窄煤柱影響下工作面漏風(fēng)通道數(shù)值模擬研究

楊 建 王建廷 李俊鋒

（陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713699）

深部礦井在開(kāi)采過(guò)程中，受較高采動(dòng)應(yīng)力的影響，工作面巷道壁逐漸壓酥變形，產(chǎn)生大量漏風(fēng)通道[1-3]。尤其是對(duì)于采用窄煤柱支護(hù)方式的煤層而言，礦山壓力致使窄煤柱內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，與臨近采空區(qū)溝通，從而使得工作面漏風(fēng)規(guī)律更加復(fù)雜[4-5]。而采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題，大部分都是由于漏風(fēng)引起的，漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)大量遺煤持續(xù)保持良好的供氧狀態(tài)，最終發(fā)生煤氧化自燃，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)重大隱患[6-7]。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)采空區(qū)裂隙進(jìn)行模擬演化，揭示煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖導(dǎo)氣裂隙的發(fā)育規(guī)律過(guò)程，進(jìn)而深入明晰深井窄煤柱開(kāi)采條件下工作面漏風(fēng)特性，為防治采空區(qū)煤炭自燃提供理論依據(jù)。

1 窄煤柱模擬模型理論

彈性模量經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：E為彈性模量，GPa；Ec為楊氏模量，GPa；kn/ks為剛度比；a=1.652，b=-0.395。泊松比經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：v為泊松比；c=0.209，d=0.111。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3）、（4）對(duì)數(shù)值模擬所需的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行反演。反演得到的細(xì)觀數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

（1） 單軸抗壓強(qiáng)度回歸性分析：

式中：σc為抗壓強(qiáng)度，MPa；σ為平行連接法向連接強(qiáng)度，MPa；τ為平行連接切向連接強(qiáng)度，MPa。

（2） 抗拉強(qiáng)度回歸性分析：

式中：σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；d為-0.174；e為0.463；f為0.289。

2 深井窄煤柱工作面數(shù)值模型建立

根據(jù)來(lái)壓步距，對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，模型長(zhǎng)200 m，寬120 m，高74 m，共計(jì)9 層。如圖3 所示，顆粒半徑在平衡過(guò)程中不斷擴(kuò)大，相互擠壓，直至達(dá)到目標(biāo)孔隙率為0.05，模型建立完成。在模型中，第1 層至第6 層最小粒徑為0.5，最大粒徑為0.83；第7 層至第11 層最小粒徑為0.4，最大粒徑為0.664，兩部分粒徑比均為1.66。

表1 各巖層反演細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

3 采動(dòng)影響下窄煤柱裂隙演化特性分析

3.1 203 工作面分布開(kāi)采模擬分析

在PFC3D 模擬軟件進(jìn)行煤柱模擬的過(guò)程中，采用分步式煤層開(kāi)采的方法，每20 m 為一步。首先對(duì) 203 工作面進(jìn)行煤層開(kāi)采模擬，模擬結(jié)果如圖1。

圖1 工作面分階段開(kāi)采示意圖

選用回采20 m、80 m、160 m、200 m 距離時(shí)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。由圖4 可以看出，在回采20 m 時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)很明顯的頂板及覆巖垮落；回采至80 m 時(shí)，煤層頂板及覆巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生破碎，頂板及覆巖發(fā)生垮落；隨著203 工作面回采，頂板和上覆巖層繼續(xù)發(fā)生破碎垮落，直至回采結(jié)束，頂板及覆巖發(fā)生的破碎垮落充滿整個(gè)203 采空區(qū)。

模擬回采203 工作面完畢后，將沿空掘巷后的煤柱進(jìn)行提取，并根據(jù)工作面回采時(shí)間的不同提取不同時(shí)間的裂隙發(fā)育情況，再現(xiàn)煤柱裂隙產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程，如圖2。

由圖2 知，在2031 工作面回采過(guò)程中，204 工作面還未進(jìn)行開(kāi)采，預(yù)留煤柱位置部分并未單獨(dú)成窄煤柱，還是呈現(xiàn)煤層狀態(tài)。因此在203 工作面回采過(guò)程中，預(yù)留窄煤柱部分的裂隙發(fā)育較小。在203 工作面推進(jìn)20 m 時(shí)，煤柱位置受壓，有少量裂隙發(fā)育，并且延伸至工作面前方5 m 左右。在進(jìn)一步的工作面推進(jìn)過(guò)程中，窄煤柱位置的裂隙發(fā)育狀態(tài)基本延伸至工作面前方5～10 m 范圍內(nèi)，整體孔隙率變化較小。

