甄 澤，蘇 偉

（榆林市楊伙盤礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引 言

國內(nèi)有許多研究者如侯忠杰、黃慶享、許家林[1-3]等對淺埋煤層開挖過程中，基巖層和松散層之間的損傷規(guī)律和關(guān)鍵層理論展開了探討。黃慶享[1]對頂部構(gòu)造的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合研究與分析，發(fā)現(xiàn)了工作面來壓強(qiáng)烈和頂部階梯沉降導(dǎo)致頂部構(gòu)造滑動損壞，并得出了保持頂部平穩(wěn)的支撐摩擦力統(tǒng)計公式方法，為定量化分析淺埋煤層頂板奠定了力學(xué)理論基礎(chǔ)；許家林[2]則提出，單一的關(guān)鍵層構(gòu)造是造成淺埋煤層特殊采動破壞現(xiàn)象的重要因素；侯忠杰[3]提出了復(fù)合關(guān)鍵層各種斷裂程度的最佳回轉(zhuǎn)角，認(rèn)為淺埋煤層表面有厚的松散層，而松散層管理主要是復(fù)合關(guān)鍵層的不穩(wěn)定運(yùn)動，即覆巖全厚度沿煤壁的階梯切落；張辛亥，吳剛[4]等總結(jié)并剖析了檸條塔煤礦N1201綜采工作面高強(qiáng)度的漏風(fēng)特性，利用漏風(fēng)數(shù)值模擬確定了工作面的漏風(fēng)狀況，并總結(jié)出了作業(yè)面自燃特性。此次基于參考資料，擬采用物理相似模擬和數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)，對采空區(qū)面積裂隙實(shí)行了仿真演化，基于試驗(yàn)結(jié)論給出了礦井漏風(fēng)預(yù)防措施并進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，得出綜合防治方案，以及施工準(zhǔn)備的工作周期。

1 裂隙發(fā)育及漏風(fēng)特征實(shí)測分析

1.1 工作面概況

楊伙盤煤礦30116工作面位于井田中西部，東為楊伙盤村，西為李家渠，中北部和南部為周家梁村。工作面對應(yīng)地面無村莊、無建筑物。上覆地層厚度為0～161.58 m，基巖厚度為42.87～161.58 m，松散層厚度為0～15.19 m。煤層厚度1.84～2.2 m，平均厚度為2.15 m，煤層傾角為1°，井下標(biāo)高+1 075—+1 096 m。上部為2-2煤20301、20302、20303、20304、20305、20307已回采結(jié)束的采煤工作面，與2-2煤層間距為31 m。工作面頂?shù)装鍘r性柱狀圖如圖1所示。

圖1 301 1 6煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.30116 Coal Seam

30116采場是一種抽出式通風(fēng)，在開采過程中，煤層崩塌后產(chǎn)生裂縫，并逐步向煤礦地表延展，煤礦采場漏風(fēng)的源頭是礦井地面漏風(fēng)，井下掘進(jìn)工作面則是漏風(fēng)的匯聚處。由于采場頻繁漏風(fēng)，導(dǎo)致采場內(nèi)含氧濃度上升，余煤與氧發(fā)生氧化，產(chǎn)生有毒的CO，危害礦井的生產(chǎn)[5]。

1.2 覆巖采動裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律

楊伙盤煤礦30116工作面關(guān)鍵層位于覆巖裂隙帶范圍內(nèi)，地表采動導(dǎo)致形成塌陷型裂縫，如圖2所示。

圖2 全厚切落的第一次周期來壓Fig.2 First cycle weighting of full-thickness cut

1.2.1 30116工作面開采覆巖斷裂裂縫豎向分區(qū)

