雙系煤層開采覆巖運(yùn)移及采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域研究

黃 帆，崔傳波，鄧存寶

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

煤炭是支撐我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，煤自燃導(dǎo)致的礦井火災(zāi)隱患影響煤炭的安全高效開采，據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤自燃火災(zāi)60%發(fā)生在采空區(qū)[1-2]。大同煤田為侏羅系和石炭系雙系賦存，其上部侏羅系煤炭資源已開采完畢，現(xiàn)主采下部石炭系煤層。侏羅系煤層賦存特點(diǎn)是煤層數(shù)多，層厚薄，層間距小，石炭系3-5#煤層平均厚度超10 余m，與侏羅系煤層間距100～300 m[3]。受石炭系3-5#煤層開采擾動(dòng)影響，雙系煤層采空區(qū)易相互連通，造成大量漏風(fēng)，對(duì)石炭系煤層的安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)多煤層開采過程中的巖層破壞規(guī)律以及復(fù)合煤層采空區(qū)漏風(fēng)問題做了大量研究。劉雷政[4]針對(duì)淺埋藏近距離煤層群下煤層二次采動(dòng)，模擬分析了上覆采空區(qū)應(yīng)力特征以及煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域；余明高等[5]利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)淺埋近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)不同階段覆巖孔隙率的發(fā)育規(guī)律、塑性區(qū)分布及覆巖垮落高度進(jìn)行模擬，得出覆巖裂隙及漏風(fēng)通道演化規(guī)律；Du Feng 等[6]基于關(guān)鍵層理論，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和相似模擬試驗(yàn)分析了大同礦區(qū)雙系煤層重疊開采條件下，關(guān)鍵層周期性移動(dòng)對(duì)有害氣體下泄漏規(guī)律的影響；黃震[7]通過理論分析，實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐揭示了多層復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律以及氣體流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)；劉文永等[8]基于近距離煤層群開采，使用示蹤氣體法對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)通道進(jìn)行分析研究，確定自燃“三帶”變化原因并提出漏風(fēng)控制技術(shù)；Zhuo Hui 等[9]建立淺埋煤層復(fù)合采空區(qū)煤自燃三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同漏風(fēng)量下復(fù)合采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)特點(diǎn)。以上研究多基于單系復(fù)合煤層開采中的覆巖運(yùn)移或漏風(fēng)問題，對(duì)于雙系煤層群石炭系特厚煤層綜放開采時(shí)采空區(qū)的漏風(fēng)問題鮮有研究。為此，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法確定大同礦區(qū)永定莊礦石炭系3-5#煤層開采過程中采空區(qū)覆巖運(yùn)移、裂隙發(fā)育以及煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律，對(duì)采空區(qū)防滅火具有理論指導(dǎo)意義。

1 工程背景

永定莊礦位于大同礦區(qū)東北方，目前開采3-5#煤層，煤層傾角為6°，賦存穩(wěn)定。8106 綜采工作面位于3-5#煤層北盤區(qū)，其平均埋深為475 m，煤層平均厚度13 m，上覆為侏羅系8#、9#、11#、14#煤層采空區(qū)。工作面采用抽出式通風(fēng)方法，當(dāng)回采至上覆侏羅系采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置時(shí)漏風(fēng)嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得進(jìn)風(fēng)量1 500 m3/min，回風(fēng)量2 000 m3/min。

2 雙系煤層群開采覆巖運(yùn)移及漏風(fēng)機(jī)理研究

2.1 建立模型

根據(jù)8106 綜采工作面地質(zhì)條件和實(shí)際開采情況確定模擬參數(shù)，依次模擬8#、9#、11#、14#、3-5#煤層回采過程。計(jì)算模型尺寸為500 m×370 m，模型下部和左右兩側(cè)固定位移，按地質(zhì)資料對(duì)各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)和節(jié)理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行的賦值分別見表1 和表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 巖體節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock joints

由于模型上部距地面平均埋深為148 m，取覆巖平均密度為2 500 kg/m3，因此模型上部施加荷載3.7 MPa。塊體和接觸面采用摩爾庫倫模型，開采高度為各煤層厚度，模型兩側(cè)各留設(shè)煤柱以減少邊界效應(yīng)，石炭系煤層回采距離300 m，開采前在關(guān)鍵層內(nèi)布置監(jiān)測(cè)線，具體模型及開采范圍如圖1。

