淺埋深近距離煤層群采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)工作面低氧影響研究

張岱岳，張 翔，李 鵬

(1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

神東礦區(qū)多數(shù)煤層為典型的淺埋深、近距離賦存條件，開采后的覆巖破斷與運(yùn)移特征與常規(guī)深度煤層開采具有較大差異[1，2]。同時(shí)，由于埋深淺，處于CO2-N2帶[3，4]，煤質(zhì)自燃傾向大[5-7]，因此在破碎煤體解析與遺煤氧化作用下，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度較低。采空區(qū)內(nèi)低氧氣體在外在作用下易從回風(fēng)隅角涌出，并向工作面擴(kuò)散，造成不同程度的低氧現(xiàn)象發(fā)生，威脅礦井安全生產(chǎn)[8，9]。揭示造成工作面回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)因素，才能采取針對(duì)性的低氧防止措施，有效防治工作面回風(fēng)隅角低氧。目前，學(xué)者們采用不同手段從多個(gè)角度對(duì)低氧現(xiàn)象的發(fā)生與防治展開了研究，多數(shù)學(xué)者采用理論分析對(duì)采空區(qū)內(nèi)低氧氣體的來源、采空區(qū)內(nèi)低氧氣體的涌出原因與低氧防治技術(shù)進(jìn)行了探究[10-13]，如潘榮錕采用理論分析、CDEM數(shù)值模擬與SF6示蹤氣體技術(shù)的綜合手段分析認(rèn)為地表與工作面間嚴(yán)重的漏風(fēng)是上隅角貧氧的主要原因[14]。菅躍榮提出了增大隅角風(fēng)量、壓風(fēng)稀釋積聚氣體和封堵地表裂隙的治理手段，有效升高了隅角的氧氣濃度[15]。部分學(xué)者采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)采空區(qū)內(nèi)低氧氣體成分、采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了分析[16，17]，如程望收利用fluent模擬了不通影響因素下對(duì)回風(fēng)隅角低氧氣體分布的影響[18]。汪騰蛟[19]、楊小彬[20]還分別采用層次分析法與回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)低氧現(xiàn)象主控因素進(jìn)行了確定。但目前關(guān)于低氧現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性研究較少，對(duì)于淺埋深近距離煤層群開采下的采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)工作面低氧環(huán)境影響了解尚且不足，礦井實(shí)施措施缺乏針對(duì)性，防治效果有限。本文采用離散元數(shù)值模擬分析了淺埋藏近距離煤層群煤層開采中的覆巖垮落、裂隙發(fā)育與采場應(yīng)力變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測分析覆巖變形特征對(duì)回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象頻發(fā)的影響，探究工作面回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)因素，提出并建立針對(duì)性的低氧防治措施體系，并對(duì)其防治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。旨在為淺埋深近距離煤層群賦存條件開采下的低氧現(xiàn)象頻發(fā)問題的解決提供指導(dǎo)與借鑒。

1 工作面概況

上灣煤礦22104綜采工作面是22#煤一盤區(qū)第4個(gè)工作面，東側(cè)為22煤大巷，南側(cè)、北側(cè)為未開采區(qū)域，西側(cè)是原上灣井田邊界。綜采面沿傾向布置，走向長度330.9m，推進(jìn)長度4132.6m，設(shè)計(jì)采高6.5m。綜采面上覆有12104、12105綜采面采空區(qū)、12105L-12107L、12111L綜采面采空區(qū)、12104-12105排矸巷及12煤大巷，12#煤與22#煤層間距為33～42m，平均約38m。

長期以來，煤、巖層內(nèi)的原始?xì)怏wCH4、CO2、N2等低氧氣體從破碎煤、巖體內(nèi)解吸；遺煤低溫氧化、自燃，消耗O2，產(chǎn)生CO、C2H4、C2H6等低氧氣體，使得采空區(qū)成為強(qiáng)低氧環(huán)境，常造成工作面低氧，威脅安全生產(chǎn)，經(jīng)現(xiàn)場測定可知，22104工作面上隅角的氧氣濃度常保持在17%～18%左右，常引起氧氣監(jiān)測儀報(bào)警，采空區(qū)內(nèi)氣體成分分析數(shù)值見表1。

