劉清洲，張 杰，趙加才，宋守亞，王高云，董 博

(1.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

神府礦區(qū)工作面所在大部分區(qū)域煤層埋藏較淺，基巖較薄，煤層距離地表只有幾十米，基巖以上為較厚的弱強(qiáng)度覆蓋層。工作面開采時兩帶發(fā)育裂隙將導(dǎo)通覆蓋層并直接發(fā)育至地表，成為誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)及遺煤自燃的主要通道，嚴(yán)重影響工作面的安全開采。因此，非常有必要對此條件下裂縫發(fā)育特征對采空區(qū)漏風(fēng)影響進(jìn)行研究。在淺埋煤層覆巖采動裂縫方面，黃慶享，侯忠杰等通過對頂板穩(wěn)定性及垮落形態(tài)的研究，為覆巖破斷位置的確定給出了理論依據(jù)[1，2]。王鵬等通過對韓家灣煤礦覆巖移動變形的研究，給出了采空區(qū)沉陷裂縫的分布形態(tài)及主要影響因素[3]。范鋼偉等通過對單一關(guān)鍵層淺埋煤層“兩帶”發(fā)育演化過程的研究，將其分為發(fā)展期、貫通期及壓實(shí)閉合期[4]。劉輝，胡振琪等通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析了神東礦區(qū)地裂縫的動態(tài)發(fā)育規(guī)律，并建立了相應(yīng)函數(shù)關(guān)系[5，6]。侯恩科等通過現(xiàn)場實(shí)測，對地表采動裂縫張開量及動態(tài)變化時間進(jìn)行了確定[7]。徐智敏等針對西部礦區(qū)基本特征，對頂板采動裂隙發(fā)育高度與形態(tài)演化特征進(jìn)行了研究[8]。在淺埋煤層覆巖采動裂縫漏風(fēng)及遺煤自燃防治方面，李迎春，張海峰，王建文等應(yīng)用示蹤氣體技術(shù)對工作面采空區(qū)漏風(fēng)通道進(jìn)行了測定，表明塌陷裂縫是采空區(qū)主要的漏風(fēng)通道[9-11]。徐會年等利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，對陽灣溝煤礦采空區(qū)流場與氧濃度等參數(shù)的變化情況研究，并提出了相應(yīng)的防治措施[12]。許延輝，褚廷湘，曹凱等以降溫控氧的煤火災(zāi)害治理思想，提出灌漿、注氮及阻化技術(shù)防治遺煤自燃的安全開采保障技術(shù)，并對自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了判定[13-15]。

綜上所述，關(guān)于淺埋煤層覆巖采動裂縫發(fā)育特征及遺煤自燃防治方面已做了大量研究，但對于此條件下裂縫發(fā)育特征對采空區(qū)漏風(fēng)影響的研究目前較少。因此，本文基于采動裂縫發(fā)育特征與流體力學(xué)理論，針對安山煤礦5-2煤開采工作面采動裂縫發(fā)育特征對采空區(qū)漏風(fēng)的影響進(jìn)行了研究。

1 礦井概況

安山煤礦目前主采煤層為5-2煤，屬薄基巖厚覆蓋層賦存條件，且植被稀疏。125203和125205工作面回采范圍內(nèi)煤層水平標(biāo)高為+1165m，地面標(biāo)高為+1191～+1304m，平均煤厚2.3m，傾角小于1°，工作面寬度為270.5m，采用走向長壁開采，全部垮落法處理頂板，推進(jìn)速度為14m/d左右?；夭煞秶鷥?nèi)構(gòu)造簡單，頂板巖性大致平穩(wěn)。采用負(fù)壓通風(fēng)，工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為U型通風(fēng)，工作面正常生產(chǎn)期間配風(fēng)量為1000m3/min，壓力差值為800Pa。5-2煤屬自燃～易自燃煤層，最短自燃發(fā)火期為38d。地溫正常，無熱害。

2 覆巖采動裂縫發(fā)育特征

工作面周期來壓步距對于淺埋煤層覆巖采動裂縫的動態(tài)發(fā)育及分布具有決定作用，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)準(zhǔn)確地捕捉周期來壓步距。因此，本文利用調(diào)度室監(jiān)測中心在125203工作面布置安裝的15臺KGKJ216煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)壓力分機(jī)(1#—158#支架每隔10架安裝一部)對工作面液壓支架支護(hù)阻力變化進(jìn)行了13d(2018年9月8日—2018年9月20日)監(jiān)測，工作面來壓特征監(jiān)測曲線如圖1所示。

