近距離煤層采空區(qū)氣體分布特征及運(yùn)移規(guī)律研究

張鵬明，張玉龍，王大鵬，韓昌江，王俊峰，郝子靖，周春山

（1.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；2.山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

近距離煤層在開采過程中，受二次采動(dòng)的影響，產(chǎn)生大量層間裂隙進(jìn)而形成大量的漏風(fēng)通道[1-2]，從而引起上下采空區(qū)氣體相互運(yùn)移。同時(shí)上覆采空區(qū)遺煤受裂隙漏風(fēng)供氧發(fā)生二次氧化，從而使上覆煤層采空區(qū)更易自然發(fā)火[3-5]。上煤層采空區(qū)產(chǎn)生的有毒有害氣體也將進(jìn)入到下煤層，對(duì)下煤層工作面工作人員生命安全造成嚴(yán)重影響，制約著下煤層工作面安全生產(chǎn)[6-7]。

在關(guān)于采空區(qū)氣體分布特征及運(yùn)移規(guī)律研究方面，目前國內(nèi)外的專家學(xué)者主要利用采空區(qū)氣體滲流、擴(kuò)散、耦合等理論進(jìn)行數(shù)值模擬來研究回采過程中采空區(qū)中氣體的滲流和運(yùn)移規(guī)律。例如，王俊峰等[8]對(duì)神東礦區(qū)綜采面采空區(qū)中CO 和O2的運(yùn)移進(jìn)行了CFD 模擬，得出了采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律；褚廷湘等[9]采用工作面推進(jìn)對(duì)采空區(qū)遺煤所處滲流和氧化環(huán)境的動(dòng)態(tài)影響的非穩(wěn)態(tài)模擬方法，模擬了不同推進(jìn)距離下采空區(qū)滲流參數(shù)、氧氣體積分?jǐn)?shù)和溫度場的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律；ZHAI 等[10]研究了回采工作面采空區(qū)浮煤自燃機(jī)理，建立了物理模型，并且通過對(duì)采空區(qū)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布和空氣流速。同時(shí)，也有一些學(xué)者通過現(xiàn)場測定結(jié)合理論分析進(jìn)行煤層采空區(qū)氣體分布與運(yùn)移規(guī)律研究。例如：周成軍[11]利用采空區(qū)涌出氣體綜合分析法來測定采空區(qū)漏風(fēng)量；郭雅迪等[12]采用全面布點(diǎn)的方法測量工作面采空區(qū)氣體成分和體積分?jǐn)?shù)變化，研究不同供風(fēng)量下的采空區(qū)氣體涌出的變化規(guī)律。

在實(shí)際開采過程中，近距離煤層開采采空區(qū)氣體的分布以及運(yùn)移與上下煤層之間的狀態(tài)密切相關(guān)。依據(jù)上下煤層采空區(qū)與下部實(shí)體煤狀態(tài)的關(guān)系，可將采空區(qū)氣體分布形態(tài)分為2 種類型：靜態(tài)分布和動(dòng)態(tài)分布。在下層實(shí)體煤未采動(dòng)情況下，上覆煤層采空區(qū)的氣流時(shí)空分布特征可定義為其靜態(tài)時(shí)空分布特征；在下層煤體采動(dòng)情況下，上下煤層采空區(qū)的氣流時(shí)空分布特征可定義為上下煤層采空區(qū)氣體動(dòng)態(tài)時(shí)空分布特征?？v觀目前研究進(jìn)展可以看出，目前大部分的研究主要集中于單一開采煤層采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律的研究，而對(duì)近距離煤層開采過程中，上下采空區(qū)在采動(dòng)前后的氣體分布和運(yùn)移規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究，特別是近距離煤層開采過程中復(fù)合采空區(qū)氣體靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分布特征及運(yùn)移規(guī)律，目前尚不清楚；且采用的研究手段多為數(shù)值模擬。基于此，研究通過在上覆采空區(qū)施工鉆孔和布置束管，以及在本層工作面兩巷道布置束管的方法來監(jiān)測上下采空區(qū)的氣體體積分?jǐn)?shù)變化，同時(shí)利用人工采樣法監(jiān)測回風(fēng)隅角和工作面的氣體體積分?jǐn)?shù)。通過系統(tǒng)研究近距離煤層群開采條件下的漏風(fēng)規(guī)律以及上下采空區(qū)在采動(dòng)前后氣體分布變化規(guī)律，來揭示近距離煤層群開采采空區(qū)氣體靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分布特征及及其運(yùn)移機(jī)制，為近距離煤層安全開采通防決策提供理論支撐。