表1 回風(fēng)隅角氣體分析

2 采動(dòng)覆巖變形特征模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立與參數(shù)選擇

近年來，離散元法(DEM)數(shù)值模擬軟件PFC由于在描述巖石不連續(xù)破壞特性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，逐漸被應(yīng)用于覆巖運(yùn)移、構(gòu)造方面的應(yīng)用，其不僅可以直觀展示煤層采動(dòng)下的覆巖擾動(dòng)、破斷、垮落與壓實(shí)的完整過程，還可對(duì)裂紋生成、裂隙演化與應(yīng)力分布等覆巖特征進(jìn)行監(jiān)測分析。因此，本文根據(jù)上灣煤礦22104工作面煤巖層分布，建立了淺埋深近距離煤層群二維DEM數(shù)值模型，如圖1所示。該DEM模型長180m，高107m，共計(jì)21層。顆粒最小粒徑為0.3m，顆粒最大最小粒徑比為1.66，模型共計(jì)30762個(gè)顆粒。

圖1 22014工作面煤層地系DEM數(shù)值模型(m)

模型采用一次采全高采煤法由左向右開采依次開采上、下煤層，開采區(qū)域均為140m，左側(cè)均留有20m的煤柱，煤層開采每開挖1m，模型求解1次，判斷模型每次求解后達(dá)到平衡需同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：①10000個(gè)計(jì)算步內(nèi)微觀裂隙生成數(shù)小于3；②10000個(gè)計(jì)算步內(nèi)所有顆粒最大速度均小于10-3。

本研究采用平行粘結(jié)模型，其不僅能抵抗接觸力，而且還能抵抗膠結(jié)接觸時(shí)粒子之間的力矩，可以真實(shí)地模擬煤巖材料的剪切斷裂或拉伸斷裂情況。為了反映不同類型巖石力學(xué)行為，顆粒流模型需要選擇合適的細(xì)觀參數(shù)來描述材料的實(shí)驗(yàn)宏觀特性，如粘結(jié)剛度、強(qiáng)度。在顆粒流細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定的研究中許多學(xué)者們已做出大量工作[21，22]。本文主要通過單軸壓縮試驗(yàn)(UCT)與直拉伸實(shí)驗(yàn)(DTT)的手段對(duì)不同巖層的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，具體結(jié)果見表2。

表2 地層的宏觀、微觀物理力學(xué)參數(shù)

2.2 覆巖垮落與裂隙發(fā)育過程

在DEM模擬過程中，多個(gè)平行粘結(jié)破壞產(chǎn)生的微裂紋組合可表征一個(gè)宏觀裂隙；孔隙率是研究整個(gè)采空區(qū)漏風(fēng)流場的重要參數(shù)，可以直觀體現(xiàn)采動(dòng)裂隙的發(fā)育程度。模擬得到的12#煤層開采過程中覆巖垮落、裂隙發(fā)育與孔隙率分布情況如圖2所示。煤層開挖18m時(shí)，直接頂初次斷裂垮落，基本頂處于懸空狀態(tài)，采動(dòng)部位與直接頂垮落部位孔隙率偏大，但覆巖層并未受影響，沒有裂隙的產(chǎn)生。圖2(b)為12#煤層開挖過程中基本頂?shù)目迓淝闆r，可以看出工作面推進(jìn)至45m時(shí)，基本頂發(fā)生初次垮落，兩側(cè)微觀裂紋連接形成豎向宏觀裂隙，層09與10間的孔隙率較大，離層明顯，垮落區(qū)域與孔隙率分布呈“梯形”狀，采動(dòng)裂隙并未向上發(fā)育。此后隨著煤層的推進(jìn)，垮落區(qū)域在橫向與縱向上不斷增長，采動(dòng)裂隙發(fā)育高度持續(xù)向上部巖層蔓延，采空區(qū)兩側(cè)豎向裂隙愈發(fā)明顯，如圖2(c)所示，工作面推進(jìn)至97m時(shí)，基本頂?shù)谌沃芷趤韷?，?8、07與06層覆巖發(fā)生破斷垮落，采空區(qū)兩側(cè)豎向裂隙發(fā)育明顯，離層高度到達(dá)第06層覆巖，孔隙率云圖顯示采空區(qū)兩側(cè)豎向裂隙通過第06層與05層間離層裂隙相互連通。

