采動影響下區段煤柱滲透率變化特征研究

摘 要：采動影響對工作面巷道穩定性及區段煤柱氣體滲透性具有顯著影響，進而對煤柱漏風及其導致的自燃風險產生不可忽視的作用。針對采煤工作面風巷側區段煤柱多次加卸載破損漏風誘發自燃的問題，采用現場試驗與數值模擬相結合的方法，分析了開采過程中煤柱滲透率隨工作面推進的變化特征，識別了煤柱誘發自燃的潛在危險區域。現場試驗結果表明，工作面后方16 m范圍內，區段煤柱滲透率隨距離工作面的增加而增加。數值模擬進一步揭示，開采過程中，風巷側煤柱滲透率先降低后升高，經過一段穩定期后再逐漸下降。綜合分析指出，風巷側區段煤柱漏風誘發自燃的危險區域主要集中在工作面前方20～100 m及工作面后方約50 m范圍內。本研究結果可為井下開采作業過程中的漏風及其導致的火災防治工作提供理論依據與參考。

關鍵詞：區段煤柱；漏風；滲透性；自燃

中圖分類號：TD726" 文獻標識碼：A" 文章編號：1673-260X（2025）04-0020-07

留設保護煤柱護巷開采作為一種廣泛采用的開采技術，雖然能夠有效保護巷道安全，但也不可避免地導致了煤炭資源的損失。為了最大限度回收資源，許多礦井采用沿空掘巷留設小煤柱的開采方法，以期提高煤炭資源的回收率[1-5]。然而，隨著開采活動的深入進行，較窄的區段煤柱在采動應力的影響下易發生破裂，滲透率急劇上升，形成氣體泄漏通道。這不僅嚴重影響工作面的通風系統，也顯著增加了井下煤自燃的風險，對礦山安全構成了嚴重威脅。因此，研究采動影響下區段煤柱滲透率的變化特征，對于實際生產工作具有極其重要的現實意義。

區段煤柱受采動影響破碎漏風及其滲透率變化特征一直是煤礦安全生產研究的主要內容之一。霍丙杰等[6]分析了不同開采階段采動應力分布特征，并確定了區段煤柱滲透率的演化規律。謝和平等[7]利用假三軸實驗探討了支承壓力分布規律及其對煤巖變形破壞的影響。王廣榮等[8]通過實驗研究了煤巖在全應力-應變過程中滲透特性的演化。喬重讓等[9]通過現場實測揭示了工作面開采過程中小煤柱應力與變形的變化特征。余明高等[10]結合數值模擬與實驗研究，探討了煤柱在重復采動應力影響下的垂直位移、應力及孔隙率演化特征，并揭示了煤柱因破碎失穩而形成漏風通道及自燃危險區域的分布規律。Ni等[11]研究了基于應力影響損傷下的煤巖滲透性演化規律。劉超等[12]研究了煤巖在循環加卸載作用下的變形與滲透率變化規律。Cheng[13]等研究了長壁工作面開采過程中，煤柱在采動應力作用下的變形和漏風特征。祝捷等[14]通過實驗研究了煤樣在應力作用下滲透率與應變的關聯性，并探討了煤基質收縮對滲透率的影響規律。

上述研究表明，廣大科研工作重點關注工作面推進過程中煤柱的應力變化與裂隙發育規律，但對于開采過程中區段煤柱漏風狀態的分布特征的研究仍然不足。深入研究開采過程中區段煤柱不同位置的漏風程度，可以從空間、時間角度更有針對性地采取措施控制煤柱的漏風，降低井下遺煤自燃的安全隱患，為煤礦安全生產提供理論依據。

本研究以十一礦己16-17-22240大采高工作面為研究對象，通過現場測試煤柱在采動應力升降過程中滲透率的變化特性，探討了區段煤柱不同位置的滲透性與工作面位置的關系，為煤柱科學堵漏提供了理論依據。

1 工程概況

試驗地點為十一礦己16-17-22240大采高工作面風巷側小煤柱。試驗巷道的具體布置如圖1所示。己16-17-22240風巷位于己二下沿采區回風下山的西側，其南側與己16-17-22220采空區相毗鄰，北側則緊鄰己16-17-22240機巷。在風巷的開采范圍內，煤層厚度為5.1～7 m，平均厚度為6.21 m。煤層質地較為松軟，層理和節理較為發育，圍巖破碎，容易發生片幫。煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層，最短自然發火期為55 d。F3斷層橫貫工作面中部，走向NE51°，落差為3.8～5.8 m。己16-17-22240風巷側區段煤柱寬度為5 m。

