厚度最小為3.04m，未風(fēng)化基巖厚度最大為20.01m。屬于典型厚土層薄基巖的淺埋煤層?，F(xiàn)階段開采煤層為30100煤層，其中N02鉆孔柱狀如圖1所示。

圖1 30100煤層綜合柱狀

30100工作面屬于抽出式通風(fēng)，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層垮落后，形成裂隙，并逐漸延伸至地面，所以地面為漏風(fēng)源，井下工作面為漏風(fēng)匯，致使工作面形成漏風(fēng)。工作面出現(xiàn)漏風(fēng)使采空區(qū)氧氣濃度升高，遺煤接觸氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO量增多，對工作面造成生產(chǎn)安全威脅。

1.2 裂隙發(fā)育形態(tài)

隨著工作面的開采，頂板巖層由于采動發(fā)生垮落，由于上覆松散沙層厚度較大，力學(xué)性能穩(wěn)定，形成懸頂，由于工作面的繼續(xù)開采，巖層強(qiáng)度達(dá)到極限，頂板發(fā)生全厚切落。

根據(jù)煤層柱狀圖，工作面采高H=2.45m，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，地表初始下沉h=0.25m。由于位移過程中頂板厚松散層不發(fā)生膨脹，根據(jù)公式計算得出需填充采空區(qū)所需的頂板厚度。

所需頂板厚度：

式中，kp為巖層的碎脹系數(shù)。

根據(jù)煤層柱狀圖可知由于上覆巖層組成不同，計算頂板加權(quán)平均巖層碎脹系數(shù)kp：

式中，kpi為第i層巖層的碎脹系數(shù)；hi為第i層巖層的高度，m。

由柱狀圖可知自煤層頂板至地表巖層依次為：①泥巖：kp1=1.4，h1=0.88m；②細(xì)粒砂巖：kp2=1.6，h2=2.88m；③粉砂巖：kp3=1.7，h3=4.5m。代入公式中得kp=1.63，b=3.49m。

由最大拉應(yīng)力理論可知，采空區(qū)上方懸頂?shù)奈ｋU斷面位于巖梁兩端上部和中央的下部，再根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，剪應(yīng)力最大點(diǎn)在巖梁兩端中性層處。

懸頂兩端上部拉應(yīng)力破壞的極限跨距：

式中，γ1為厚松散層的容重，kN/m3；γ2為基巖的容重，kN/m3；h1為厚松散層的高度，m；h2為基巖的高度，m；σT為巖體層的單向抗拉強(qiáng)度，MPa。

代入h1=88.68m、h2=4.77m、γ1=2.0kN/m3、γ2= 2.5kN/m3、g=10m/s2，σT=20MPa，計算得L12=22.64m，即初始來壓步距為22.64m。

再將工作面中部頂板沿走向簡化成受均布荷載和巖體自重作用的懸臂巖梁。根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，懸臂巖梁最大拉應(yīng)力點(diǎn)在固支端上部，由彈性力學(xué)計算得周期來壓步距Lτ為：

代入數(shù)值計算得周期來壓步距Lτ=8.95m。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，初始來壓步距為23.8m，一次周期來壓步距為9.5m，與計算結(jié)果相近。

1.3 漏風(fēng)測試計算

為了研究地表采動裂縫的導(dǎo)氣性，進(jìn)行示蹤氣體(SF6)試驗，由于地面裂隙較多，根據(jù)地表裂隙觀測結(jié)果，找出最可能為漏風(fēng)源的裂隙，并確定回風(fēng)巷某處為釋放地點(diǎn)，進(jìn)行釋放。同時在井下回風(fēng)巷內(nèi)距工作面10m左右處及工作面內(nèi)設(shè)置2組取樣地點(diǎn)，從釋放氣體起，采用SF6檢測儀對這兩個測點(diǎn)的SF6情況持續(xù)監(jiān)測。

通過實(shí)驗測試得出：回風(fēng)隅角附近地表接收點(diǎn)的SF6濃度相對較大，說明漏風(fēng)主要從地面回風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)，回至工作面回風(fēng)隅角附近，回風(fēng)隅角附近漏風(fēng)量較大。