1 工作面概況

沙坪礦井田內(nèi)8 號(hào)煤層埋深147～257 m 左右。在井田西部、北部為合并區(qū)，井田中部-東部為分叉區(qū)，8 號(hào)煤層的分叉煤層，上部為8 上煤層，在分叉區(qū)內(nèi)下距8 號(hào)煤層0.81～10.86 m，平均4.22 m。1818綜采工作面沿煤層傾向布置，工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷沿煤層走向布置。工作面煤層平均厚度為4.5 m，煤層平均走向40°，傾向310°，傾角2°～4°，平均3°。1818 綜采工作面沿煤層走向布置，采用“一進(jìn)一回”布置方式。1818 工作面推采長度為947 m，工作面長度為216.5 m，1818 運(yùn)輸巷上覆無采空區(qū)。1818 工作面采煤方法采用一次采全高全部垮落綜合機(jī)械化采煤法。在開采8 號(hào)煤層過程中，受采動(dòng)影響后，地表二次塌陷，上層遺煤和煤柱進(jìn)一步破碎，上下2 層煤采空區(qū)溝通復(fù)合，上層遺煤二次氧化生成的有毒有害氣體可能會(huì)下泄至下部煤層工作面，給工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。

2 現(xiàn)場研究方法

在1818 回風(fēng)巷內(nèi)頂板處向8 上煤層采空區(qū)每25 m 布置8 個(gè)鉆孔，分別編號(hào)為①～⑧，用于8 上煤層采空區(qū)的氣體的采取，1818 工作面測點(diǎn)布置示意圖如圖1。

圖1 1818 工作面測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Layout of measuring points of 1818 working face

在這8 個(gè)鉆孔位置敷設(shè)8 路束管。同時(shí)在1818工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的巷道頂板與上煤層鉆孔位置相對(duì)處各布置8 路束管，用于測定1818 工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)后方采空區(qū)的氣體體積分?jǐn)?shù)，測點(diǎn)分別記為1～8 和I～VIII，每天檢測上下采空區(qū)氣體，直至上覆采空區(qū)監(jiān)測不到以及下煤層采空區(qū)進(jìn)入窒息帶為止。另外，在1818 工作面（支架間）分別布置6 個(gè)測點(diǎn)A～F。在回風(fēng)隅角上、中部位，布置2 個(gè)測點(diǎn)，記做G、H。每天進(jìn)行連續(xù)性的氣體采樣和色譜分析。

3 采空區(qū)氣流時(shí)空分布特征

3.1 上覆采空區(qū)氣體靜態(tài)分布規(guī)律

1818 工作面上覆采空區(qū)各氣體變化趨勢(shì)圖如圖2。

圖2 1818 工作面上覆采空區(qū)各氣體變化趨勢(shì)圖Fig.2 Gas change trend diagrams of overlying goaf of 1818 working face