2 采動影響下區段煤柱承壓滲流現場試驗研究

己16-17-22240大采高工作面采用綜合機械化采煤放頂煤開采，在開采過程中，頂板煤巖及區段煤柱受到掘進動壓和相鄰采面開采動壓的雙重影響，導致頂板煤巖破碎、離層，區段煤柱亦遭受壓裂。開采作業進一步加劇了區段煤柱的破壞。這一系列重復的加卸載作用導致區段煤柱中的裂隙多次發育與壓實，顯著影響其滲透特性。

2.1 試驗原理

己16-17-22240風巷煤柱可視為受壓破損的多孔介質，氣體在此類煤體中的流動涉及破碎煤顆粒的尺寸、分布、形狀及表面粗糙度等復雜因素。在宏觀層面，氣體流經受壓煤體時，其能量逐漸降低，表現為壓力下降。根據滲流理論，空氣流過受壓煤體時，會因流態差異而表現出不同的流動規律。依據達西定律，可以建立受壓煤體滲透率與漏風量及風壓梯度之間的關系。

根據達西定律可得：

式中：K為滲透率，m2；q為滲流流量，ml/s；μ為流體動力黏度，Pa·s；L為兩個滲流截面間的距離，cm；A為滲流截面的橫截面積，cm2；Δp為兩個滲流截面間的壓差，Pa。

由此，可以借由達西定律公式描述試驗中滲透率與流量、壓差之間的關系。

2.2 試驗設備與試樣

為研究采煤工作面在開采過程中區段煤柱的滲流特性，采用現場試驗的方法測試了區段煤柱在開采過程中區段煤柱滲透率在采動應力作用下的滲透率變化特征，試驗采用研制的承壓滲流試驗裝置，該裝置可用于工作面現場進行開采過程中區段煤柱滲透率變化特征的監測試驗，為后續的多場耦合數值模擬研究提供試驗基礎。

承壓滲流試驗裝置結構如圖2所示，主要由橡膠氣囊、寶塔氣囊接頭、不銹鋼內絲雙通、不銹鋼濾網與卡箍等組成。橡膠氣囊內裝填試驗煤顆粒，兩端用棉花封堵后再用不銹鋼濾網封堵，防止充填煤顆粒在滲流空氣作用下進入測試管路。

試驗用煤樣采自試驗工作面，選取井下完整煤塊，使用保鮮膜密封包裝后裝入密封袋運輸至實驗室。將煤樣敲碎成小塊，經破碎機進一步破碎，使用分樣篩分離出顆粒直徑0.424～0.508 mm的煤顆粒備用。將制備好的煤顆粒裝入試驗裝置氣囊中，并對試驗裝置氣囊做好密封用于后續現場試驗，安裝完畢的試驗裝置如圖3所示。

2.3 現場試驗方案

測點布置在工作面前方5 m處的風巷側煤柱。施工孔深為2 m的鉆孔，直徑為45 mm，鉆孔布置見圖4。

鉆孔內安裝承壓滲流試驗裝置，安裝完成后，將伸出孔外的采集線固定在鐵絲網上，而采集儀與其他數據收集裝置則固定在工作面前方50 m處的鐵絲網上。現場還同步布置了鉆孔應力測試系統，但因現場環境限制，未測得合理結果。

隨著工作面的不斷開采，測點處區段煤柱將經歷不同的應力階段。其間觀測記錄煤柱應力與滲透率數據。測試范圍從裝置安裝后第二日開始，直至應力計與承壓滲流試驗裝置進入工作面架后16 m處。現場數據采集的具體情況見圖5。

2.4 試驗結果與分析

根據觀測數據，依據式（1）計算埋入風巷側區段煤柱內的滲流試驗裝置通過空氣的滲透率，計算結果詳見圖6。由于氣囊變形難以實測，且在應力變化范圍內變形導致的數值變化較小，因此計算中采用了原始面積。

從圖6的測算結果可以看出，在工作面推過測點2.2 m后，風巷煤柱內的滲透率相對較低。而當工作面推過測點5.6 m時，煤柱滲透率出現波動，這種波動主要是由于測點距離工作面較近，受到工作面割煤期間煤柱所受應力的動態變化影響導致應力變化劇烈。在此過程中，試驗裝置的滲透率從1.36×10-12 m2變化到1.08×10-12 m2。

隨著工作面的進一步推進，測點埋入采空區的深度逐漸增加，測試所得到的不同流量下的滲透率變化較小，測試結果較為穩定，與滲透率變化特性相符，表明測試結果具有較高的可信度。