圖1 工作面來壓特征監(jiān)測曲線

現(xiàn)場觀測表明，安山煤礦淺埋煤層工作面開采過程中，地表貫通型采動裂縫隨基巖承載層破斷呈周期性展布特征，且裂縫間距與周期來壓步距基本相等，來壓步距平均為14m，支架最大工作阻力為22MPa，平均工作阻力為16MPa，動壓系數(shù)為1.3左右。工作面來壓后，其上方地表附近在來壓前形成的臨時性張開型覆巖采動裂縫逐漸演化成張開量較小或閉合型的覆巖采動裂縫?；鶐r承載層周期性失穩(wěn)運(yùn)動后形成了地表裂縫，覆巖采動裂縫發(fā)育特征如圖2所示。

3 工作面漏風(fēng)特征實(shí)測分析

本次對淺埋煤層開采工作面漏風(fēng)特征分析時，擬采用SF6檢測便攜儀和風(fēng)表分別對工作面單條裂縫漏風(fēng)特征及總的漏風(fēng)量進(jìn)行測試，從而說明裂縫發(fā)育對生產(chǎn)的影響。

3.1 示蹤氣體測試分析

3.1.1 測試方案

安山煤礦125203工作面采空區(qū)形成的貫通型采動裂縫在礦井負(fù)壓通風(fēng)下，地面為漏風(fēng)源，井下工作面為漏風(fēng)匯，新鮮空氣將通過覆巖采動裂縫流入采空區(qū)及工作面，最后匯入到回風(fēng)巷。因此，本文擬采用SF6示蹤氣體對125203工作面漏風(fēng)情況進(jìn)行測試，用覆巖采動裂縫漏氣性的分析，來評價覆巖漏風(fēng)通道的發(fā)育情況。

根據(jù)試驗(yàn)工作面實(shí)際開采情況，找出工作面上方最可能為漏風(fēng)源的地表裂縫釋放SF6示蹤氣體，同時利用SF6檢測便攜儀分別對回風(fēng)巷內(nèi)距工作面10m處和工作面內(nèi)的SF6氣體進(jìn)行持續(xù)檢測。釋放點(diǎn)與工作面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 釋放點(diǎn)與工作面位置關(guān)系

3.1.2 測試結(jié)果分析

地表漏風(fēng)測試分析見表1。由表1可知：

表1 地表漏風(fēng)測試分析

1)距回風(fēng)巷越近，SF6被檢測到的濃度越大，時間越早，且持續(xù)時間越長。因此，在礦井負(fù)壓通風(fēng)條件下，工作面回風(fēng)巷附近采空區(qū)漏風(fēng)量較大，從而很容易造成回風(fēng)巷附近采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

2)覆巖采動裂隙與工作面煤壁間距離較近，且最近距離為1m，進(jìn)一步說明淺埋煤層開采工作面上方覆巖在煤壁附近發(fā)生破斷。釋放點(diǎn)至檢測點(diǎn)的最短運(yùn)移路線長度約等于87.5m，釋放的SF6氣體6min后被檢測到，因此，最大漏風(fēng)速度約為0.24m/s，表明氣體在漏風(fēng)通道內(nèi)的運(yùn)移速度較快。

3.2 工作面漏風(fēng)量測試

3.2.1 測試方案

本次采用CFJ10型風(fēng)速表對不同推進(jìn)速度下的125203和125205工作面回采巷道的風(fēng)速進(jìn)行了測試；采用鋼尺對巷道斷面進(jìn)行了測量。工作面風(fēng)量監(jiān)測巷道包括4條，其中，供風(fēng)量監(jiān)測巷道分別為125203運(yùn)輸巷和125205運(yùn)輸巷，回風(fēng)量監(jiān)測巷道分別為125203回風(fēng)巷和125205回風(fēng)巷。通過直接測試法所得各巷道的平均風(fēng)速及凈斷面面積后，最終求得各工作面漏風(fēng)量。

3.2.2 測試結(jié)果分析

工作面漏風(fēng)量測試結(jié)果見表2。由表2可以看出，125203工作面漏風(fēng)量為11.39m3/s，漏風(fēng)率為108.4%；125205工作面漏風(fēng)量為4.12m3/s，漏風(fēng)率為27.8%；125203工作面與125205工作面漏風(fēng)量的比值為2.76。

