淺埋綜采工作面覆巖裂隙發育及漏風規律研究

張 杰，張建辰，劉清洲，2，周府偉，陳 誠

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710000；2.陜西郭家河煤業有限公司，陜西 寶雞 721500；3.中煤西安設計工程有限責任公司，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，上覆巖層的運動演化具有一定的規律性，與其他煤層不同，淺埋煤層開采時會產生貫通地表裂隙，對地表植被等產生破壞，同時致使井下采空區漏風現象凸顯，井下通風困難，對井下安全開采造成威脅，同時煤礦采空區漏風是致使采空區煤炭自燃的嚴重誘因之一。因此，進行上覆巖層裂隙發育及采空區漏風規律研究十分必要?，F階段，我國學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律及淺埋煤層巖層控制關鍵層理論已經取得豐富的科研成果。黃慶享[2]通過分析頂板結構的穩定性，揭示了工作面來壓明顯和頂板臺階下沉的機理是頂板結構滑落失穩，并給出了維持頂板穩定的支護力計算公式，為淺埋煤層頂板控制定量化分析提供了理論基礎；侯忠杰[3]把關鍵層理論應用于地表厚松散層淺埋煤層，給出了組合關鍵層巖柱不同斷裂度的最大回轉角，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鍵層巖柱的滑落失穩，即覆巖全厚度沿煤壁的臺階切落；許家林[4]認為導致淺埋煤層特殊采動損害現象的關鍵原因在于單一關鍵層結構。其次，對于淺埋煤層開采地表裂縫與漏風研究也有諸多成果；張辛亥，吳剛[5]等針對檸條塔煤礦N1201綜采工作面漏風強度高的特點進行分析，進行漏風數值模擬，得出其漏風情況，并得出工作面自燃危險特點。

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

1 裂隙發育及漏風特征實測分析

淺埋類煤層隨著工作面的推進，采空區覆巖發生垮落，導水裂隙帶將溝通上方覆蓋的全部含水層并發育至地表。導水裂隙帶是漏風的主要通道，而漏風造成采空區風量增加，氧氣含量增多，而氧氣是采空區遺煤發生自燃的必要條件，因此分析導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，以南梁現階段開采的30100煤層為對象分析漏風防治。

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、細粒砂巖；直接底主要為細粒砂巖、粉砂巖和泥巖；煤層上方未風化基巖厚度最小為3.04m，未風化基巖厚度最大為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，隨著工作面的推進，上覆巖層垮落后，形成裂隙，并逐漸延伸至地面，所以地面為漏風源，井下工作面為漏風匯，致使工作面形成漏風。工作面出現漏風使采空區氧氣濃度升高，遺煤接觸氧氣發生氧化反應產生的CO量增多，對工作面造成生產安全威脅。

1.2 裂隙發育形態

隨著工作面的開采，頂板巖層由于采動發生垮落，由于上覆松散沙層厚度較大，力學性能穩定，形成懸頂，由于工作面的繼續開采，巖層強度達到極限，頂板發生全厚切落。

根據煤層柱狀圖，工作面采高H=2.45m，根據現場測試數據，地表初始下沉h=0.25m。由于位移過程中頂板厚松散層不發生膨脹，根據公式計算得出需填充采空區所需的頂板厚度。

所需頂板厚度：

式中，kp為巖層的碎脹系數。

根據煤層柱狀圖可知由于上覆巖層組成不同，計算頂板加權平均巖層碎脹系數kp：

式中，kpi為第i層巖層的碎脹系數；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。

由最大拉應力理論可知，采空區上方懸頂的危險斷面位于巖梁兩端上部和中央的下部，再根據最大剪應力理論，剪應力最大點在巖梁兩端中性層處。

懸頂兩端上部拉應力破壞的極限跨距：

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。根據最大拉應力理論，懸臂巖梁最大拉應力點在固支端上部，由彈性力學計算得周期來壓步距Lτ為：

代入數值計算得周期來壓步距Lτ=8.95m。

根據現場測試數據，初始來壓步距為23.8m，一次周期來壓步距為9.5m，與計算結果相近。

1.3 漏風測試計算

為了研究地表采動裂縫的導氣性，進行示蹤氣體(SF6)試驗，由于地面裂隙較多，根據地表裂隙觀測結果，找出最可能為漏風源的裂隙，并確定回風巷某處為釋放地點，進行釋放。同時在井下回風巷內距工作面10m左右處及工作面內設置2組取樣地點，從釋放氣體起，采用SF6檢測儀對這兩個測點的SF6情況持續監測。

通過實驗測試得出：回風隅角附近地表接收點的SF6濃度相對較大，說明漏風主要從地面回風側漏入采空區，回至工作面回風隅角附近，回風隅角附近漏風量較大。

設定SF6從地表漏風源至工作面是沿直線滲透，則從地表釋放點至工作面檢測點距離可據釋放點和檢測點兩點的坐標進行確定。

通過測定氣體SF6從釋放點流至檢測點的時間間隔可以計算出漏風速度：

U=L/Δt

(6)

式中，Δt為氣體SF6從釋放點流至檢測點的時間間隔，s。

通過現場實測，覆巖傾向裂隙距離工作面煤壁為39m，進而說明淺埋煤層工作面開采時覆巖在煤壁附近破斷。由于測點埋深為99m，距離回風巷為10m，因而測點距離回風隅角的距離約等于106.87m，從釋放到接收到SF6的時間間隔為30～71min，則計算出氣體漏風速度為0.025～0.059m/s，表明氣體在裂隙通道內的運移速度較慢。再通過現場測試數據得出30100工作面漏風量為0.67m3/s，漏風率為5.2%；因而當工作面平均埋深為70m，且緩慢推進時，在導水漏風裂縫將更加發育，工作面漏風率將大于5.2%。