工作面處于不同位置時測點處區段煤柱滲透率的變化情況詳見圖7。從圖中可以觀察到一個明顯的趨勢：隨著測點埋入采空區的深度增加，煤柱的滲透率逐漸增大。

結合實驗室進行的滲流試驗裝置標定測試結果，我們可以推斷，在測試范圍內，隨著測點深入采空區，煤柱所受的應力逐漸減小，這種應力的減小與工作面前方煤體形成類似懸臂梁結構的特性有關，隨著工作面的推進，頂板破斷卸壓，測點處煤柱所受的應力也隨之減小。

由于實測范圍僅限于采空區深部16 m，該區域正是卸壓區域，理論上，隨著測點進一步進入采空區深部，煤柱受到的應力會因應力重分布重新升高，導致煤柱的滲透率再次下降。為了獲得煤柱滲透率的完整參數，需要結合數值模擬分析，以確定工作面采動過程中煤柱的整體滲透率變化。

3 采動影響下區段煤柱應力-滲透率變化特征模擬研究

因工作面現場環境限制，對試驗工作面區段煤柱的現場測試未能完整地展現工作面區段煤柱的滲透率在工作面開采過程中的滲透率變化特征，因此需要采用數值模擬方法，研究采動影響下區段煤柱應力與滲透率的變化特征，并與現場試驗所得結果形成對照，以增加模擬試驗結果的可信度，進而通過模擬試驗獲得采動影響下工作面區段煤柱更大范圍的滲透率與應力變化特征。

3.1 模型建立及參數設置

基于己16-17-22240大采高工作面的具體情況，利用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics建立了物理模型，以模擬采動影響下區段煤柱應力與滲透率的變化特征。

根據工作面示意圖，構建的工作面開采模型自下而上包括底板、煤層、直接頂、老頂四部分，模型尺寸為長700 m、寬600 m、高126 m。煤層水平高度為6 m，巷道寬度為5 m，工作面寬度為200 m。模擬計算沿空掘巷條件下5 m區段煤柱受采動應力影響下的滲透率與應力變化特征。構建的工作面開采模型如圖8所示。

3.1.1 模擬所需主要巖層力學參數

如表1所示，模擬所需各項基本參數根據己16-17 -22240大采高工作面煤層圍巖情況以及對礦區覆巖物理性質的實測報告確定。

3.1.2 模擬邊界條件設置

模型底部邊界施加固定約束，頂部為自由邊界；根據試驗工作面現場實際情況，模型頂部施加邊界載荷14.7 MPa模擬上覆巖層壓力，Y軸方向邊界施加邊界載荷17.64 MPa，X軸方向邊界施加邊界載荷11.76 MPa，底部為固定邊界。模擬巖體采用理想線彈性材料，其力學基本特征服從莫爾-庫侖屈服準則。

3.2 模擬結果

3.2.1 測點處采動應力與滲透率變化特征

在工作面初始位置前方的區段煤柱設置一個測點，該測點與區段煤柱風巷側煤壁距離為2.5 m。以該測點為研究對象，煤柱采動應力與滲透率變化情況如圖9所示。

可以看出，在采動應力的變化方面，當測點位于工作面前方20～40 m時，出現了明顯的應力集中現象，此時測點處的應力快速上升；隨著測點進入工作面后方，垂直應力也隨之迅速下降，而后基本保持不變；當測點進入采空區100 m后，測點處的垂直應力開始緩慢上升，并最終回到原巖應力水平。

在滲透率的變化方面，當測點位于工作面前方80～40 m處時，測點處煤柱滲透率因煤體裂隙被壓實而逐漸下降，隨后由于卸壓作用，滲透率迅速上升，并在工作面后方40 m處達到最高值并保持穩定。當測點進入采空區后方100 m處，由于應力的重新分布，滲透率開始緩慢下降，之后維持穩定。

上述模擬結果在客觀上符合實際規律，并且與現場進行的承壓滲流試驗結果較為吻合。這表明本模型在模擬采動影響下區段煤柱的滲透率與應力變化特征方面是較為可信的。

3.2.2 采場氣體壓力分布

圖10展示了工作面由初始位置向前推進150 m后的氣體壓力分布情況。從圖中可以觀察到，氣體壓力從進風側至回風側呈現遞減趨勢，具體表現為壓力值從下隅角的250 Pa降至上隅角的約100 Pa。采空區的等壓線也呈現從進風側向回風側壓力逐漸降低的趨勢。另一方面，由于工作面風巷側區段煤柱在采動作用下承壓破碎，導致該工作面采空區與相鄰封閉采空區之間形成了氣體流通通道，因此，在正常通風條件下，相鄰封閉采空區也形成了相應的氣體壓力場，這可能對工作面的通風安全和氣體管理產生重要影響。