設(shè)定SF6從地表漏風(fēng)源至工作面是沿直線滲透，則從地表釋放點(diǎn)至工作面檢測點(diǎn)距離可據(jù)釋放點(diǎn)和檢測點(diǎn)兩點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行確定。

通過測定氣體SF6從釋放點(diǎn)流至檢測點(diǎn)的時間間隔可以計算出漏風(fēng)速度：

U=L/Δt

(6)

式中，Δt為氣體SF6從釋放點(diǎn)流至檢測點(diǎn)的時間間隔，s。

通過現(xiàn)場實(shí)測，覆巖傾向裂隙距離工作面煤壁為39m，進(jìn)而說明淺埋煤層工作面開采時覆巖在煤壁附近破斷。由于測點(diǎn)埋深為99m，距離回風(fēng)巷為10m，因而測點(diǎn)距離回風(fēng)隅角的距離約等于106.87m，從釋放到接收到SF6的時間間隔為30～71min，則計算出氣體漏風(fēng)速度為0.025～0.059m/s，表明氣體在裂隙通道內(nèi)的運(yùn)移速度較慢。再通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得出30100工作面漏風(fēng)量為0.67m3/s，漏風(fēng)率為5.2%；因而當(dāng)工作面平均埋深為70m，且緩慢推進(jìn)時，在導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫將更加發(fā)育，工作面漏風(fēng)率將大于5.2%。

通過掌握南梁煤礦30100工作面的漏風(fēng)量大小，根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出地表采動裂縫發(fā)育特征及其對生產(chǎn)的影響，表明隨著采動影響，裂隙已發(fā)育至地表，貫通采空區(qū)且漏風(fēng)至工作面，嚴(yán)重時導(dǎo)致煤層自燃、涌水潰沙和地表植被退化，不利于礦井安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)。

2 裂隙發(fā)育及漏風(fēng)特征實(shí)驗研究

根據(jù)南梁煤礦30100煤層實(shí)際賦存尺寸及現(xiàn)有的鉆孔綜合柱狀圖，材料配比見表1，建立相關(guān)不同地表形態(tài)(溝谷及平地)的模擬實(shí)驗平臺，相似比為1∶100，研究覆巖破斷失穩(wěn)特征及斷裂裂縫分布規(guī)律，為礦井漏風(fēng)治理工作提供理論依據(jù)。

2.1 覆巖裂隙模擬分析

在距離模型右邊界0.2m處開挖，模擬過程中，設(shè)置5.0m為一開挖步距，實(shí)驗過程中觀察覆巖裂隙演化過程并記錄來壓步距及裂隙張開寬度數(shù)據(jù)，見表2。分析該類煤層開采工作面在深部溝谷下推進(jìn)過程中：下坡—過溝底—上坡過程上覆巖層的破斷失穩(wěn)特征、斷裂裂縫分布情況及漏風(fēng)特性規(guī)律。

表1 實(shí)驗材料配比

表2 實(shí)驗特征參數(shù)

當(dāng)工作面推進(jìn)到260m時，煤壁后方4m左右處發(fā)生滑落失穩(wěn)，基巖整體切落，基本頂發(fā)生第十二次周期來壓，最終上覆巖層的破斷失穩(wěn)特征、斷裂裂縫分布狀況如圖2所示。

圖2 基本頂周期來壓現(xiàn)象

由實(shí)驗記錄數(shù)據(jù)可以看出，該類煤層在溝谷下坡開采時，來壓步距逐漸增大；在溝谷底處時的來壓步達(dá)到最大，為42.5m；溝谷上坡開采時，來壓步距又逐漸減小；在平地區(qū)域進(jìn)行開采時，來壓步距基本保持不變。說明受地表形態(tài)差異的影響，周期來壓步距與煤層上方的荷載成反比。

在相似模擬實(shí)驗過程中，通過記錄裂隙張開量，可以看出裂隙張開量也與煤層上方荷載成反比。在溝谷下坡開采時，產(chǎn)生豎向裂隙，隨著工作面推進(jìn)至溝谷上坡處時，由于溝谷上坡荷載的回轉(zhuǎn)應(yīng)力，溝谷下坡處裂隙張開量逐漸減小，溝谷底處裂隙閉合且擠壓密實(shí)，裂隙漏風(fēng)能力降低。說明由于溝谷的影響，導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫張開量隨著工作面的推進(jìn)存在著動態(tài)變化。