圖1 數(shù)值模型及開采范圍Fig.1 Numerical model and mining area

2.2 模擬開采結(jié)果分析

侏羅系8#、9#、11#、14#煤層開采完畢后覆巖垮落位移及裂隙分布圖如圖2。由圖2 可以看到，侏羅系煤層群的開采導(dǎo)致覆巖形態(tài)變化較大，如采空區(qū)頂板垮落和底板底鼓，由于煤柱的應(yīng)力集中作用，上部支承煤柱與下部煤柱疊加區(qū)域底板發(fā)生嚴(yán)重的剪斷性破壞，裂隙直接連通上下2 個(gè)區(qū)域，加之進(jìn)出煤柱附近區(qū)域垮落不充分，空間較為寬闊，易成為風(fēng)流的主要運(yùn)動(dòng)區(qū)域，侏羅系近距離煤層群開采后，覆巖最大下沉量大于7 m，裂隙充分發(fā)育，相鄰采空區(qū)連通。

圖2 侏羅系煤層開采覆巖位移及裂隙分布圖Fig.2 Distribution of overlying rock displacement and fissures in Jurassic coal seam mining

石炭系煤層開采覆巖位移及裂隙分布圖如圖3。由圖3 可以看出，石炭系3-5#煤層采用綜采放頂煤方式開采，在工作面推至60 m 時(shí)，直接頂?shù)脑粻顟B(tài)被打破，形成分層斷裂后失穩(wěn)，并發(fā)生崩塌垮落，層間裂隙貫穿下關(guān)鍵層，發(fā)育至110 m 高度；當(dāng)工作面推至140 m，下部關(guān)鍵層初次破斷，造成彎曲下沉，切眼和工作面受采動(dòng)拉應(yīng)力的影響，形成了與巖層近似垂直的豎向破斷裂隙，采動(dòng)裂隙高度發(fā)育至上部關(guān)鍵層下方，為170 m；當(dāng)工作面推進(jìn)200 m 時(shí)，下部關(guān)鍵層初次垮落，頂板垮落范圍至上部關(guān)鍵層，該關(guān)鍵層發(fā)生破斷，同時(shí)豎向破斷裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，此時(shí)雙系采空區(qū)連通，侏羅系煤巖層亦隨之下沉，最大下沉量達(dá)9～12 m，其原有的裂隙平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生“活化”現(xiàn)象，表現(xiàn)為裂隙動(dòng)態(tài)性張開與閉合，同時(shí)裂隙場(chǎng)范圍進(jìn)一步增大[10-11]，從各采空區(qū)附近延展至模型左右邊界；工作面繼續(xù)推進(jìn)至260 m 時(shí)，上部關(guān)鍵層發(fā)生垮落，進(jìn)而引發(fā)上覆巖層更大范圍下沉，豎向破斷裂隙貫穿覆巖，再次造成侏羅系煤巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)變化，此時(shí)雙系采空區(qū)已充分連通。

圖3 石炭系煤層開采覆巖位移及裂隙分布圖Fig.3 Displacement and fissure distribution of overlying strata in Carboniferous coal seam mining

石炭系煤層開采過程中上、下關(guān)鍵層位移的監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。對(duì)于下部關(guān)鍵層而言，當(dāng)8106綜采工作面推至140 m 時(shí)，其發(fā)生初次破斷，下沉值最大為5.3 m，之后下沉值逐步增大至7.7 m，在推至200 m 時(shí)完全垮落，最大下沉值達(dá)到13.1 m 并且保持穩(wěn)定，并在推至260 m 處再一次發(fā)生破斷。在模型推至100 m 時(shí)，上部關(guān)鍵層開始緩慢下沉，推至180 m 時(shí)下沉值最大為3.1 m，推進(jìn)200 m 后下沉曲線突變，下沉值最大達(dá)11.7 m，而后下沉值穩(wěn)步增大至13.1 m。根據(jù)模型開挖過程中關(guān)鍵層的破斷和裂隙發(fā)育的主要特征，得出8106 綜采工作面開采過程中下部關(guān)鍵層呈周期性斷裂垮落且周期步距約為60 m。

圖4 監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Displacement monitoring results