由圖2 可知：上覆采空區(qū)在下層煤未采動(dòng)時(shí)，距離上層煤采空區(qū)終采線最近的位置處，O2體積分?jǐn)?shù)值最大，約13%，這是因?yàn)樵谏细膊煽諈^(qū)停采線處的煤柱發(fā)生破裂，發(fā)生嚴(yán)重的漏風(fēng)，向上覆采空區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致氧氣體積分?jǐn)?shù)值偏高，這種擴(kuò)散效應(yīng)隨擴(kuò)散距離的增大而逐漸減弱，因此距離終采線最遠(yuǎn)處，即靠近下層工作面時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)也會(huì)變小，約為6%；CH4體積分?jǐn)?shù)從0.05%增加到0.3%左右，而CO2體積分?jǐn)?shù)從3%增加到6%左右，然后保持穩(wěn)定，之后迅速降低至3.5%左右，隨著煤柱終采線漏風(fēng)稀釋作用的減弱，且受下煤層采動(dòng)的影響，上覆采空區(qū)巖層裂隙增加，遺煤賦存的CH4釋放逐漸增加，CH4體積分?jǐn)?shù)增大，浮煤二次氧化及煤層原始賦存CO2釋放作用加強(qiáng)，CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，而CO2的迅速降低是因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)高體積分?jǐn)?shù)CO2向下煤層發(fā)生了運(yùn)移導(dǎo)致的；而上覆采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)變化與上下采空區(qū)的運(yùn)移和浮煤二次氧化密切相關(guān)，CO 體積分?jǐn)?shù)因受氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響，變化趨勢(shì)與O2變化趨勢(shì)基本一致，從約27×10-6降至10×10-6?，F(xiàn)場實(shí)測回采工作面回風(fēng)隅角處CH4體積分?jǐn)?shù)為0.2%，O2體積分?jǐn)?shù)為17%左右，二者與上覆采空區(qū)處相差較大，這說明近距離煤層開采在下層實(shí)體煤采動(dòng)之前，工作面后方采空區(qū)與上覆煤層采空區(qū)之間還沒完全貫通，采動(dòng)影響主要是由于工作面采空區(qū)與其上覆采空區(qū)之間氣體的相互運(yùn)移引起的。

3.2 下煤層采空區(qū)氣體動(dòng)態(tài)分布規(guī)律

1818 工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體分布圖如圖3、圖4。

圖3 1818 工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體分布圖Fig.3 Gas distribution in goaf at return air side of 1818 working face of Shaping Mine

圖4 1818 工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體分布圖Fig.4 Gas distribution in goaf at air inlet side of 1818 working face of Shaping Mine

由圖3（a）和圖4（a）可以看出：進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)隨著工作面推進(jìn)均呈現(xiàn)由工作面向采空區(qū)深部逐漸降低的趨勢(shì)，而CO 體積分?jǐn)?shù)則均呈現(xiàn)先增長后降低的倒“V”形的趨勢(shì)；在回風(fēng)側(cè)，在距工作面70 m 的采空區(qū)，O2體積分?jǐn)?shù)降到10%以下；而在進(jìn)風(fēng)側(cè)，在距工作面140 m 后，氧體積分?jǐn)?shù)才降到10%以下，且進(jìn)風(fēng)一側(cè)采空區(qū)O2平均體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于回風(fēng)一側(cè)，說明在進(jìn)風(fēng)一側(cè)存在嚴(yán)重的漏風(fēng)，風(fēng)流在擴(kuò)散作用的影響下，表現(xiàn)為采空區(qū)氧化帶明顯的“后移”[13]。

圖3（b）和圖4（b）可以看出：在進(jìn)風(fēng)側(cè)，從工作面到距1818 工作面160 m 范圍內(nèi)，CH4體積分?jǐn)?shù)從0.01%增大到0.15%，CO2體積分?jǐn)?shù)從0.2%增大到1.2%，150 m 后CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)保持比較穩(wěn)定的趨勢(shì)；在回風(fēng)側(cè)，從工作面到距1818 工作面85 m 范圍內(nèi)，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)CH4從0.2%增大到0.68%，CO2體積分?jǐn)?shù)從0.8%增大到2%，85 m 后CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)保持比較穩(wěn)定的趨勢(shì)。