通過前面研究可知，楊伙盤煤礦30116工作面在采掘后期，由于關(guān)鍵層的失穩(wěn)斷裂，致使上覆巖層一直到地表發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，從而形成了直接貫通地面的采動裂隙。在30116工作面的基礎(chǔ)上，以關(guān)鍵層下位巖層為界限，將其劃分為2個區(qū)域，如圖3所示。區(qū)域Ⅰ包含非承壓基巖層和上覆基巖層、上覆關(guān)鍵層和地表覆蓋層，這一區(qū)域內(nèi)采動裂縫受關(guān)鍵層不穩(wěn)定活動及斷裂制約。區(qū)域Ⅱ是指在關(guān)鍵層以下的局部巖體，該巖體在采掘過程中發(fā)生不規(guī)則性或規(guī)則性垮落。因此，在采取負(fù)壓通風(fēng)時，地面氣流先后通過Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，導(dǎo)致工作面的通風(fēng)不暢。

圖3 工作面開采覆巖斷裂裂縫豎向和橫向分區(qū)示意Fig.3 Vertical and transverse division of overburden fracture cracks in working face mining

1.2.2 30116工作面開采覆巖斷裂裂縫橫向分區(qū)

在采煤工作面掘進(jìn)中，由于采空區(qū)的貫通程度和貫通形式的差異，可將其劃分成裂縫產(chǎn)生區(qū)域、貫通區(qū)域和閉合區(qū)域[6]。在裂隙產(chǎn)生區(qū)域，以不連通工作面為主的裂隙為主，在裂隙發(fā)育區(qū)域，以導(dǎo)通采空區(qū)為主的崩塌式和階梯式斷裂為主，在閉合區(qū)域以閉合型裂縫為主。

2 裂隙發(fā)育及漏風(fēng)特征實(shí)驗(yàn)研究

結(jié)合楊伙盤煤礦30116煤層的真實(shí)賦存情況、尺寸和現(xiàn)有的鉆井柱狀圖，在此基礎(chǔ)上，按比例1∶100，構(gòu)建了不同表面形貌（溝谷和平地）的模擬試驗(yàn)平臺，對覆巖裂隙的穩(wěn)定性和斷裂裂縫的分布進(jìn)行了分析，為防治漏風(fēng)問題奠定了基礎(chǔ)。

2.1 覆巖裂隙模擬分析

為克服邊界的影響，在距離模型右側(cè)0.2 m處形成開切眼進(jìn)行開挖，模擬過程中，開挖步距根據(jù)情況設(shè)置為5.0 m，同時對覆巖裂縫的演變進(jìn)行觀測，并對來壓步距和裂縫擴(kuò)展的寬度進(jìn)行測量，對此類型煤礦在推進(jìn)過程中覆巖破裂失穩(wěn)特征、斷裂裂縫分布和漏風(fēng)特征進(jìn)行了研究。

當(dāng)掘進(jìn)至一段距離后，在煤壁下方約3.2 m的位置頂板產(chǎn)生了破裂，而承載巖層也由于開采的擾動產(chǎn)生了切落，這屬于基本頂發(fā)生的第10次周期來壓，最終上覆地層的破斷失穩(wěn)情況、斷層裂隙散布情況，如圖4所示。

圖4 基本頂周期來壓現(xiàn)象Fig.4 The periodic weighting of basic roof

實(shí)測結(jié)果證明，當(dāng)該煤層在溝谷下坡開采時，來壓步距明顯增加，在下坡地段可達(dá)35.6 m，但在上坡采礦時，來壓步距明顯減少，在平地上幾乎沒有變化。結(jié)果表明，在不同的地質(zhì)條件下，來壓步距與煤層的負(fù)荷成反比。

在物理相似實(shí)驗(yàn)中，從裂縫的擴(kuò)展情況可以發(fā)現(xiàn)，裂縫的擴(kuò)展程度與煤體上部的載荷呈相反關(guān)系。這種類型的煤體在溝谷下坡開采過程中會出現(xiàn)垂向裂隙，當(dāng)工作面推進(jìn)至溝谷上坡處時，裂隙會在溝谷底處閉合，裂隙漏風(fēng)性能也會下降。結(jié)果表明，由于溝谷的作用，導(dǎo)流漏風(fēng)裂隙的擴(kuò)展是動態(tài)變化的。