圖2 203 工作面回采過(guò)程中預(yù)留煤柱位置孔隙率變化

3.2 204 工作面分步開(kāi)采煤柱裂隙模擬分析

模擬回采203 工作面完畢后，將沿空掘巷后的預(yù)留煤柱位置進(jìn)行提取，并根據(jù)工作面回采時(shí)間的不同提取不同時(shí)間的裂隙發(fā)育情況，再現(xiàn)煤柱裂隙產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程，如圖3、圖4。

圖3 204 工作面分階段開(kāi)采示意圖

圖4 回采過(guò)程中不同回采距離煤柱孔隙圖

模擬204 工作面回采完畢后，將沿空掘巷后的煤柱進(jìn)行提取，并根據(jù)工作面回采時(shí)間的不同提取不同時(shí)間的裂隙發(fā)育情況，再現(xiàn)煤柱裂隙產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程，如圖3。

204 工作面回采過(guò)程中煤柱長(zhǎng)200 m，寬7 m，每掘進(jìn)20 m 保存一組數(shù)據(jù)。煤柱孔隙率不僅在回采后采空區(qū)中的煤柱表現(xiàn)出明顯的孔隙率增加，在超前工作面部位由于煤柱集中應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致孔隙增加。

在204 工作面回采之前，由于203 工作面回采以及204 回風(fēng)巷道的掘進(jìn)，窄煤柱內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了一些孔隙。當(dāng)工作面回采距離為20 m 時(shí)，直接頂將會(huì)發(fā)生松動(dòng)，基本頂有細(xì)微變動(dòng)。由于203 工作面回采結(jié)束的原因，204 工作面采空區(qū)側(cè)能提供的支撐力有限，而204 工作面采空區(qū)也難以提供足夠的支撐力，煤柱承受的頂板壓力增大，在超前工作面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生集中應(yīng)力，因此煤柱內(nèi)部此時(shí)將開(kāi)始陸續(xù)產(chǎn)生裂隙。但由于是初期，204 采空區(qū)面積不大，裂隙產(chǎn)生數(shù)量較少。隨著工作面的不斷推進(jìn)，窄煤柱受到的集中應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)而變化。當(dāng)工作面向前推進(jìn)至80 m 時(shí)，窄煤柱工作面前方約80 m 范圍內(nèi)均發(fā)生煤柱裂隙發(fā)育，孔隙率增大；當(dāng)204 工作面回采推進(jìn)至120 m 時(shí)，煤柱之中的裂隙數(shù)量達(dá)到最大值。

4 工作面采空區(qū)壓能測(cè)定結(jié)果及分析

由圖5 可以看出，在運(yùn)輸順槽、204 工作面、回風(fēng)順槽中的氣壓的變化趨勢(shì)相同，整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。運(yùn)輸順槽內(nèi)氣壓變化有起伏，但是整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角可以看出工作面區(qū)域氣壓下降明顯，是由于氣流隨著運(yùn)輸順槽進(jìn)入工作面區(qū)域后，采空區(qū)會(huì)發(fā)生漏風(fēng)，有氣流流入后方采空區(qū)內(nèi)，造成氣壓下降，壓能降低。在測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)12 范圍內(nèi)，204 工作面與203 工作面采空區(qū)內(nèi)存在較大壓差，此處由于窄煤柱受集中應(yīng)力，裂隙發(fā)育明顯，孔隙率增大，形成窄煤柱內(nèi)部漏風(fēng)通道，部分氣流會(huì)流入窄煤柱，形成204 工作面與203 采空區(qū)之間的漏風(fēng)通道。204 工作面的新鮮氣流通過(guò)漏風(fēng)通道流入203 采空區(qū)，造成203 采空區(qū)內(nèi)的遺煤在新鮮氣流的作用下發(fā)生二次氧化升溫，有遺煤自燃危險(xiǎn)，會(huì)影響204 工作面的正?；夭晒ぷ?。在回風(fēng)巷中，氣壓整體呈現(xiàn)細(xì)微下降，在局部區(qū)域存在起伏變化。

圖5 回風(fēng)順槽絕對(duì)壓力變化

5 結(jié)論

（1） 在203 工作面分步回采過(guò)程中，每回采一步，即20 m，窄煤柱預(yù)留部分會(huì)在上方應(yīng)力作用下產(chǎn)生細(xì)微裂隙，穩(wěn)定在工作面前方16 m 范圍內(nèi)。

（2） 在204 工作面的回采過(guò)程中，窄煤柱將承受上方覆巖重量，受集中應(yīng)力，窄煤柱內(nèi)部發(fā)生壓酥變形，孔裂隙發(fā)育。窄煤柱在超前工作面的范圍內(nèi)裂隙不斷發(fā)育，且最終穩(wěn)定在工作面前方80 m內(nèi)，該范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度上升至最大值。在該范圍內(nèi)易形成窄煤柱內(nèi)部漏風(fēng)通道，造成相鄰采空區(qū)通過(guò)煤柱裂隙漏風(fēng)。