以上結(jié)果表明隨著工作面的推進(jìn)，沿著1818 工作面采空區(qū)深度方向，回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)都是從工作面向采空區(qū)深部逐漸增大，而從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)，CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸升高。在采空區(qū)深部距工作面30 m 的范圍內(nèi)，處于采空區(qū)自然堆積區(qū)和載荷影響區(qū)，垮落的巖石尚未壓實(shí)，空隙度大，滲透率大，此處CH4、CO2受本采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流以及上覆采空區(qū)向下煤層采空區(qū)漏風(fēng)的稀釋、運(yùn)移作用程度大，因而CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)在此處體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低；而距離工作面大于30 m 時(shí)，采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實(shí)，漏風(fēng)對(duì)此處CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)的稀釋作用很小，CH4、CO2積聚程度隨著離工作面距離的增加而增大。在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)深部距工作面150 m 的范圍內(nèi)，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)的CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)明顯高于進(jìn)風(fēng)側(cè)的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合氧體積分?jǐn)?shù)和CO 體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，說明工作面與采空區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律為漏風(fēng)風(fēng)流主要從進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)流入采空區(qū)，攜帶大量的CH4、CO2流向回風(fēng)側(cè)采空區(qū)，其中少量氣體沿著工作面漏風(fēng)通道運(yùn)移到工作面中，大部分從回風(fēng)側(cè)采空區(qū)涌出回風(fēng)隅角中。此過程中，風(fēng)流對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)CH4、CO2的作用主要表現(xiàn)為稀釋作用，而對(duì)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)CH4、CO2主要表現(xiàn)為CH4、CO2運(yùn)移所導(dǎo)致的CH4、CO2積聚效應(yīng)[14]，同時(shí)采空區(qū)產(chǎn)生的CO 亦會(huì)被風(fēng)流攜帶至回風(fēng)隅角處，造成此處CO 體積分?jǐn)?shù)的偏高。

3.3 上覆采空區(qū)氣體動(dòng)態(tài)分布規(guī)律

1818 采空區(qū)及上覆采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖5。

圖5 1818 采空區(qū)及上覆采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.5 Variation law of gas volume fraction in 1818 goaf and overlying goaf

由圖5 可以看出：從1818 工作面對(duì)應(yīng)上覆采空區(qū)到距下煤層1818 工作面90 m 對(duì)應(yīng)上覆采空區(qū)范圍內(nèi)，O2、CO 體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先增加后減小的倒“V”形趨勢(shì)，而CH4體積分?jǐn)?shù)呈先減小后增加再保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，CO2體積分?jǐn)?shù)值呈先減小然后穩(wěn)定的趨勢(shì)。

綜上，上覆煤層采空區(qū)在下層煤采動(dòng)過程中，上下煤層采空區(qū)會(huì)相互溝通，在距工作面35 m 范圍內(nèi)的采空區(qū)，垮落的巖石尚未壓實(shí)，空隙度大，滲透率大，上下氣體開始交換，因此在距工作面35 m 處上覆層采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，上覆采空區(qū)浮煤受氧化影響，在距工作面45 m 左右處，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高；下煤層采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)CO 亦會(huì)向上覆采空區(qū)運(yùn)移，而上覆采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)的CO2和CH4也會(huì)運(yùn)移到下煤層，故上覆采空區(qū)從工作面到距工作面25 m 之間，CH4體積分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸減小，之后，采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實(shí)，上下煤層氣體相互滲透，下煤層開采釋放的高體積分?jǐn)?shù)CH4會(huì)運(yùn)移到上覆采空區(qū)，最后，在距工作面大于45 m 的后方采空區(qū)，上覆煤層CH4、CO2積聚程度隨著與工作面距離的增加而增大，O2、CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，又因?yàn)樯舷虏煽諈^(qū)氣體的相互運(yùn)移，上下采空區(qū)CH4、CO2、O2和CO 體積分?jǐn)?shù)漸漸趨于一致，然后保持穩(wěn)定趨勢(shì)。