通過掌握南梁煤礦30100工作面的漏風量大小，根據數據分析得出地表采動裂縫發育特征及其對生產的影響，表明隨著采動影響，裂隙已發育至地表，貫通采空區且漏風至工作面，嚴重時導致煤層自燃、涌水潰沙和地表植被退化，不利于礦井安全生產及環境保護。

2 裂隙發育及漏風特征實驗研究

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

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，設置5.0m為一開挖步距，實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據，見表2。分析該類煤層開采工作面在深部溝谷下推進過程中：下坡—過溝底—上坡過程上覆巖層的破斷失穩特征、斷裂裂縫分布情況及漏風特性規律。

表1 實驗材料配比

表2 實驗特征參數

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

圖2 基本頂周期來壓現象

由實驗記錄數據可以看出，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到最大，為42.5m；溝谷上坡開采時，來壓步距又逐漸減?。辉谄降貐^域進行開采時，來壓步距基本保持不變。說明受地表形態差異的影響，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，產生豎向裂隙，隨著工作面推進至溝谷上坡處時，由于溝谷上坡荷載的回轉應力，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，裂隙漏風能力降低。說明由于溝谷的影響，導水漏風裂縫張開量隨著工作面的推進存在著動態變化。

2.2 裂隙漏風模擬分析

SF6示蹤氣體釋放地點分別選擇設在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地四個區域的導水漏風裂縫處，同時在采空區設置相應的取樣地點，當工作面推進至相應位置時，采用SF6檢測便攜儀對相應測點的SF6情況進行監測。在監測前，采用亞克力板分別對模型前后進行密封處理。相似模擬風速測定結果如圖3所示。

圖3 相似模擬風速測定結果

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

回采完畢后在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地四個區域對地表采動裂縫進行針對性的封堵，本次實驗采用跟實際開采環境相似的沙土材料對導水漏風裂縫進行了人工封堵。

封堵完畢后再次進行SF6示蹤氣體測試，通過測試結果發現對地表漏風裂縫進行封堵雖然不能完全阻止采空區漏風，但明顯減緩了導水漏風裂縫漏風速度，減少了采空區漏風。

3 數值模擬研究分析

3.1 數值模型的建立

運用ANSYS軟件中FLUENT進行數值模擬，以現生產工作面技術條件為背景，采用計算流體力學方法，建立工作面及采空區多孔介質三維模型，模擬研究在平地區域采動時，采空區、工作面以及進回風巷的漏風情況。通過相似模擬研究表明，開采平地區域時，每推進大約10m發生一次周期來壓，距工作面10m處發生一次回轉下沉，上部覆巖發生全厚切落，并新產生一條導氣裂隙。

故設置模型數據如下：進回風巷道斷面尺寸為5.0m×2.4m，工作面斷面尺寸為5.0m×2.4m，采空區空間尺寸為50m×40m×50m。根據相似模擬實驗結果，每隔10m設置一條裂隙帶，取覆巖漏風裂縫為50m×40m×0.8m，在采空區0m≤Z≤25m區域粘滯阻力取5×106(1/m2)，在采空區25m≤Z≤50m區域粘滯阻力取5×107(1/m2)。

確定邊界條件如下：根據現場數據設置工作面生產工作配風量Q0為900m3/min，因此，進風巷入口進風速度v=Q0/S=900/12/60=1.25m/s，S為進風巷斷面積。壓力差值為950Pa。分別模擬出兩種情況下采空區壓力、漏風流場、風速。模擬結果如圖4所示。

圖4 兩種情況的模擬結果

在厚土層薄基巖類淺埋煤層開采過程中，覆巖發生全厚切落，形成貫通地表的導氣裂隙，通過數值模擬分析可以看出，產生自地表向采空區及采空區向工作面的漏風跡線，地表壓力大于采空區內部壓力。滲流速度自采空區上部至工作面逐漸增大，由于工作面為抽出式通風，其流場流速較工作面中部和進風巷側大。工作面兩巷附近地表漏風速度大于工作面中部位置。

3.2 漏風防治數值模擬

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

圖5 不同粘滯阻力下模擬結果

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

工作面漏風防治不僅與封堵材料的密實程度有關，也與距離工作面的遠近有關，確定合理的裂隙封堵周期既可以保障工作面生產的安全性，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。

當封堵后裂隙的粘滯阻力在5×105(1/m2)時，工作面風速為0.25m/s，滿足煤礦安全規范要求。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情況，模擬結果如圖6所示。

圖6 不同封堵距離下模擬結果

由數值模擬結果可以看出，在封堵粘滯阻力在1×106(1/m2)時，封堵30～50m處的裂隙，采空區漏風防治效果并不明顯，仍然對工作面生產安全造成威脅；當漏風裂縫封堵距離在20～50m時，采空區漏風風量發生顯著變化，防治效果明顯；當漏風裂縫封堵距離在10～50m時，采空區漏風量更少，但從施工角度來說，加大了勞動頻率。因此確定采空區裂隙封堵最經濟有效的施工周期為工作面推進時每發生三次周期來壓。

4 結 論

1)厚土層薄基巖淺埋煤層開采時，覆巖發生全厚切落，裂縫形態發展變化快，裂縫發育貫通地表，形成良好的漏風通道。且裂隙產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，并隨著基巖層運動的穩定而趨于減小。

2)通過模擬分析，工作面過溝谷時漏風量大于平地區域，上坡推進漏風量大于下坡推進漏風量。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，在溝底及以工作面推進方向下坡時應加快推進速度。

3)通過模擬分析，提出了30100煤層開采地表漏風裂縫填平封堵技術，確定了工作面采空區地表漏風裂縫填平封堵最經濟有效的封堵施工周期為工作面推進每發生三次周期來壓。