由于工作面通風風流與區段煤柱承壓滲流特性的相互作用，相鄰封閉采空區側的氣體壓力普遍高于待采工作面采空區側。圖11所示的模擬結果展現了煤柱兩端氣體壓差的分布特征，氣體壓差較大的區域主要集中在工作面前方。在工作面前方約20 m處，風巷側煤柱兩端的氣體壓差急劇上升，并在工作面前方20 m至100 m區間內保持較高水平。相較之下，工作面后方煤柱兩側的氣體壓差隨距離工作面的增加而先增后減，總體上保持在較低水平。

煤柱在工作面前方氣體壓差較大，而在工作面后方壓差較小的現象，反映了工作面后方煤柱在采動應力作用下承壓破壞，導致氣體滲透能力增強的特征。

3.2.3 采場氣體流速分布

圖12展示了模擬得到的采場氣體流速分布特征。模擬結果表明，工作面的通風風流主要集中在開采工作面區域，而進入采空區的風流量相對較少，且采空區內風速顯著較低。這一模擬結果與現場實際觀測數據基本一致，驗證了模擬的準確性。進一步分析可知，工作面通風風流在通過工作面下隅角和上隅角時，由于流線偏轉現象，導致部分風流進入采空區，進而在這些區域觀測到工作面通風風速降低的現象。

3.2.4 煤柱滲透率分布

為模擬開采過程中區段煤柱滲透率分布情況，在區段煤柱上設置了若干測點，監測范圍覆蓋420 m的開采長度，監測點間隔設定為10 m，且每個監測點距離風巷2.5 m，詳見圖13。

圖14表現了模擬所得到的工作面開采后區段煤柱滲透率的分布特征，其中橫坐標代表監測點的位置坐標，縱坐標代表相應位置的氣體滲透率。

模擬結果表明，在工作面風巷側的區段煤柱中，滲透率的變化經歷了從原始狀態的數值開始，隨后滲透率降低，然后緩慢升高但未超過原始值，接著滲透率迅速上升，之后達到一個平穩階段，最終再次降低的過程。這一滲透率變化規律與煤柱在開采過程中受到的應力作用及其在采動應力影響下的破壞模式相吻合，體現了煤體在經歷彈性變形、塑性變形以及卸載膨脹過程中滲透率的動態響應規律。

3.3 風巷煤柱漏風及自燃風險分析

圖14所示的煤柱滲透率分布模擬結果揭示了煤柱在采動影響后的滲透率變化特征。滲透率的降低表明區段煤柱的漏風封堵性能有所增強。然而，僅依據滲透率的變化特征無法全面表征煤柱的實際漏風狀況。基于式（1），結合上述模擬所得到的煤柱滲透率與壓差分布特征，可進一步推算出區段煤柱的滲流速度。據此，結合模擬結果，可描繪出煤柱滲流風速與工作面位置的關系，匯總得到的煤柱滲流風速分布如圖15所示。

漏風風速對煤柱自燃的影響主要體現在對煤柱周圍氣體的氧濃度與散熱速率的作用，進而影響其氧化特性。現有研究表明，當滲流風速介于0.015 m/s至0.033 m/s之間時，煤自燃風險較高[24]。在此風速范圍之外，煤體自燃的可能性顯著降低。因此，根據模擬結果，試驗工作面在開采過程中，由于煤柱滲流漏風而引發自燃的風險較低。如圖15所示，在試驗工作面前方20 m至100 m的區域以及工作面后方50 m范圍內，煤柱漏風現象較為顯著，這些區域應作為預防漏風誘發自燃的重點監控區域，應對這一區域采取相應措施以降低煤自燃風險。

4 結論

（1）現場測試結果表明，工作面后方16 m范圍內煤柱的滲透率呈現出隨距離工作面增加而增大的趨勢。

（2）模擬研究進一步揭示了工作面開采后風巷側區段煤柱滲透率的變化特征。具體表現為：滲透率在工作面開采初期呈現降低趨勢，隨后逐漸升高，并在經歷一段穩定階段后再次降低。

（3）結合煤柱的滲透率變化與漏風壓差，可以識別出風巷煤柱漏風誘發自燃的高風險區域：一是工作面前方20～100 m范圍內，二是工作面后方約50 m范圍內。

參考文獻：

〔1〕康紅普，張曉，王東攀，等.無煤柱開采圍巖控制技術及應用[J].煤炭學報，2022，47（01）：16-44.