如圖2(d)所示，12#煤層推進(jìn)至140m時(shí)，第02層與地表松散層01層間出現(xiàn)較小離層，松散層01出現(xiàn)采動(dòng)裂隙，表明淺埋深煤層開采裂隙帶高度可至地表。孔隙率云圖顯示，采空區(qū)兩側(cè)裂隙貫穿了煤層基巖，開切眼側(cè)裂隙發(fā)育較為良好，垮落區(qū)域中部多條豎向裂隙聯(lián)通了橫向離層裂隙。此時(shí)，12#煤層采空區(qū)至地表出現(xiàn)多條貫通漏風(fēng)通道，地表空氣在地表與井下壓差作用下可通過貫通漏風(fēng)通道進(jìn)入12#煤層采空區(qū)。

22#煤層22104工作面的開采是在上覆12#煤層開挖完畢的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模擬得到的22104工作面開采過程中的覆巖垮落、裂隙發(fā)育與孔隙分布情況如圖3所示。由圖3(a)可知，工作面推進(jìn)至96m時(shí)基本頂完全破斷、垮落，采空區(qū)中央和兩端基本頂多條豎向裂隙發(fā)育至上采空區(qū)底板，且貫穿了層間覆巖，由孔隙率云圖可以看出下煤層采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)兩條高孔隙率通道，上、下煤層采空區(qū)層間貫通漏風(fēng)通道形成，從該推進(jìn)距離開始，上部12#煤層采空區(qū)內(nèi)低氧氣體可以侵入22104工作面采空區(qū)。同時(shí)，12#煤層開采完畢后本已穩(wěn)定的采空區(qū)覆巖受下部巖層垮落影響再次整體破斷、下沉，上采動(dòng)裂隙與裂隙通道進(jìn)一步發(fā)育，地表漏風(fēng)加劇。

圖3(b)表明，22#煤層推進(jìn)至140m時(shí)，上、下煤層間夾層整體破斷、垮落，上、下煤層采空區(qū)通過貫通漏風(fēng)通道聯(lián)通，形成復(fù)合超大采空區(qū)。同時(shí)，下煤層開采前后的上采空區(qū)垮落覆巖微觀裂紋數(shù)目分別為7881、11741，通過對(duì)比下煤層開采前后上采空區(qū)孔隙率云圖發(fā)現(xiàn)工作面?zhèn)瓤迓涓矌r孔隙率大幅增加，以上對(duì)比表明下煤層的開采對(duì)上采空區(qū)具有極大的活化作用，由于煤層采高的累加，垮落覆巖層沉降量增大，地表至復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)通道進(jìn)一步貫通，特別是復(fù)合采空區(qū)兩側(cè)斜向漏風(fēng)通道，加劇了復(fù)合采空區(qū)地表漏風(fēng)量，可持續(xù)維持或升高采空區(qū)內(nèi)氣壓，不僅為低氧現(xiàn)象發(fā)生保證了采空區(qū)一側(cè)高壓力條件，還有助于低氧現(xiàn)象過后采空區(qū)壓力的恢復(fù)。