2.3 雙系煤層采空區(qū)漏風(fēng)機(jī)理及通道分析

煤炭開采引起的巖層運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致覆巖在失去支承的情況下發(fā)生失穩(wěn)并產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)形變，采動(dòng)區(qū)覆巖垮落的范圍和形態(tài)會(huì)對(duì)巖層內(nèi)部流體滲流以及地面沉降造成影響[12]。對(duì)于雙系煤層重疊開采，在上部侏羅系煤層群采空區(qū)相互連通的情況下，隨著下部石炭系煤層回采至一定程度后造成雙系采空區(qū)連通，上部巖層再次被破壞并下沉，此時(shí)易產(chǎn)生地表裂隙[13]。由于8106 工作面采用負(fù)壓通風(fēng)，新鮮風(fēng)流相鄰采空區(qū)間通過壓力、重力等外部因素作用下由地表途徑上部關(guān)聯(lián)礦井，在雙系采空區(qū)互相連通的采動(dòng)裂隙進(jìn)入下部采空區(qū)，最后從工作面回風(fēng)巷流出，造成采空區(qū)外部漏風(fēng)。

地表漏風(fēng)機(jī)理及漏風(fēng)通道分析如圖5。分析UDEC 數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著石炭系煤層回采，下部關(guān)鍵層具有周期性的斷裂和回轉(zhuǎn)下沉，當(dāng)上部關(guān)鍵層發(fā)生破裂時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致上下采空區(qū)連通，上下關(guān)鍵層之間的裂隙區(qū)是風(fēng)流的必經(jīng)區(qū)域，裂隙區(qū)內(nèi)主要的漏風(fēng)通道則按下部關(guān)鍵層斷裂周期排列。在回采過程中，工作面后方的裂隙通道會(huì)隨著垮落巖體壓實(shí)而漸漸閉合，導(dǎo)氣能力下降，工作面前方的巖體繼續(xù)破斷又形成新的導(dǎo)氣裂隙。

圖5 地表漏風(fēng)機(jī)理及漏風(fēng)通道分析Fig.5 Air leakage channel analysis

依據(jù)“O”型圈理論[14-15]可知，在裂隙帶橫截面上的漏風(fēng)裂隙可分為2 種：一種是動(dòng)態(tài)裂隙，出現(xiàn)在工作面正上方的動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)，間隙和落差較小，裂縫垂直于工作面前進(jìn)方向，裂縫的橫向長(zhǎng)度短于工作面的開采面寬度，其張開與閉合隨著工作面回采動(dòng)態(tài)發(fā)展；沿著長(zhǎng)壁采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)兩巷以及切眼上方會(huì)形成另1 種邊緣裂隙，垂直于工作面傾向方向，裂隙張開度和落差較大，不隨工作面掘進(jìn)發(fā)生變化，長(zhǎng)時(shí)間保持開放。

3 雙系煤層采空區(qū)自燃“三帶”分析

3.1 建立數(shù)值模型

基于工作面和采空區(qū)參數(shù)建立的幾何數(shù)值模型如圖6。模型高度取下部關(guān)鍵層跨落后的高度，沿工作面走向在采空區(qū)上方每隔60 m 設(shè)置1 條動(dòng)態(tài)裂隙，第1 條設(shè)置在距工作面50 m 處，共5 條，沿工作面走向距壁面上方50 m 處設(shè)置邊緣裂隙。進(jìn)風(fēng)量為1 500 m3/min，漏風(fēng)量為500 m3/min，進(jìn)風(fēng)巷設(shè)為速度入口，回風(fēng)巷設(shè)為自由流出，初始溫度293 K。不同位置的裂縫寬度、形成過程和漏風(fēng)規(guī)律不同，一般位于2 條巷道上方的裂隙寬度較大，漏風(fēng)速度較大，是漏風(fēng)的關(guān)鍵區(qū)域[9,15]，模擬中設(shè)置裂隙入口速度隨采空區(qū)深度增加而遞減，邊緣裂隙漏風(fēng)速度為中后部動(dòng)態(tài)裂隙漏風(fēng)速度的2 倍。采空區(qū)的耗氧率、黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)和孔隙率分布模型使用UDF 導(dǎo)入軟件，分別模擬有無外部漏風(fēng)2種條件下的煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布情況。模型尺寸參數(shù)見表3。

