大同礦區雙系開采上覆采空區有害氣體下泄條件及致災特征

霍丙杰，靳京爵，紀潤清

（1.遼寧工程技術大學礦業學院 遼寧 阜新 123000；2.新疆工程學院安全科學與工程學院 新疆 烏魯木齊 830023；3.晉能控股煤業集團技術中心 山西 大同 037003）

1 引言

大同礦區主采煤層為侏羅系煤層和石炭二疊系煤層，侏羅系煤層幾近回采完畢，主要以采空區的形勢存在。目前石炭系主采3-5#特厚煤層，煤層采動影響空間大，易形成雙系采空區連通的裂隙場特征，導致侏羅系采空區有害氣體下泄，且上覆侏羅系多層采空區中遺留的有害氣體在雙系連通后，流場互擾，致災機理復雜。我國多位專家學者對多煤層開采覆巖破壞特征、導水裂隙發育特征及地表運移特征等進行了分析[1-3]，但對多煤層采空區有害氣體通過裂隙通道互擾致災方面缺少相關研究。本文針對大同礦區雙系采空區氣體運移致災問題，基于石炭系煤層開采特征，分析3-5#煤層8207工作面開采上覆導氣裂隙帶發育高度，確定工作面開采后能否與上覆侏羅系采空區產生連通；基于相似材料模擬實驗確定的雙系連通通道模型，進行多場耦合數值模擬研究，確定雙系采空區連通特征下侏羅系煤層采空區有害氣體向石炭系采場運移條件及致災機理，對防治侏羅系采空區有害氣體下泄有重要的理論意義和應用價值。

2 工程概況

同忻礦目前主采石炭系3-5#煤層，煤層全層總厚0 m～35.31 m，平均13.67 m。煤層結構復雜，為一巨厚煤層。同忻礦上覆侏羅系煤層采空區具有積水分布不明、采空區火區發育復雜、開采區域煤柱留設和覆巖平衡結構復雜等特征，形成了復雜的開采區域，為下覆石炭系煤層的安全開采帶來了較大隱患。其中8207工作面為3-5#煤層二盤區首采面，表1 為雙系之間的巖層結構特征。

表1 8207工作面覆巖至侏羅系煤層之間巖層結構特征

3 侏羅系采空區有害氣體下泄條件分析

侏羅系采空區中的有害氣體向石炭系下泄主要取決于兩個條件：一是，石炭系煤層開采導致覆巖頂板斷裂垮落，從而形成與侏羅系采空區連通的裂隙通道且通道達到一定寬度；二是，石炭系煤層工作面負壓通風系統，使其與上覆侏羅系采空區流場間形成壓差，導致上覆侏羅系采空區CH4、CO等有害氣體通過雙系連通通道涌入到石炭系開采作業空間和采空區中。

（1）雙系聯通特征分析

雙系連通通道主要指天然形成的裂隙通道和開采活動形成的采動裂隙，本文只考慮采動活動形成的裂隙通道。大同礦區石炭系煤層覆巖多為細粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖等的堅硬巖層，所以雙系采空區連通的通道主要以采動影響下形成的采動裂縫為主。當采用全部垮落法控制頂板時，采空區覆巖巖層發生變形和破壞，形成明顯的“三帶”形態，其中垮落帶和裂縫帶(簡稱“兩帶”)的總高度是決定石炭系采空區是否與侏羅系采空區連通的決定性條件。當“兩帶”發育高度大于或等于雙系之間巖層厚度時，雙系采空區就會連通（圖1）。

圖1 “兩帶”發育導致雙系采空區連通

（2）導氣裂隙帶高度分析

1950年代至今，我國開展了多項水體下采煤的專題性研究，對于“兩帶”高度的研究，以現場觀測為主，結合模型試驗與數值分析、物理模擬，總結了用于煤層總厚度不超過15 m 的分層綜采和普采的覆巖“兩帶”高度計算的經驗公式。但是石炭系3-5#煤層為特厚煤層，厚度14.37 m～22.91 m，平均厚度18.86 m。經驗公式誤差較大，并不適用。

基于關鍵層和材料力學相關理論，通過對特厚煤層綜放覆巖破壞發育過程及發育高度進行分析，確定石炭系煤層覆巖導氣裂隙帶高度[4]。

對于硬巖層采用固支梁力學模型估算其極限垮距，即：

式中，h為巖層厚度，m；σt為巖層極限抗拉強度，N/m2；q為巖層的載荷，N。

對于軟弱巖層，最大水平拉伸應變時的極限跨距為：

式中，E為巖層的彈性模量，MPa；εmax為巖層的最大水平拉伸應變。

軟弱巖層的最大撓度為：

式中，I為截面慣性矩，m4。

巖層下部自由空間高度為：

式中，Δi為第i層巖層下的自由空間高度，m；hj為第j層巖層的厚度，m；kj為第j層巖層的殘余碎脹系數。巖層斷裂時的臨界開采長度為：

式中，m為煤層頂板至該巖層下部的所有巖層數；hi為第i層巖層的厚度，m；l為該巖層的極限斷垮距，m；φq，φh分別為采場巖層的前、后垮落角，°。

斷裂帶的發育受到關鍵層的抗拉強度、軟弱層的抗應變能力、巖層下部的自由空間和工作面的推進距離等因素共同影響?？梢酝ㄟ^關鍵層和軟巖的破斷與其下部自由空間的高度關系判斷裂隙帶的發育情況。裂隙帶高度發育特征判斷流程如圖2所示。