圖3 22#煤層開采過程中的覆巖運(yùn)移、裂隙通道發(fā)育及孔隙率分布動(dòng)態(tài)演化

2.3 采場應(yīng)力演化特征

12#煤層開采過程中的底板垂直應(yīng)力分布演化如圖4所示。煤層的開采會(huì)導(dǎo)致頂板垮落，造成采空區(qū)上覆巖層受力結(jié)構(gòu)破壞，采空區(qū)頂、底板形成卸壓區(qū)域，采空區(qū)兩側(cè)煤壁為覆巖層主要支撐區(qū)域，出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著煤層推進(jìn)距離的增加，采空區(qū)底板卸壓范圍逐漸增大，兩側(cè)煤壁應(yīng)力集中極值逐漸增大。初次來壓后，采空區(qū)中部垮落巖體逐漸壓實(shí)，底板重新受力，出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。

圖4 12#煤層不同開采距離底板垂直應(yīng)力分布圖

12#煤層開采過后的上、下煤層間不同層位夾層垂直應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知，各夾層應(yīng)力分布呈“凹槽”狀，凹槽兩側(cè)較為陡峭，垂直應(yīng)力下降幅度較大。不同層位夾層垂直應(yīng)力對(duì)著層位深度的增加整體逐漸增大；各層位夾層垂直應(yīng)力在采空區(qū)兩側(cè)變化幅度較大，在采空區(qū)中部較為相近。

圖5 12#煤層開采后的夾層垂直應(yīng)力分布圖

整體來看上煤層的開采會(huì)導(dǎo)致上、下煤層間夾層垂直應(yīng)力大幅下降，會(huì)導(dǎo)致22#煤層在開采過程中頂板不易垮落，同時(shí)由于22104工作面推進(jìn)速度較快，約16m/d。因此，22104工作面回采過程中周期來壓步距較大，來壓強(qiáng)度高，大面積懸頂頻繁出現(xiàn)，特別是上、下隅角三角區(qū)處。當(dāng)開采過程過程中采空區(qū)內(nèi)頂板大面積垮落，淺部采空區(qū)氣體受到擠壓，氣壓急劇升高，大量低氧氣體涌出工作面，造成工作面低氧。

3 上灣煤礦低氧防治體系

為了解決工作面回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象頻發(fā)問題，針對(duì)淺埋藏近距離煤層群開采過程中的覆巖變形特征，制定了采用采空區(qū)漏風(fēng)控制、工作面調(diào)壓與強(qiáng)制放頂?shù)牡脱醴乐未胧?/p>

3.1 采空區(qū)漏風(fēng)控制措施

主要在于地表裂隙的及時(shí)回填，可有效減少地表至復(fù)合采空區(qū)的漏風(fēng)量，降低復(fù)合采空區(qū)內(nèi)壓力，弱化漏風(fēng)通道在低氧現(xiàn)象發(fā)生中的作用。其次在上、下隅角處掛置擋風(fēng)簾，阻止采空區(qū)內(nèi)氣體向外涌出，有效降低低氧氣體涌出量。

3.2 工作面調(diào)壓措施

3.2.1 均壓通風(fēng)系統(tǒng)的建立

采用工作面均壓通風(fēng)技術(shù)是通過改變通風(fēng)區(qū)域壓力分布，使工作面由負(fù)壓轉(zhuǎn)為正壓通風(fēng)的一種技術(shù)。應(yīng)用均壓通風(fēng)技術(shù)，可及時(shí)調(diào)控工作面的氣壓，通常用于提高工作面壓力，平衡工作面與復(fù)合采空區(qū)之間的壓差，以減少復(fù)合采空區(qū)向工作面的漏風(fēng)量。結(jié)合上灣礦22104工作面的生產(chǎn)布局與通風(fēng)要求，構(gòu)建了由局部通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門與調(diào)節(jié)風(fēng)窗組成的均壓通風(fēng)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 22104工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)