圖6 數(shù)值模型Fig.6 Numerical model

表3 模型尺寸參數(shù)Table 3 Partial parameters of numerical model m

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行模型驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)監(jiān)控采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖7，測(cè)點(diǎn)處鋪設(shè)抽吸泵和束管以采集氣體進(jìn)行成分及體積分?jǐn)?shù)分析?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出的采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)曲線與模擬的氧氣體積分?jǐn)?shù)曲線對(duì)比如圖8。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)和數(shù)據(jù)吻合度較好：距工作面100 m 以內(nèi)，模擬和實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化較小，隨著距離進(jìn)一步深入，氧氣體積分?jǐn)?shù)開始大幅下降，在距離工作面250 m 以后氧氣體積分?jǐn)?shù)降到1.5%左右。表明該模型的數(shù)值模擬結(jié)果可用于分析漏風(fēng)對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)的影響。

圖7 束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Bundle tube monitoring point layout

圖8 采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布曲線Fig.8 Curves of oxygen concentration in goaf

3.3 模擬結(jié)果分析

采空區(qū)氧化帶分布圖如圖9。

圖9 采空區(qū)氧化帶分布圖Fig.9 Distribution of coal spontaneous combustion hazardous area

根據(jù)氧氣體積分?jǐn)?shù)劃分采空區(qū)自燃“三帶”，將氧氣體積分?jǐn)?shù)8%～18%的氧化帶視為煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域。從圖9（a）可知，有外部漏風(fēng)時(shí)采空區(qū)氧化帶呈不規(guī)則形狀，主要分布在距工作面60～175 m 之間，在靠近兩巷側(cè)分布范圍較采空區(qū)中心區(qū)域廣，其中回風(fēng)側(cè)距工作面80～170 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面100～175 m，在工作面中部氧化帶區(qū)域最窄，寬度在20～50 m之間，距回風(fēng)側(cè)壁面20 m 處氧化帶區(qū)域?qū)挾茸畲螅浞秶鸀榫喙ぷ髅?0～175 m，這是由于風(fēng)流從采空區(qū)頂部通過采動(dòng)裂隙下泄，以及采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角的漏風(fēng)滲入采空區(qū)內(nèi)部共同作用的結(jié)果。圖9（b）為無外部漏風(fēng)時(shí)采空區(qū)氧化帶分布云圖，此時(shí)采空區(qū)氧化帶分布與普通工作面相似，呈規(guī)則帶狀，寬度約為30 m，通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其煤氧化帶比有外部漏風(fēng)時(shí)小且總體位置朝工作面方向前移約30 m。

4 結(jié) 論

1）開采侏羅系煤層群覆巖形態(tài)變化大，采動(dòng)裂隙充分發(fā)育，鄰近采空區(qū)連通，石炭系3-5#煤層8106 綜采工作面推進(jìn)60 m 時(shí)基本頂初次垮落，裂隙發(fā)育高度110 m，推進(jìn)140 m 時(shí)下部關(guān)鍵層初次破斷，裂隙發(fā)育至上部關(guān)鍵層下方，工作面推進(jìn)200 m 時(shí)下部關(guān)鍵層垮落，上部關(guān)鍵層破斷，雙系采空區(qū)發(fā)生連通，下部關(guān)鍵層破斷周期為60 m。

2）雙系采空區(qū)連通后，相鄰采空區(qū)間在重力、壓力等因素作用下通過連通的采動(dòng)裂隙進(jìn)行氣體交換，新鮮風(fēng)流由地表途徑上部關(guān)聯(lián)礦井以及雙系煤層間的連通裂隙進(jìn)入下部采空區(qū)，造成采空區(qū)外部漏風(fēng)，在裂隙帶橫截面上，主要漏風(fēng)通道分動(dòng)態(tài)裂隙和邊緣裂隙。

3）將氧化帶視為煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，采空區(qū)有外部漏風(fēng)時(shí)氧化帶主要分布在距工作面60～175 m 之間，在靠近兩巷側(cè)分布范圍較采空區(qū)中心區(qū)域廣，其中回風(fēng)側(cè)為距工作面80～170 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)為距工作面100～175 m，工作面中部氧化帶寬度為20～50 m，無外部漏風(fēng)時(shí)氧化帶區(qū)域減少且總體位置朝工作面方向前移約30 m，采空區(qū)外部漏風(fēng)顯著影響其內(nèi)部煤氧化帶的分布，進(jìn)回風(fēng)巷兩側(cè)安全隱患大幅增加，是需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防治的區(qū)域。