圖2 裂隙帶高度發育特征判斷流程

石炭系3-5#煤層8207 工作面至侏羅系采空區間共有22 層巖層以堅硬的砂巖和礫巖為主。根據關鍵層的破斷條件，確定3-5#煤層上覆巖層各個關鍵層情況見表2。

表2 關鍵層判定結果

由于覆巖以堅硬巖層為主，計算覆巖破壞高度時，不需考慮軟弱巖層的作用。結合關鍵層判定結果，根據覆巖破壞高度判定流程（圖2）以及判定公式（1）～（5），可以確定工作面推進不同位置時覆巖破壞的發育情況（表3）。由表3 可知，工作面推進至約45 m 和81 m時，亞關鍵層Ⅰ和亞關鍵層Ⅱ發生破斷，其上控制的巖層也隨之發生破壞，斷裂帶發育高度為61.4 m 和75.65 m。當工作面推進至105 m 時，主關鍵層發生破斷覆巖裂隙發育高度可達170.9 m左右。

表3 各關鍵層隨工作面推進初次破斷情況

參考3-5#煤層鄰近工作面進行的物探技術分析結果，確定3-5#煤層平均采厚為15 m，破壞發育高度為采厚的10.0倍～11.5倍。而8207工作面與侏羅系采空區距148 m～162 m，小于確定的覆巖破壞高度170.9 m，所以石炭系煤層開采后覆巖裂隙能夠發育至侏羅系采空區，從而確定雙系采空區間可以連通。

4 有害氣體下泄致災特征分析

4.1 模型建立

為研究雙系采空區有害氣體下泄條件與對石炭系采場致災機理，分析侏羅系采空區中有害氣體通過覆巖頂板破斷后形成的裂縫通道氣體運移情況，采用COMSOL Multiphysics 軟件進行數值模擬研究。以同忻8207工作面開采條件為工程原型，建立數值模擬的物理模型。雙系流場間導氣裂隙通道依據相似材料模擬試驗獲得的覆巖裂隙發育特征建立，裂隙發育特征如圖3所示[5]。

圖3 同忻礦8207工作面堅硬巖層失穩覆巖裂隙特征

為了減少軟件運行錯誤和提高數值模擬計算速率，將實際工作面與裂縫中復雜的物理情況和不規則的幾何形狀進行了圓滑處理。物理模型的幾何尺寸為454 m×216 m，建立物理模型如圖4所示。

圖4 雙系煤層采空區連通通道物理模型

4.2 模型的邊界條件

根據同忻煤礦抽出式的通風特征，整個礦井通風系統低于當地大氣壓力，處于負壓力狀態。所以，在模擬過程中，將下伏石炭系采場出口設置為負壓，而將上覆侏羅系采空區裂縫入口處設置為大氣壓強的30%。

考慮到煤巖體中擴散的有害氣體擴散速度較小，相對于裂縫通道中的氣體流場速度而言，影響較小，所以設置裂縫通道中除了入口和出口，其余邊界設置為無通量。

4.3 模擬結果分析

設定侏羅系采空區有害氣體濃度為100 mol/m3，在石炭系采場處取一點測點，如圖5 所示。氣體壓差為400 Pa 時，不同導氣裂縫寬度石炭系采場測點處有害氣體濃度特征如圖6所示。

圖5 濃度監測點位置

圖6 氣體壓差為400 Pa時石炭系采場有害氣體濃度特征

氣體壓差為800 Pa 時，不同導氣裂縫寬度石炭系采場測點處有害氣體濃度特征如圖7所示。

圖7 氣體壓差為800 Pa時石炭系采場有害氣體濃度特征

根據相似理論，數值模擬與實際情況存在一個相似比尺CL?；谙嗨圃?，數值模擬的時間比尺為：

式中，CL-相似比尺，根據工程背景幾何尺寸，確定幾何相似比尺為1:100。計算可得，時間相似比尺為10，即模擬時間為2 min，相似等效于實際時間20 min。

由圖6和圖7可知，在雙系采空區連通通道形成后的2 min（實際情況下的20 min）后，不同裂縫寬度石炭系采場有害氣體濃度場特征見表4。

表4 石炭系采場監測點有害氣體濃度變化特征

5 結語

（1）基于石炭系煤層開采條件特征，確定侏羅系煤層采空區有害氣體向石炭系工作空間下泄兩個條件。

（2）應用理論、實驗研究方法，分析了石炭系3-5#煤層開采上覆導氣裂隙帶發育特征。8207 工作面導氣裂隙帶發育高度為170.9 m，而工作面與侏羅系采空區距148 m～162 m，所以石炭系煤層開采后覆巖裂隙能夠發育至侏羅系采空區，導致雙系采空區間可連通。

（3）基于相似材料模擬實驗試驗獲得的覆巖裂隙發育特征，建立了數值模擬的物理模型，在多場耦合數值模擬系統中進行了侏羅系采空區有害氣體下泄特征分析。初步確定雙系采空區流場間氣壓差大于400 Pa且雙系間主導氣裂縫通道寬度大于0.4 m時，可致災。