2.2 裂隙漏風(fēng)模擬分析

SF6示蹤氣體釋放地點(diǎn)分別選擇設(shè)在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地四個區(qū)域的導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫處，同時在采空區(qū)設(shè)置相應(yīng)的取樣地點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至相應(yīng)位置時，采用SF6檢測便攜儀對相應(yīng)測點(diǎn)的SF6情況進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測前，采用亞克力板分別對模型前后進(jìn)行密封處理。相似模擬風(fēng)速測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 相似模擬風(fēng)速測定結(jié)果

對比四個區(qū)域在不同階段的漏風(fēng)特征可知：①溝谷處比平地區(qū)域接收點(diǎn)的SF6濃度相對較大；②上坡比下坡區(qū)域接收點(diǎn)的SF6濃度相對較大，且各裂縫存在不同程度的漏風(fēng)；③滯后工作面的裂隙漏風(fēng)量隨著工作面的推進(jìn)而減小，這是由于上覆巖層運(yùn)動趨于穩(wěn)定及未開采煤層上方荷載的回轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。

回采完畢后在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地四個區(qū)域?qū)Φ乇聿蓜恿芽p進(jìn)行針對性的封堵，本次實(shí)驗采用跟實(shí)際開采環(huán)境相似的沙土材料對導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫進(jìn)行了人工封堵。

封堵完畢后再次進(jìn)行SF6示蹤氣體測試，通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)對地表漏風(fēng)裂縫進(jìn)行封堵雖然不能完全阻止采空區(qū)漏風(fēng)，但明顯減緩了導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫漏風(fēng)速度，減少了采空區(qū)漏風(fēng)。

3 數(shù)值模擬研究分析

3.1 數(shù)值模型的建立

運(yùn)用ANSYS軟件中FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，以現(xiàn)生產(chǎn)工作面技術(shù)條件為背景，采用計算流體力學(xué)方法，建立工作面及采空區(qū)多孔介質(zhì)三維模型，模擬研究在平地區(qū)域采動時，采空區(qū)、工作面以及進(jìn)回風(fēng)巷的漏風(fēng)情況。通過相似模擬研究表明，開采平地區(qū)域時，每推進(jìn)大約10m發(fā)生一次周期來壓，距工作面10m處發(fā)生一次回轉(zhuǎn)下沉，上部覆巖發(fā)生全厚切落，并新產(chǎn)生一條導(dǎo)氣裂隙。

故設(shè)置模型數(shù)據(jù)如下：進(jìn)回風(fēng)巷道斷面尺寸為5.0m×2.4m，工作面斷面尺寸為5.0m×2.4m，采空區(qū)空間尺寸為50m×40m×50m。根據(jù)相似模擬實(shí)驗結(jié)果，每隔10m設(shè)置一條裂隙帶，取覆巖漏風(fēng)裂縫為50m×40m×0.8m，在采空區(qū)0m≤Z≤25m區(qū)域粘滯阻力取5×106(1/m2)，在采空區(qū)25m≤Z≤50m區(qū)域粘滯阻力取5×107(1/m2)。

確定邊界條件如下：根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)設(shè)置工作面生產(chǎn)工作配風(fēng)量Q0為900m3/min，因此，進(jìn)風(fēng)巷入口進(jìn)風(fēng)速度v=Q0/S=900/12/60=1.25m/s，S為進(jìn)風(fēng)巷斷面積。壓力差值為950Pa。分別模擬出兩種情況下采空區(qū)壓力、漏風(fēng)流場、風(fēng)速。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種情況的模擬結(jié)果

