楊伙盤煤礦30116工作面過溝開采漏風規律研究

甄 澤，蘇 偉

（榆林市楊伙盤礦業有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引 言

國內有許多研究者如侯忠杰、黃慶享、許家林[1-3]等對淺埋煤層開挖過程中，基巖層和松散層之間的損傷規律和關鍵層理論展開了探討。黃慶享[1]對頂部構造的穩定性進行了綜合研究與分析，發現了工作面來壓強烈和頂部階梯沉降導致頂部構造滑動損壞，并得出了保持頂部平穩的支撐摩擦力統計公式方法，為定量化分析淺埋煤層頂板奠定了力學理論基礎；許家林[2]則提出，單一的關鍵層構造是造成淺埋煤層特殊采動破壞現象的重要因素；侯忠杰[3]提出了復合關鍵層各種斷裂程度的最佳回轉角，認為淺埋煤層表面有厚的松散層，而松散層管理主要是復合關鍵層的不穩定運動，即覆巖全厚度沿煤壁的階梯切落；張辛亥，吳剛[4]等總結并剖析了檸條塔煤礦N1201綜采工作面高強度的漏風特性，利用漏風數值模擬確定了工作面的漏風狀況，并總結出了作業面自燃特性。此次基于參考資料，擬采用物理相似模擬和數字模擬實驗，對采空區面積裂隙實行了仿真演化，基于試驗結論給出了礦井漏風預防措施并進行實際檢驗，得出綜合防治方案，以及施工準備的工作周期。

1 裂隙發育及漏風特征實測分析

1.1 工作面概況

楊伙盤煤礦30116工作面位于井田中西部，東為楊伙盤村，西為李家渠，中北部和南部為周家梁村。工作面對應地面無村莊、無建筑物。上覆地層厚度為0～161.58 m，基巖厚度為42.87～161.58 m，松散層厚度為0～15.19 m。煤層厚度1.84～2.2 m，平均厚度為2.15 m，煤層傾角為1°，井下標高+1 075—+1 096 m。上部為2-2煤20301、20302、20303、20304、20305、20307已回采結束的采煤工作面，與2-2煤層間距為31 m。工作面頂底板巖性柱狀圖如圖1所示。

圖1 301 1 6煤層頂底板巖性柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.30116 Coal Seam

30116采場是一種抽出式通風，在開采過程中，煤層崩塌后產生裂縫，并逐步向煤礦地表延展，煤礦采場漏風的源頭是礦井地面漏風，井下掘進工作面則是漏風的匯聚處。由于采場頻繁漏風，導致采場內含氧濃度上升，余煤與氧發生氧化，產生有毒的CO，危害礦井的生產[5]。

1.2 覆巖采動裂縫動態發育規律

楊伙盤煤礦30116工作面關鍵層位于覆巖裂隙帶范圍內，地表采動導致形成塌陷型裂縫，如圖2所示。

圖2 全厚切落的第一次周期來壓Fig.2 First cycle weighting of full-thickness cut

1.2.1 30116工作面開采覆巖斷裂裂縫豎向分區

通過前面研究可知，楊伙盤煤礦30116工作面在采掘后期，由于關鍵層的失穩斷裂，致使上覆巖層一直到地表發生結構性失穩，從而形成了直接貫通地面的采動裂隙。在30116工作面的基礎上，以關鍵層下位巖層為界限，將其劃分為2個區域，如圖3所示。區域Ⅰ包含非承壓基巖層和上覆基巖層、上覆關鍵層和地表覆蓋層，這一區域內采動裂縫受關鍵層不穩定活動及斷裂制約。區域Ⅱ是指在關鍵層以下的局部巖體，該巖體在采掘過程中發生不規則性或規則性垮落。因此，在采取負壓通風時，地面氣流先后通過Ⅰ區和Ⅱ區，導致工作面的通風不暢。

圖3 工作面開采覆巖斷裂裂縫豎向和橫向分區示意Fig.3 Vertical and transverse division of overburden fracture cracks in working face mining