2.2 裂隙漏風(fēng)模擬分析

SF6示蹤氣體檢測器的設(shè)定位置，依次是位于溝谷下坡、溝底、溝谷上坡平等地4種位置之間的導(dǎo)水及透風(fēng)縫隙內(nèi)，并在采空區(qū)范圍內(nèi)設(shè)定了取樣點(diǎn)，當(dāng)作業(yè)面提升至適當(dāng)位置后，使用檢測器對各個檢查點(diǎn)的示蹤氣體進(jìn)行檢測[7]。測量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 漏風(fēng)測量Fig.5 Air leakage measurement

對比4個區(qū)域在不同階段的漏風(fēng)特征可知：溝底的SF6濃度較低，而溝谷中的SF6濃度較高；下坡位置的SF6濃度較低，上坡的SF6濃度較高，不同的裂縫漏氣程度也不同；漏風(fēng)量與工作面后方距離成反比，距離越遠(yuǎn)，上覆巖層運(yùn)動趨于穩(wěn)定。

在回采結(jié)束后，在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地4個區(qū)域?qū)Φ乇聿蓜恿芽p進(jìn)行有針對性的封堵[8]。實(shí)驗(yàn)使用礦井附近的沙土材料對裂縫進(jìn)行人工封堵。

在采用礦井沙土對裂縫封堵后，對SF6示蹤氣體進(jìn)行了一次濃度測試，實(shí)驗(yàn)表明，盡管對采空區(qū)的漏風(fēng)裂縫進(jìn)行封閉并不能徹底防止漏風(fēng)，但是可以降低采空區(qū)的漏風(fēng)率。

3 數(shù)值模擬研究分析

3.1 數(shù)值模型的建立

在物理相似模擬實(shí)驗(yàn)演化過程中，當(dāng)?shù)乇淼貏菹鄬ζ骄彆r，周期來壓大概每10 m發(fā)生1次，導(dǎo)致工作面回轉(zhuǎn)下沉，覆巖全厚切落，在切落過程中，又會因覆巖的運(yùn)動出現(xiàn)新的導(dǎo)氣通道。在楊伙盤煤礦30116工作面，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)和工作面進(jìn)行了三維建模[9]。

計算模型如圖6所示。

圖6 ZT2鉆孔水位變化曲線圖Fig.6 Water level change curve of No.ZT2 drilling hole

圖6 計算模型Fig.6 Simulation model

通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，采空區(qū)空間模型尺寸50 m×40 m×50 m，進(jìn)回風(fēng)巷道截面模型尺寸5 m×2.4 m。通過物理相似模擬發(fā)現(xiàn)，在采空區(qū)內(nèi)，可以在10 m范圍內(nèi)設(shè)置1條裂縫，將覆巖漏風(fēng)裂縫設(shè)為50 m×40 m×0.8 m，粘滯阻力取4.8×106（1/m2）的采空區(qū)區(qū)域?yàn)?≤Z≤25 m處，粘滯阻力取4.8×107（1/m2）的采空區(qū)區(qū)域?yàn)?5 m≤Z≤50 m處。由實(shí)測資料可知，工作面的工作氣流流量Q0為900 m3/min，進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)口風(fēng)速為900/12/60=1.25 m/s，進(jìn)風(fēng)巷斷面的壓差為950 Pa。對2種工況下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬[10]。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種情況的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of two cases

地表向采空區(qū)的漏風(fēng)跡線數(shù)值模擬結(jié)果表明，地表壓力由于漏風(fēng)而比采空區(qū)要大。壓力梯度使得從采空區(qū)頂部到工作面的滲透速率不斷遞增，因?yàn)楣ぷ髅鎸儆诔槌鍪酵L(fēng)，所以滲透流速比進(jìn)風(fēng)巷和工作面的流速都要高。

