霍丙杰，靳京爵，紀(jì)潤(rùn)清

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 遼寧 阜新 123000；2.新疆工程學(xué)院安全科學(xué)與工程學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830023；3.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心 山西 大同 037003）

1 引言

大同礦區(qū)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(qū)的形勢(shì)存在。目前石炭系主采3-5#特厚煤層，煤層采動(dòng)影響空間大，易形成雙系采空區(qū)連通的裂隙場(chǎng)特征，導(dǎo)致侏羅系采空區(qū)有害氣體下泄，且上覆侏羅系多層采空區(qū)中遺留的有害氣體在雙系連通后，流場(chǎng)互擾，致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜。我國(guó)多位專家學(xué)者對(duì)多煤層開采覆巖破壞特征、導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征及地表運(yùn)移特征等進(jìn)行了分析[1-3]，但對(duì)多煤層采空區(qū)有害氣體通過裂隙通道互擾致災(zāi)方面缺少相關(guān)研究。本文針對(duì)大同礦區(qū)雙系采空區(qū)氣體運(yùn)移致災(zāi)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(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度，確定工作面開采后能否與上覆侏羅系采空區(qū)產(chǎn)生連通；基于相似材料模擬實(shí)驗(yàn)確定的雙系連通通道模型，進(jìn)行多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究，確定雙系采空區(qū)連通特征下侏羅系煤層采空區(qū)有害氣體向石炭系采場(chǎng)運(yùn)移條件及致災(zāi)機(jī)理，對(duì)防治侏羅系采空區(qū)有害氣體下泄有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，為一巨厚煤層。同忻礦上覆侏羅系煤層采空區(qū)具有積水分布不明、采空區(qū)火區(qū)發(fā)育復(fù)雜、開采區(qū)域煤柱留設(shè)和覆巖平衡結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，形成了復(fù)雜的開采區(qū)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(qū)首采面，表1 為雙系之間的巖層結(jié)構(gòu)特征。

表1 8207工作面覆巖至侏羅系煤層之間巖層結(jié)構(gòu)特征

3 侏羅系采空區(qū)有害氣體下泄條件分析

侏羅系采空區(qū)中的有害氣體向石炭系下泄主要取決于兩個(gè)條件：一是，石炭系煤層開采導(dǎo)致覆巖頂板斷裂垮落，從而形成與侏羅系采空區(qū)連通的裂隙通道且通道達(dá)到一定寬度；二是，石炭系煤層工作面負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)，使其與上覆侏羅系采空區(qū)流場(chǎng)間形成壓差，導(dǎo)致上覆侏羅系采空區(qū)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(yè)空間和采空區(qū)中。

（1）雙系聯(lián)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(dòng)形成的采動(dòng)裂隙，本文只考慮采動(dòng)活動(dòng)形成的裂隙通道。大同礦區(qū)石炭系煤層覆巖多為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖等的堅(jiān)硬巖層，所以雙系采空區(qū)連通的通道主要以采動(dòng)影響下形成的采動(dòng)裂縫為主。當(dāng)采用全部垮落法控制頂板時(shí)，采空區(qū)覆巖巖層發(fā)生變形和破壞，形成明顯的“三帶”形態(tài)，其中垮落帶和裂縫帶(簡(jiǎn)稱“兩帶”)的總高度是決定石炭系采空區(qū)是否與侏羅系采空區(qū)連通的決定性條件。當(dāng)“兩帶”發(fā)育高度大于或等于雙系之間巖層厚度時(shí)，雙系采空區(qū)就會(huì)連通（圖1）。

圖1 “兩帶”發(fā)育導(dǎo)致雙系采空區(qū)連通

（2）導(dǎo)氣裂隙帶高度分析

1950年代至今，我國(guó)開展了多項(xiàng)水體下采煤的專題性研究，對(duì)于“兩帶”高度的研究，以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為主，結(jié)合模型試驗(yàn)與數(shù)值分析、物理模擬，總結(jié)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(jì)算的經(jīng)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)公式誤差較大，并不適用。

基于關(guān)鍵層和材料力學(xué)相關(guān)理論，通過對(duì)特厚煤層綜放覆巖破壞發(fā)育過程及發(fā)育高度進(jìn)行分析，確定石炭系煤層覆巖導(dǎo)氣裂隙帶高度[4]。

對(duì)于硬巖層采用固支梁力學(xué)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(qiáng)度，N/m2；q為巖層的載荷，N。

對(duì)于軟弱巖層，最大水平拉伸應(yīng)變時(shí)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(yīng)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(shù)。巖層斷裂時(shí)的臨界開采長(zhǎng)度為：

式中，m為煤層頂板至該巖層下部的所有巖層數(shù)；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(chǎng)巖層的前、后垮落角，°。

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

圖2 裂隙帶高度發(fā)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(qū)間共有22 層巖層以堅(jiān)硬的砂巖和礫巖為主。根據(jù)關(guān)鍵層的破斷條件，確定3-5#煤層上覆巖層各個(gè)關(guān)鍵層情況見表2。