1.2.2 30116工作面開采覆巖斷裂裂縫橫向分區

在采煤工作面掘進中，由于采空區的貫通程度和貫通形式的差異，可將其劃分成裂縫產生區域、貫通區域和閉合區域[6]。在裂隙產生區域，以不連通工作面為主的裂隙為主，在裂隙發育區域，以導通采空區為主的崩塌式和階梯式斷裂為主，在閉合區域以閉合型裂縫為主。

2 裂隙發育及漏風特征實驗研究

結合楊伙盤煤礦30116煤層的真實賦存情況、尺寸和現有的鉆井柱狀圖，在此基礎上，按比例1∶100，構建了不同表面形貌（溝谷和平地）的模擬試驗平臺，對覆巖裂隙的穩定性和斷裂裂縫的分布進行了分析，為防治漏風問題奠定了基礎。

2.1 覆巖裂隙模擬分析

為克服邊界的影響，在距離模型右側0.2 m處形成開切眼進行開挖，模擬過程中，開挖步距根據情況設置為5.0 m，同時對覆巖裂縫的演變進行觀測，并對來壓步距和裂縫擴展的寬度進行測量，對此類型煤礦在推進過程中覆巖破裂失穩特征、斷裂裂縫分布和漏風特征進行了研究。

當掘進至一段距離后，在煤壁下方約3.2 m的位置頂板產生了破裂，而承載巖層也由于開采的擾動產生了切落，這屬于基本頂發生的第10次周期來壓，最終上覆地層的破斷失穩情況、斷層裂隙散布情況，如圖4所示。

圖4 基本頂周期來壓現象Fig.4 The periodic weighting of basic roof

實測結果證明，當該煤層在溝谷下坡開采時，來壓步距明顯增加，在下坡地段可達35.6 m，但在上坡采礦時，來壓步距明顯減少，在平地上幾乎沒有變化。結果表明，在不同的地質條件下，來壓步距與煤層的負荷成反比。

在物理相似實驗中，從裂縫的擴展情況可以發現，裂縫的擴展程度與煤體上部的載荷呈相反關系。這種類型的煤體在溝谷下坡開采過程中會出現垂向裂隙，當工作面推進至溝谷上坡處時，裂隙會在溝谷底處閉合，裂隙漏風性能也會下降。結果表明，由于溝谷的作用，導流漏風裂隙的擴展是動態變化的。

2.2 裂隙漏風模擬分析

SF6示蹤氣體檢測器的設定位置，依次是位于溝谷下坡、溝底、溝谷上坡平等地4種位置之間的導水及透風縫隙內，并在采空區范圍內設定了取樣點，當作業面提升至適當位置后，使用檢測器對各個檢查點的示蹤氣體進行檢測[7]。測量數據如圖5所示。

圖5 漏風測量Fig.5 Air leakage measurement

對比4個區域在不同階段的漏風特征可知：溝底的SF6濃度較低，而溝谷中的SF6濃度較高；下坡位置的SF6濃度較低，上坡的SF6濃度較高，不同的裂縫漏氣程度也不同；漏風量與工作面后方距離成反比，距離越遠，上覆巖層運動趨于穩定。

在回采結束后，在溝谷下坡、溝底、溝谷上坡和平地4個區域對地表采動裂縫進行有針對性的封堵[8]。實驗使用礦井附近的沙土材料對裂縫進行人工封堵。

在采用礦井沙土對裂縫封堵后，對SF6示蹤氣體進行了一次濃度測試，實驗表明，盡管對采空區的漏風裂縫進行封閉并不能徹底防止漏風，但是可以降低采空區的漏風率。

3 數值模擬研究分析

3.1 數值模型的建立

在物理相似模擬實驗演化過程中，當地表地勢相對平緩時，周期來壓大概每10 m發生1次，導致工作面回轉下沉，覆巖全厚切落，在切落過程中，又會因覆巖的運動出現新的導氣通道。在楊伙盤煤礦30116工作面，應用數值模擬軟件對采空區和工作面進行了三維建模[9]。