3.4 工作面氣體動(dòng)態(tài)分布規(guī)律

1818 工作面各氣體體積分?jǐn)?shù)分布情況圖如圖6。

圖6 1818 工作面各氣體體積分?jǐn)?shù)分布情況圖Fig.6 Distribution of gas volume fraction in 1818 working face

從圖6（a）可以看出：1818 工作面O2體積分?jǐn)?shù)從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)隅角總體上呈現(xiàn)先緩慢降低然后迅速降低趨勢(shì)，O2體積分?jǐn)?shù)從最高約20.6%降低到最低值的18%左右；從圖6（b）可以看出：1818 工作面CO 體積分?jǐn)?shù)總體上從靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)A 到回風(fēng)隅角G點(diǎn)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，從約15×10-6上升至22×10-6左右；由圖6（c）和圖6（d）可以看出：1818工作面CH4體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)，從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)隅角，總體上呈現(xiàn)出先穩(wěn)定然后逐漸增大的趨勢(shì)，CH4體積分?jǐn)?shù)從約0.05%上升至0.30%左右，而CO2體積分?jǐn)?shù)從0.15%上升至0.80%左右。

從工作面中部到回風(fēng)隅角范圍內(nèi)，因?yàn)椴煽諈^(qū)后方氣體向工作面運(yùn)移，導(dǎo)致CO、CH4、CO2體積分?jǐn)?shù)均有所上升，O2體積分?jǐn)?shù)有所降低。表明1818 采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生的小部分CO、CH4、CO2會(huì)被風(fēng)流夾帶著沿工作面的漏風(fēng)通道涌出工作面，而產(chǎn)生的大部分CO、CH4、CO2在通風(fēng)風(fēng)壓作用下也會(huì)經(jīng)過采空區(qū)運(yùn)移到回風(fēng)隅角，前面分析到上覆采空區(qū)漏風(fēng)亦攜帶高體積分?jǐn)?shù)的CH4、CO2從下煤層工作面回風(fēng)隅角附近涌出，并且工作面中來自后方采空區(qū)漏風(fēng)涌出的CH4、CO2、CO 也會(huì)隨風(fēng)流匯集到回風(fēng)隅角，而回風(fēng)隅角附近又是風(fēng)流出現(xiàn)渦流[15]的地點(diǎn)，工作面風(fēng)流和采空區(qū)風(fēng)流的傳質(zhì)過程較弱從而導(dǎo)致回風(fēng)流中有毒有害氣體體積分?jǐn)?shù)的偏大，且不能及時(shí)從回風(fēng)巷道排掉，從而造成回風(fēng)隅角有毒有害氣體的聚集和低氧的發(fā)生。

4 上下采空區(qū)氣體的分布與運(yùn)移機(jī)制

上覆采空區(qū)各氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖如圖7。

圖7 上覆采空區(qū)各氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.7 Distribution of gas volume fraction in overlying goaf

在采動(dòng)過程中，其采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)受漏風(fēng)擴(kuò)散、上下采空區(qū)運(yùn)移效應(yīng)和煤氧反應(yīng)多重影響，呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。從1818 工作面前方180 m 至25 m 范圍內(nèi)，上覆采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出而逐漸減小的趨勢(shì)；從工作面前方25 m 到工作面位置，O2體積分?jǐn)?shù)受工作面采動(dòng)影響，漏風(fēng)逐漸增加；當(dāng)測點(diǎn)進(jìn)入工作面后方，在工作面后方35 m 內(nèi)，由于上下采空區(qū)氣體的交融，O2體積分?jǐn)?shù)迅速增加，工作面后方35 m 到100 m 內(nèi)，上覆采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實(shí)，上下采空區(qū)相互作用減弱，逐漸進(jìn)入氧化帶，煤氧反應(yīng)加速，O2體積分?jǐn)?shù)漸漸迅速降低。