3.2 漏風(fēng)防治數(shù)值模擬

在同一深度下，采用封閉裂縫的多孔煤質(zhì)在5×104～1×106的粘性阻力時，對在不同粘性阻力下的漏風(fēng)速度和漏風(fēng)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。

不同粘滯阻力下模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粘滯阻力下模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results under different viscous resistance

從模擬結(jié)果可以看出：在圍巖中，粘性土的阻力因數(shù)越高，則采空區(qū)的漏風(fēng)率越低，采場內(nèi)的風(fēng)速就越低。在粘性土的粘性系數(shù)很小的情況下，采用封閉方法無法減少采空區(qū)的空氣流動，在堵塞粘性超過5×105（1/m2）時，采空區(qū)的漏風(fēng)率顯著下降，而泄漏跡線則相對穩(wěn)定。采場的防滲措施不但與圍巖的致密程度有很大關(guān)系，而且與采場的間距密切相關(guān)，合理的采空區(qū)封閉期能全面確保采區(qū)作業(yè)的安全和地表作業(yè)的安全。

在對裂縫進(jìn)行封堵后，裂縫的粘性系數(shù)為5×105（1/m2）時，對采場的風(fēng)向進(jìn)行了理論分析，得出了采場的平均速度為0.25 m/s，符合礦井安全技術(shù)規(guī)程的規(guī)定。截斷裂縫粘性系數(shù)為1×106（1/m2）時，用軟件分別模擬封堵距離不同情況下的漏風(fēng)情況。

不同封堵距離下模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同封堵距離下模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results under different plugging distance

由數(shù)值模擬中可以看出，在封堵粘性系數(shù)為1×106（1/m2）時，對于30～50 m裂隙，采空區(qū)防滲漏治理作用不大，對工作面生產(chǎn)安全構(gòu)成一定的威脅；在采空區(qū)，漏風(fēng)裂隙封閉距離為20～50 m時，漏風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)流量會有較大的改變，從而達(dá)到控制的目的；在10～50 m的距離上封堵漏風(fēng)裂縫，可以減少采空區(qū)的漏風(fēng)，但在施工方面，會增加工作頻率和運(yùn)行成本。由此可以得出，每隔2次周期來壓，在第三次周期來壓時對采空區(qū)裂隙封堵最為經(jīng)濟(jì)有效。

4 結(jié) 論

本文以楊伙盤煤礦30116煤為工程背景，綜合應(yīng)用相似模擬以及數(shù)值計算研究方法，還原了采場覆巖導(dǎo)水漏風(fēng)裂縫的形成演化過程以及采空區(qū)流場及工作面漏風(fēng)特征。

（1）在淺埋式薄基煤體采掘過程中，覆巖出現(xiàn)了全厚切落的現(xiàn)象，其斷裂形式發(fā)展迅速，并貫穿了地面，形成一個很好的通風(fēng)管道。而且裂縫出現(xiàn)的次數(shù)與采場的深度呈比例關(guān)系，裂縫的擴(kuò)展和上部受力呈反比關(guān)系，并且在巖體活動的穩(wěn)定性下逐漸降低。

（2）由數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，采煤過程中過溝谷時的漏風(fēng)率比在平坦地區(qū)高，而在上坡推進(jìn)比在下坡處的要多。在深部厚底板淺埋煤層中，為了避免工作面CO的積累影響礦井安全，在掘進(jìn)過程中必須提高掘進(jìn)的速率。

（3）對30116煤層漏氣引起的表面裂縫的填充和壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行了模擬和分析，確定了經(jīng)濟(jì)、有效的封堵壓實(shí)工藝：工作面推進(jìn)每隔2次周期來壓，在發(fā)生第三次周期來壓時進(jìn)行一次封堵壓實(shí)。