表2 工作面漏風(fēng)量測試

結(jié)合生產(chǎn)工作面推進(jìn)速度可知，125203工作面處于末采階段，受工作面緩慢推進(jìn)速度的影響，其附近所形成的覆巖采動裂縫從張開型向閉合型演化過程所需時間較長，因而漏風(fēng)強(qiáng)度較大；而125205工作面為正?；夭呻A段，工作面推進(jìn)速度較快，其附近所形成的覆巖采動裂縫從張開型向閉合型演化過程所需時間較短，因而漏風(fēng)強(qiáng)度較小。說明工作面推進(jìn)速度對其漏風(fēng)量的大小有著重要影響，工作面緩慢推進(jìn)會使覆巖采動裂縫的漏氣性增強(qiáng)，嚴(yán)重時引起煤層自燃和涌水潰沙，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理加快工作面推進(jìn)速度，保障工作面安全開采。

4 覆巖采動裂縫發(fā)育尺度對漏風(fēng)的影響

由前文研究可知，安山煤礦5-2煤工作面采空區(qū)基巖承載層周期性失穩(wěn)運(yùn)動后形成了貫通型覆巖采動裂縫，如圖2所示。在礦井負(fù)壓通風(fēng)條件下，地表空氣沿漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)，此范圍內(nèi)覆巖采動裂縫的發(fā)育尺度影響著其內(nèi)空氣的流動阻力，對裂縫內(nèi)空氣的流動起控制作用。因此，本節(jié)將基于覆巖采動裂縫發(fā)育尺度，采用流體力學(xué)相關(guān)知識，對貫通型覆巖采動裂縫的漏氣性進(jìn)行研究。

貫通型覆巖采動裂縫內(nèi)空氣的流速及流量與其發(fā)育尺度之間的關(guān)系如下[16]：

圖4 流速隨裂縫張開量及壓差的變化規(guī)律

圖5 漏風(fēng)量隨裂縫發(fā)育尺度的變化規(guī)律

現(xiàn)場觀測表明，安山煤礦5-2煤工作面開采時，貫通型覆巖采動裂縫的產(chǎn)生伴隨著整個開采過程。在125205工作面正常開采過程中，工作面漏風(fēng)量為4.12m3/s，貫通發(fā)展區(qū)裂縫張開量平均為0.3m，埋深平均為70m，裂縫間距為平均周期來壓步距14m，經(jīng)計(jì)算，沿工作面走向方向，采空區(qū)覆巖采動裂縫的貫通發(fā)展區(qū)范圍為210m，此范圍內(nèi)采空區(qū)遺煤容易受自然氧化的影響而發(fā)生自燃現(xiàn)象，工作面應(yīng)在該煤層的最短自然發(fā)火期內(nèi)推過此范圍，來保障采空區(qū)遺煤不發(fā)生自燃。

5 結(jié) 論

1)現(xiàn)場觀測表明，安山煤礦工作面開采過程中，覆巖采動裂縫隨基巖承載層破斷呈周期性展布特征，且裂縫間距與周期來壓步距近似相等，來壓步距平均為14m。工作面來壓后，其上方地表附近在來壓前形成的臨時性張開型覆巖采動裂縫逐漸演化成張開量較小或閉合型的覆巖采動裂縫。

2)工作面漏風(fēng)實(shí)測表明，距回風(fēng)巷越近，SF6被檢測到的濃度越大，時間越早，且持續(xù)時間越長，在礦井負(fù)壓通風(fēng)條件下，工作面回風(fēng)巷附近采空區(qū)漏風(fēng)量較大，此范圍容易造成遺煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生；且工作面推進(jìn)速度對采空區(qū)漏風(fēng)量的大小有著重要影響，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理加快工作面推進(jìn)速度。

3)覆巖采動裂縫導(dǎo)氣性研究表明，隨著井上下壓力差的減小，覆巖采動裂縫內(nèi)空氣的平均流速逐漸減?。桓矌r采動裂縫張開量小于0.4m時，其對漏風(fēng)量變化的影響不大。沿工作面走向方向，采空區(qū)覆巖采動裂縫的貫通發(fā)展區(qū)范圍為210m，工作面應(yīng)在該煤層的最短自然發(fā)火期內(nèi)推過此范圍，以保障采空區(qū)遺煤不發(fā)生自燃。