上覆采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)變化與上下采空區(qū)氣體的運(yùn)移和浮煤二次氧化密切相關(guān)，CO 體積分?jǐn)?shù)因受氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響，變化趨勢(shì)與氧氣基本一致。即從1818 工作面前方180 m 到后方100 m 范圍內(nèi)，CO 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出緩慢降低，接著迅速增加，然后又呈現(xiàn)出迅速降低的趨勢(shì)。與O2體積分?jǐn)?shù)分布不同的是，峰值對(duì)應(yīng)的位置稍有滯后，這與CO重要來源-煤氧反應(yīng)密切相關(guān)。

上覆采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)變化與上下采空區(qū)氣體的運(yùn)移、浮煤氧化以及煤層原始賦存CO2釋放相關(guān)。上覆采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)在稍微增加至最終平穩(wěn)的趨勢(shì)。從工作面前方180 m 到125 m 范圍內(nèi)，上煤層終采線漏風(fēng)稀釋作用減弱，而浮煤二次氧化以及煤層原始賦存CO2釋放作用加強(qiáng)，CO2體積分?jǐn)?shù)的逐漸增大；從工作面前方125 m 至75 m 范圍內(nèi)，CO2因浮煤氧化和煤層釋放已達(dá)到飽和狀態(tài)，CO2體積分?jǐn)?shù)保持較穩(wěn)定趨勢(shì)；從工作面前方75 m 到工作面范圍內(nèi)，受后方工作面采動(dòng)影響，此處高體積分?jǐn)?shù)CO2向下煤層回風(fēng)巷運(yùn)移，CO2體積分?jǐn)?shù)迅速降低；從工作面至后方35 m 范圍內(nèi)，上下采空區(qū)氣體的交融，上覆采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)CO2體積分?jǐn)?shù)加快下泄，體積分?jǐn)?shù)迅速減少；從工作面后方35 m 到工作面后方100 m 內(nèi)，上下交融逐漸完成，由于浮煤氧化上覆采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)緩慢增加最終趨于穩(wěn)定。

上覆采空區(qū)CH4體積分?jǐn)?shù)變化與煤層原始賦存CH4釋放、采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的強(qiáng)弱以及上下采空區(qū)氣體的運(yùn)移相關(guān)。從1818 工作面前方180 m 到工作面，隨著煤柱停采線漏風(fēng)稀釋作用的減弱，并且受下煤層采動(dòng)的影響，上覆采空區(qū)巖層裂隙和裂縫增加，CH4釋放逐漸增加，CH4體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，測點(diǎn)進(jìn)入工作面后方35 m 內(nèi)，受采動(dòng)影響，上下采空區(qū)豎向裂隙導(dǎo)通，上下采空區(qū)氣體開始交融，CH4體積分?jǐn)?shù)迅速降低，工作面后方35 m 到100 m 范圍內(nèi)，下層采空區(qū)遺煤氧化以及開采釋放的CH4體積分?jǐn)?shù)增大，上下采空區(qū)氣體繼續(xù)交融，上覆采空區(qū)CH4體積分?jǐn)?shù)開始逐漸增加，隨著上下采空區(qū)氣體交融的完成，CH4體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

通過研究上下采空區(qū)的氣體分布規(guī)律，同時(shí)結(jié)合工作面和回風(fēng)隅角的氣體分布和體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，可以得出沙坪礦8 號(hào)煤層上下采空區(qū)氣體的4個(gè)方面的運(yùn)移機(jī)制：

1）上下采空區(qū)之間存在著氣體運(yùn)移。隨著下層煤的采動(dòng)，上覆巖層中形成的離層裂隙和豎向破斷裂隙相互溝通[16]。在工作面后方約25 m 的范圍內(nèi)，因?yàn)榈乇泶髿鈮捍笥谙路焦ぷ髅婊仫L(fēng)側(cè)氣壓，故地表漏風(fēng)在風(fēng)壓作用下將上覆采空區(qū)遺煤氧化以及積聚產(chǎn)生的高體積分?jǐn)?shù)CH4、CO2、CO，帶入到下層工作面采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)中，下煤層高體積分?jǐn)?shù)的O2也會(huì)運(yùn)移到上覆采空區(qū)。