計算模型如圖6所示。

圖6 ZT2鉆孔水位變化曲線圖Fig.6 Water level change curve of No.ZT2 drilling hole

圖6 計算模型Fig.6 Simulation model

通過與現場實測數據及相似模擬實驗數據的對比，采空區空間模型尺寸50 m×40 m×50 m，進回風巷道截面模型尺寸5 m×2.4 m。通過物理相似模擬發現，在采空區內，可以在10 m范圍內設置1條裂縫，將覆巖漏風裂縫設為50 m×40 m×0.8 m，粘滯阻力取4.8×106（1/m2）的采空區區域為0≤Z≤25 m處，粘滯阻力取4.8×107（1/m2）的采空區區域為25 m≤Z≤50 m處。由實測資料可知，工作面的工作氣流流量Q0為900 m3/min，進風巷進口風速為900/12/60=1.25 m/s，進風巷斷面的壓差為950 Pa。對2種工況下的流場進行了數值模擬[10]。模擬結果如圖7所示。

圖7 兩種情況的模擬結果Fig.7 Simulation results of two cases

地表向采空區的漏風跡線數值模擬結果表明，地表壓力由于漏風而比采空區要大。壓力梯度使得從采空區頂部到工作面的滲透速率不斷遞增，因為工作面屬于抽出式通風，所以滲透流速比進風巷和工作面的流速都要高。

3.2 漏風防治數值模擬

在同一深度下，采用封閉裂縫的多孔煤質在5×104～1×106的粘性阻力時，對在不同粘性阻力下的漏風速度和漏風流場進行了數值模擬計算。

不同粘滯阻力下模擬結果如圖8所示。

圖8 不同粘滯阻力下模擬結果Fig.8 Simulation results under different viscous resistance

從模擬結果可以看出：在圍巖中，粘性土的阻力因數越高，則采空區的漏風率越低，采場內的風速就越低。在粘性土的粘性系數很小的情況下，采用封閉方法無法減少采空區的空氣流動，在堵塞粘性超過5×105（1/m2）時，采空區的漏風率顯著下降，而泄漏跡線則相對穩定。采場的防滲措施不但與圍巖的致密程度有很大關系，而且與采場的間距密切相關，合理的采空區封閉期能全面確保采區作業的安全和地表作業的安全。

在對裂縫進行封堵后，裂縫的粘性系數為5×105（1/m2）時，對采場的風向進行了理論分析，得出了采場的平均速度為0.25 m/s，符合礦井安全技術規程的規定。截斷裂縫粘性系數為1×106（1/m2）時，用軟件分別模擬封堵距離不同情況下的漏風情況。

不同封堵距離下模擬結果如圖9所示。

圖9 不同封堵距離下模擬結果Fig.9 Simulation results under different plugging distance

由數值模擬中可以看出，在封堵粘性系數為1×106（1/m2）時，對于30～50 m裂隙，采空區防滲漏治理作用不大，對工作面生產安全構成一定的威脅；在采空區，漏風裂隙封閉距離為20～50 m時，漏風風場的風流量會有較大的改變，從而達到控制的目的；在10～50 m的距離上封堵漏風裂縫，可以減少采空區的漏風，但在施工方面，會增加工作頻率和運行成本。由此可以得出，每隔2次周期來壓，在第三次周期來壓時對采空區裂隙封堵最為經濟有效。

4 結 論

本文以楊伙盤煤礦30116煤為工程背景，綜合應用相似模擬以及數值計算研究方法，還原了采場覆巖導水漏風裂縫的形成演化過程以及采空區流場及工作面漏風特征。

（1）在淺埋式薄基煤體采掘過程中，覆巖出現了全厚切落的現象，其斷裂形式發展迅速，并貫穿了地面，形成一個很好的通風管道。而且裂縫出現的次數與采場的深度呈比例關系，裂縫的擴展和上部受力呈反比關系，并且在巖體活動的穩定性下逐漸降低。

（2）由數值模擬可以發現，采煤過程中過溝谷時的漏風率比在平坦地區高，而在上坡推進比在下坡處的要多。在深部厚底板淺埋煤層中，為了避免工作面CO的積累影響礦井安全，在掘進過程中必須提高掘進的速率。

（3）對30116煤層漏氣引起的表面裂縫的填充和壓實技術進行了模擬和分析，確定了經濟、有效的封堵壓實工藝：工作面推進每隔2次周期來壓，在發生第三次周期來壓時進行一次封堵壓實。