〔2〕康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29（04）：649-664.

〔3〕鄭西貴，姚志剛，張農.掘采全過程沿空掘巷小煤柱應力分布研究[J].采礦與安全工程學報，2012， 29（04）：459-465.

〔4〕侯朝炯，李學華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結構的穩定性原理[J].煤炭學報，2001，26（01）：1-7.

〔5〕王德超，李術才，王琦，等.深部厚煤層綜放沿空掘巷煤柱合理寬度試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（03）：539-548.

〔6〕霍丙杰，黃宇軒，靳京爵，等.沿空掘巷小煤柱滲透率演化規律試驗研究[J].煤炭科學技術，2023，51（07）：278-286.

〔7〕謝和平，周宏偉，劉建鋒，等.不同開采條件下采動力學行為研究[J].煤炭學報，2011，36（07）：1067-1074.

〔8〕王廣榮，薛東杰，郜海蓮，等.煤巖全應力-應變過程中滲透特性的研究[J].煤炭學報，2012，37（01）：107-112.

〔9〕喬重讓，盧少帥，陳國陽.小煤柱應力分布特征及支護控制分析[J].陜西煤炭，2024，43（06）：23-27.

〔10〕余明高，滕飛，褚廷湘，等.淺埋煤層重復采動覆巖裂隙及漏風通道演化模擬研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2018，37（01）：001-007.

〔11〕Xiaoming N， Qifeng J， Yanbin W. The Relationship between Current Ground Stress and Permeability of Coal in Superimposed Zones of Multistage Tectonic Movement[J]. Geofluids，2019，1（01）：1-12.

〔12〕劉超，黃滾，趙宏剛，等.復雜應力路徑下原煤力學與滲透特性試驗[J].巖土力學，2018，39（01）：191-198.

〔13〕Jianwei C， Yuhang W， Yu W， et al. Characterizing Coal Pillar Deformation and Air Leakage Pattern During Longwall Face Mining[J]. Mining Metallurgy amp; Exploration，2022， 39（04）：1487-1500.

〔14〕祝捷，唐俊，王琪，等.受載煤樣滲透率與應變的關聯性研究[J].煤炭學報，2019，44（S2）：566-573.

〔15〕榮騰龍，劉克柳，周宏偉，等.采動應力下深部煤體滲透率演化規律研究[J].巖土工程學報，2022， 44（06）：1106-1114.

〔16〕許江，李波波，周婷，等.加卸載條件下煤巖變形特性與滲透特征的試驗研究[J].煤炭學報，2012， 37（9）：1493-1498.

〔17〕王偉，余金昊，方志明，等.基于體積應變的煤體滲透率模型及影響參數分析[J].煤炭學報，2024， 49（06）：2741-2756.

〔18〕薛熠，高峰，高亞楠，等.采動影響下損傷煤巖體峰后滲透率演化模型研究[J].中國礦業大學學報，2017，46（03）：521-527.

〔19〕Zhao J， Wang X， Bai J， et al. Study on instability mechanisms and control of coal pillar spalling and coal crumbs leakage during working face crossing faults[J]. Scientific Reports，2024，14（01）：26667-26667.

〔20〕Song W， Yu S， Rong H. Study on the mechanism and prevention system of creep induced instability of isolated coal pillars considering time effect[J]. Scientific Reports，2024，14（01）：26270-26270.

〔21〕Dingchao C， Xiangyu W， Feiteng Z， et al. Study on the Mechanism of Progressive Instability of Special Shaped Coal Pillar and the Stability Control of Roadway Under the Infuence of Mining[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2024，57（08）：6461-6483.

〔22〕王路軍，周宏偉，榮騰龍，等.深部煤體采動應力下雙曲函數型滲透率模型[J].煤炭學報，2019，44（03）：942-949.

〔23〕秦汝祥，楊科，劉帥，等.區段煤柱滲透性分析與防火效應研究[J].采礦與安全工程學報，2018，35（03）：629-634.

〔24〕Zhou A， An J， Wang K， et al. Characteristics of low-temperature oxidative heating and gas production in coal storage under forced convection： Influencing factors and mechanisms[J]. Science of the Total Environment，2025， 959178014-178014.

收稿日期：2025-01-15

基金項目：國家自然科學基金（51874007）；煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心開放基金（EC2021019）