2）下煤層進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)存在著氣體運(yùn)移，且進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)存在較大的壓差。由圖4 和圖5 可知，在采空區(qū)回風(fēng)一側(cè)監(jiān)測到較大體積分?jǐn)?shù)的CH4、CO2，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣平均體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于回風(fēng)側(cè)氧氣平均體積分?jǐn)?shù)，分析可知工作面進(jìn)風(fēng)一側(cè)存在著嚴(yán)重的漏風(fēng)風(fēng)流，風(fēng)流向采空區(qū)中部和回風(fēng)側(cè)移動(dòng)，將采空區(qū)浮煤氧化生成的和煤層賦存的大部分CH4、CO2、CO 氣體運(yùn)移到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)中。

3）下煤層采空區(qū)與工作面之間存在著氣體運(yùn)移，因?yàn)榭拷仫L(fēng)側(cè)的工作面和采空區(qū)存在壓差。由圖5 可知，工作面中測到了低體積分?jǐn)?shù)的CH4、CO2和CO，說明下部采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流會(huì)攜帶少量采空區(qū)浮煤氧化生成的或者煤層賦存的CH4、CO2和CO，順著工作面裂隙運(yùn)移到靠近回風(fēng)巷的回采工作面。

4）浮煤氧化也是影響氣體體積分?jǐn)?shù)分布的1 個(gè)重要因素，包括上覆采空區(qū)浮煤的二次氧化以及下煤層采空區(qū)遺煤的初次氧化。上覆采空區(qū)浮煤受地表漏風(fēng)影響，位于上覆采空區(qū)停采線煤柱附近的氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，浮煤二次氧化，生成大量的CO2以及少量CO，隨著采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實(shí)，漏風(fēng)減弱，浮煤氧化減弱，CO2、CO 生成量減少，工作面前方50 m 范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響產(chǎn)生了豎向?qū)严?，下煤層風(fēng)流向上覆采空區(qū)滲透，導(dǎo)致上覆采空區(qū)浮煤氧化增強(qiáng)，但因?yàn)闈B入上覆采空區(qū)的氧氣含量較少，故生成的CO2、CO 量亦較少，且測得CO2體積分?jǐn)?shù)在逐漸降低，說明原上覆采空區(qū)累計(jì)的高體積分?jǐn)?shù)CO2順著下部回風(fēng)巷頂部裂隙運(yùn)移到下煤層中，在工作面后方，上覆采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)的CO2繼續(xù)向下煤層運(yùn)移，直至上下采空區(qū)氣體達(dá)到平衡；在開采過程中，下煤層采空區(qū)中，因?yàn)楣ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)側(cè)存在著漏風(fēng)，且工作面后方存在的層間導(dǎo)通裂隙，為采空區(qū)內(nèi)的浮煤氧化創(chuàng)造了條件，后方采空區(qū)浮煤的劇烈氧化，釋放了大量的CH4和CO2氣體，在采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的作用下運(yùn)移到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)中。

由于工作面回風(fēng)隅角氣壓小于上覆采空區(qū)區(qū)域氣壓，也小于下煤層采空區(qū)氣壓和地表氣壓，致使上覆采空區(qū)以及下煤層采空區(qū)浮煤氧化生成的和煤層賦存的有毒有害氣體以及從工作面擴(kuò)散出來的有毒有害氣體，在風(fēng)壓梯度差作用下匯入到回風(fēng)隅角[17]，造成回風(fēng)隅角有毒有害氣體的聚集和低氧的發(fā)生。同時(shí)下煤層采空區(qū)整體的O2體積分?jǐn)?shù)分布受漏風(fēng)和耗氧速率的影響和控制，在擴(kuò)散作用下，下煤層氧化帶出現(xiàn)明顯的“后移”現(xiàn)象。沙坪煤礦8 號(hào)煤層上下采空區(qū)氣體運(yùn)移機(jī)制示意圖如圖8。這一運(yùn)移機(jī)制對(duì)于防治上覆采空區(qū)有毒有害氣體的下泄以及下煤層采空區(qū)氣體流動(dòng)對(duì)工作面和回風(fēng)隅角的影響提供理論依據(jù)。