表2 關(guān)鍵層判定結(jié)果

由于覆巖以堅(jiān)硬巖層為主，計(jì)算覆巖破壞高度時(shí)，不需考慮軟弱巖層的作用。結(jié)合關(guān)鍵層判定結(jié)果，根據(jù)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(jìn)不同位置時(shí)覆巖破壞的發(fā)育情況（表3）。由表3 可知，工作面推進(jìn)至約45 m 和81 m時(shí)，亞關(guān)鍵層Ⅰ和亞關(guān)鍵層Ⅱ發(fā)生破斷，其上控制的巖層也隨之發(fā)生破壞，斷裂帶發(fā)育高度為61.4 m 和75.65 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至105 m 時(shí)，主關(guān)鍵層發(fā)生破斷覆巖裂隙發(fā)育高度可達(dá)170.9 m左右。

表3 各關(guān)鍵層隨工作面推進(jìn)初次破斷情況

參考3-5#煤層鄰近工作面進(jìn)行的物探技術(shù)分析結(jié)果，確定3-5#煤層平均采厚為15 m，破壞發(fā)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(qū)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(fā)育至侏羅系采空區(qū)，從而確定雙系采空區(qū)間可以連通。

4 有害氣體下泄致災(zāi)特征分析

4.1 模型建立

為研究雙系采空區(qū)有害氣體下泄條件與對(duì)石炭系采場(chǎng)致災(zāi)機(jī)理，分析侏羅系采空區(qū)中有害氣體通過覆巖頂板破斷后形成的裂縫通道氣體運(yùn)移情況，采用COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。以同忻8207工作面開采條件為工程原型，建立數(shù)值模擬的物理模型。雙系流場(chǎng)間導(dǎo)氣裂隙通道依據(jù)相似材料模擬試驗(yàn)獲得的覆巖裂隙發(fā)育特征建立，裂隙發(fā)育特征如圖3所示[5]。

圖3 同忻礦8207工作面堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)覆巖裂隙特征

為了減少軟件運(yùn)行錯(cuò)誤和提高數(shù)值模擬計(jì)算速率，將實(shí)際工作面與裂縫中復(fù)雜的物理情況和不規(guī)則的幾何形狀進(jìn)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(qū)連通通道物理模型

4.2 模型的邊界條件

根據(jù)同忻煤礦抽出式的通風(fēng)特征，整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ幱谪?fù)壓力狀態(tài)。所以，在模擬過程中，將下伏石炭系采場(chǎng)出口設(shè)置為負(fù)壓，而將上覆侏羅系采空區(qū)裂縫入口處設(shè)置為大氣壓強(qiáng)的30%。

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

4.3 模擬結(jié)果分析

設(shè)定侏羅系采空區(qū)有害氣體濃度為100 mol/m3，在石炭系采場(chǎng)處取一點(diǎn)測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示。氣體壓差為400 Pa 時(shí)，不同導(dǎo)氣裂縫寬度石炭系采場(chǎng)測(cè)點(diǎn)處有害氣體濃度特征如圖6所示。

圖5 濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖6 氣體壓差為400 Pa時(shí)石炭系采場(chǎng)有害氣體濃度特征

氣體壓差為800 Pa 時(shí)，不同導(dǎo)氣裂縫寬度石炭系采場(chǎng)測(cè)點(diǎn)處有害氣體濃度特征如圖7所示。

圖7 氣體壓差為800 Pa時(shí)石炭系采場(chǎng)有害氣體濃度特征

根據(jù)相似理論，數(shù)值模擬與實(shí)際情況存在一個(gè)相似比尺CL。基于相似原理，數(shù)值模擬的時(shí)間比尺為：

式中，CL-相似比尺，根據(jù)工程背景幾何尺寸，確定幾何相似比尺為1:100。計(jì)算可得，時(shí)間相似比尺為10，即模擬時(shí)間為2 min，相似等效于實(shí)際時(shí)間20 min。

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

表4 石炭系采場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有害氣體濃度變化特征

5 結(jié)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(qū)有害氣體向石炭系工作空間下泄兩個(gè)條件。

（2）應(yīng)用理論、實(shí)驗(yàn)研究方法，分析了石炭系3-5#煤層開采上覆導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育特征。8207 工作面導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度為170.9 m，而工作面與侏羅系采空區(qū)距148 m～162 m，所以石炭系煤層開采后覆巖裂隙能夠發(fā)育至侏羅系采空區(qū)，導(dǎo)致雙系采空區(qū)間可連通。

（3）基于相似材料模擬實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)獲得的覆巖裂隙發(fā)育特征，建立了數(shù)值模擬的物理模型，在多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)中進(jìn)行了侏羅系采空區(qū)有害氣體下泄特征分析。初步確定雙系采空區(qū)流場(chǎng)間氣壓差大于400 Pa且雙系間主導(dǎo)氣裂縫通道寬度大于0.4 m時(shí)，可致災(zāi)。