在厚土層薄基巖類淺埋煤層開采過程中，覆巖發(fā)生全厚切落，形成貫通地表的導(dǎo)氣裂隙，通過數(shù)值模擬分析可以看出，產(chǎn)生自地表向采空區(qū)及采空區(qū)向工作面的漏風(fēng)跡線，地表壓力大于采空區(qū)內(nèi)部壓力。滲流速度自采空區(qū)上部至工作面逐漸增大，由于工作面為抽出式通風(fēng)，其流場流速較工作面中部和進(jìn)風(fēng)巷側(cè)大。工作面兩巷附近地表漏風(fēng)速度大于工作面中部位置。

3.2 漏風(fēng)防治數(shù)值模擬

對地表采動裂縫進(jìn)行填平封堵，由于漏風(fēng)裂縫內(nèi)漏風(fēng)流量受多孔介質(zhì)孔隙率及滲透阻力系數(shù)的影響，即封堵材料施工時的密實(shí)程度直接影響地表漏風(fēng)裂縫的漏風(fēng)能力。在相同埋深情況下，分別設(shè)置封堵裂隙的多孔介質(zhì)粘滯阻力在5×104～1×106(l/m2)變化時，模擬得出在不同粘滯阻力條件下，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速及漏風(fēng)流場分布情況，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粘滯阻力下模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果圖可以看出：封堵粘滯阻力越大，即封堵越密實(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)量減小，工作面風(fēng)速降低。封堵粘滯阻力較小時，封堵措施并不能有效降低采空區(qū)漏風(fēng)量，當(dāng)封堵粘滯阻力大于5×105(1/m2)時，從模擬結(jié)果圖可以看出采空區(qū)漏風(fēng)量明顯減小，空氣流動跡線趨于平穩(wěn)。

工作面漏風(fēng)防治不僅與封堵材料的密實(shí)程度有關(guān)，也與距離工作面的遠(yuǎn)近有關(guān)，確定合理的裂隙封堵周期既可以保障工作面生產(chǎn)的安全性，也可以保證地面施工的安全性，更可以降低封堵施工頻率，減小成本。

當(dāng)封堵后裂隙的粘滯阻力在5×105(1/m2)時，工作面風(fēng)速為0.25m/s，滿足煤礦安全規(guī)范要求。取裂隙封堵粘滯阻力為1×106(1/m2)時，用軟件分別模擬封堵不同距離情況下的漏風(fēng)情況，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同封堵距離下模擬結(jié)果

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在封堵粘滯阻力在1×106(1/m2)時，封堵30～50m處的裂隙，采空區(qū)漏風(fēng)防治效果并不明顯，仍然對工作面生產(chǎn)安全造成威脅；當(dāng)漏風(fēng)裂縫封堵距離在20～50m時，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量發(fā)生顯著變化，防治效果明顯；當(dāng)漏風(fēng)裂縫封堵距離在10～50m時，采空區(qū)漏風(fēng)量更少，但從施工角度來說，加大了勞動頻率。因此確定采空區(qū)裂隙封堵最經(jīng)濟(jì)有效的施工周期為工作面推進(jìn)時每發(fā)生三次周期來壓。

4 結(jié) 論

1)厚土層薄基巖淺埋煤層開采時，覆巖發(fā)生全厚切落，裂縫形態(tài)發(fā)展變化快，裂縫發(fā)育貫通地表，形成良好的漏風(fēng)通道。且裂隙產(chǎn)生的頻率與工作面煤層埋深成正比，裂隙張開量與煤層上方荷載成反比，并隨著基巖層運(yùn)動的穩(wěn)定而趨于減小。

2)通過模擬分析，工作面過溝谷時漏風(fēng)量大于平地區(qū)域，上坡推進(jìn)漏風(fēng)量大于下坡推進(jìn)漏風(fēng)量。因此，在厚土層薄基巖淺埋煤層工作面開采過程中，為防止工作面CO聚積，危及安全生產(chǎn)，在溝底及以工作面推進(jìn)方向下坡時應(yīng)加快推進(jìn)速度。

3)通過模擬分析，提出了30100煤層開采地表漏風(fēng)裂縫填平封堵技術(shù)，確定了工作面采空區(qū)地表漏風(fēng)裂縫填平封堵最經(jīng)濟(jì)有效的封堵施工周期為工作面推進(jìn)每發(fā)生三次周期來壓。