圖8 沙坪煤礦8 號(hào)煤層上下采空區(qū)氣體運(yùn)移機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic diagram of gas migration mechanism in upper and lower goaf of No.8 coal seam in Shaping Coal Mine

5 結(jié) 語

1）采空區(qū)氣體靜態(tài)分布規(guī)律。在下煤層未采動(dòng)時(shí)，從上覆采空區(qū)終采線到距上覆采空區(qū)停采線180 m 范圍內(nèi)，O2和CO 體積分?jǐn)?shù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，CH4體積分?jǐn)?shù)呈逐漸增長的趨勢(shì)，而CO2體積分?jǐn)?shù)值呈先增長然后穩(wěn)定再迅速降低的趨勢(shì)。

2）采空區(qū)氣體動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。在下煤層采動(dòng)過程中，從1818 工作面對(duì)應(yīng)上覆采空區(qū)到距下煤層工作面90 m 對(duì)應(yīng)上覆采空區(qū)范圍內(nèi)，O2、CO 體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，CH4體積分?jǐn)?shù)呈先減小后增加再保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，而CO2體積分?jǐn)?shù)值呈先增長然后穩(wěn)定的趨勢(shì)；同時(shí)，在1818 工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)后方采空區(qū)，O2體積分?jǐn)?shù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，CO 體積分?jǐn)?shù)呈先增加后減小的趨勢(shì)，CO2、CH4體積分?jǐn)?shù)呈先增長后穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3）在1818 工作面前方，O2體積分?jǐn)?shù)先逐漸減小然后逐漸增加，在工作面后方，O2體積分?jǐn)?shù)先迅速增加，然后漸漸降低；CO 體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與O2基本一致，但峰值對(duì)應(yīng)的位置與O2相比存在滯后期；在工作面前方，CH4體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，在工作面后方，CH4體積分?jǐn)?shù)先迅速降低再逐漸增加最后趨于穩(wěn)定；在工作面前方，CO2體積分?jǐn)?shù)先逐漸增大，然后保持穩(wěn)定趨勢(shì)再迅速降低，在工作面后方，CO2體積分?jǐn)?shù)先迅速降低再逐漸增加最后趨于穩(wěn)定。

4）沙坪礦近距離煤層采空區(qū)氣體運(yùn)移機(jī)制可歸納為4 個(gè)方面：①在采動(dòng)過程中，下煤層采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)O2會(huì)向上覆采空區(qū)運(yùn)移，而上覆采空區(qū)高體積分?jǐn)?shù)CO、CO2、CH4氣體亦向下煤層采空區(qū)運(yùn)移；②下煤層進(jìn)風(fēng)一側(cè)工作面存在的漏風(fēng)風(fēng)流將下煤層采空區(qū)中大部分的CO、CO2、CH4運(yùn)移到采空區(qū)中部和回風(fēng)側(cè)采空區(qū)中；③下煤層采空區(qū)與工作面之間存在著氣體運(yùn)移，下部采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流會(huì)攜帶少部分采空區(qū)CH4、CO2、CO，順著工作面裂隙運(yùn)移到回采工作面中；④上覆采空區(qū)浮煤二次氧化以及下煤層采空區(qū)遺煤初次氧化生成大量的CH4、CO2和CO 氣體，在風(fēng)壓的作用下從下煤層工作面回風(fēng)隅角涌出，從而可能造成回風(fēng)隅角有毒有害氣體的聚集和工作面低氧發(fā)生。