3.2.2 應(yīng)用效果分析

均壓通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)用可適當(dāng)提高并維持工作面氣壓，減小采空區(qū)與工作面壓差，減少采空區(qū)向工作面漏風(fēng)量，使工作面氧氣濃度維持在較高水平。在5月13日、5月26日、6月9日早班關(guān)閉局部風(fēng)機(jī)，打開均壓風(fēng)門進(jìn)行負(fù)壓通風(fēng)，中班期間恢復(fù)均壓通風(fēng)。在此期間分別對(duì)工作面和采空區(qū)的風(fēng)量、壓差及氣體濃度進(jìn)行測定，采空區(qū)壓差由輔運(yùn)巷尾巷與工作面最近的聯(lián)巷通過U型壓差計(jì)測量得到，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明工作面調(diào)壓措施對(duì)工作面回風(fēng)隅角低氧的治理具有較好效果。

3.3 強(qiáng)制放頂措施

3.3.1 頂板水力壓裂方案

在回采前采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行破裂，使頂板隨著回采及時(shí)垮落，可減少因頂板垮落造成的采空區(qū)氣體而涌出引起的回風(fēng)隅角低氧事故。上灣煤礦22104工作面共布置6個(gè)壓裂鉆場，共6個(gè)鉆孔，鉆孔壓裂目標(biāo)層位為煤層頂板20m粉砂巖和24m砂質(zhì)泥巖處，且后期補(bǔ)充兩個(gè)鉆孔。

3.3.2 應(yīng)用效果分析

如圖8所示，水力壓裂段的周期來壓步距相較于未水力壓裂段整體降低，且較為穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在16m以下，無過大來壓步距出現(xiàn)。這意味著22104工作面推進(jìn)至水力壓裂段，采空區(qū)頂板大面積懸頂存在可能性較低，因采空區(qū)大面積懸頂垮落而產(chǎn)生的工作面低氧事故概率也大為降低。

圖8 有無水力壓裂周期來壓步距對(duì)比

圖9 有無水力壓裂回風(fēng)隅角氧氣濃度對(duì)比

如圖9所示，未水力壓裂段氧氣濃度低于16%時(shí)長為5h，最低值為13.6%，水力壓裂段氧氣濃度均高于16%，最低值為16.2%，整體明顯高于未水力壓裂段。計(jì)算水力壓裂前氧氣濃度方差為1.16，水力壓裂后氧氣濃度方差為0.76，表明水力壓裂回風(fēng)隅角氧氣濃度相對(duì)穩(wěn)定，頂板周期來壓對(duì)采空區(qū)氣體低氧氣體涌出影響程度較小。

4 結(jié) 論

1)淺埋深近距離煤層群開采時(shí)，裂隙帶高度可發(fā)育至地表，出現(xiàn)漏風(fēng)通道，地表空氣在地表與井下壓差作用下進(jìn)入采空區(qū)。下煤層重復(fù)采動(dòng)可使上、下采空區(qū)連為一體形成復(fù)合采空區(qū)，同時(shí)對(duì)上采空區(qū)具有明顯活化作用，裂隙發(fā)育程度增大，特別是采空區(qū)兩側(cè)斜向裂隙，裂隙寬度與裂隙孔隙率均明顯升高，加劇了地表漏風(fēng)，持續(xù)維持或升高了采空區(qū)內(nèi)氣壓，造成復(fù)合采空區(qū)與工作面壓差過大，低氧氣體大量涌出，發(fā)生低氧現(xiàn)象。

2)上煤層開采過后，上、下煤層間夾層垂直應(yīng)力大幅降低，使得下煤層開采時(shí)，采空區(qū)頂板不易垮落，周期來壓距大、來壓強(qiáng)度高，上、下隅角處易形成大面積懸頂。

3)采用采空區(qū)漏風(fēng)控制措施與工作面調(diào)壓措施治理結(jié)合治理地表漏風(fēng)與復(fù)合采空區(qū)低氧氣體涌出問題，采用強(qiáng)制放頂措施治理采空區(qū)頂板不易垮落、易形成大面積懸頂?shù)膯栴}，有效治理了上灣煤礦22104工作面回風(fēng)隅角低氧現(xiàn)象頻發(fā)問題。