大同矿区双系开采上覆采空区有害气体下泄条件及致灾特征

霍丙杰，靳京爵，纪润清

（1.辽宁工程技术大学矿业学院 辽宁 阜新 123000；2.新疆工程学院安全科学与工程学院 新疆 乌鲁木齐 830023；3.晋能控股煤业集团技术中心 山西 大同 037003）

1 引言

大同矿区主采煤层为侏罗系煤层和石炭二叠系煤层，侏罗系煤层几近回采完毕，主要以采空区的形势存在。目前石炭系主采3-5#特厚煤层，煤层采动影响空间大，易形成双系采空区连通的裂隙场特征，导致侏罗系采空区有害气体下泄，且上覆侏罗系多层采空区中遗留的有害气体在双系连通后，流场互扰，致灾机理复杂。我国多位专家学者对多煤层开采覆岩破坏特征、导水裂隙发育特征及地表运移特征等进行了分析[1-3]，但对多煤层采空区有害气体通过裂隙通道互扰致灾方面缺少相关研究。本文针对大同矿区双系采空区气体运移致灾问题，基于石炭系煤层开采特征，分析3-5#煤层8207工作面开采上覆导气裂隙带发育高度，确定工作面开采后能否与上覆侏罗系采空区产生连通；基于相似材料模拟实验确定的双系连通通道模型，进行多场耦合数值模拟研究，确定双系采空区连通特征下侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系采场运移条件及致灾机理，对防治侏罗系采空区有害气体下泄有重要的理论意义和应用价值。

2 工程概况

同忻矿目前主采石炭系3-5#煤层，煤层全层总厚0 m～35.31 m，平均13.67 m。煤层结构复杂，为一巨厚煤层。同忻矿上覆侏罗系煤层采空区具有积水分布不明、采空区火区发育复杂、开采区域煤柱留设和覆岩平衡结构复杂等特征，形成了复杂的开采区域，为下覆石炭系煤层的安全开采带来了较大隐患。其中8207工作面为3-5#煤层二盘区首采面，表1 为双系之间的岩层结构特征。

表1 8207工作面覆岩至侏罗系煤层之间岩层结构特征

3 侏罗系采空区有害气体下泄条件分析

侏罗系采空区中的有害气体向石炭系下泄主要取决于两个条件：一是，石炭系煤层开采导致覆岩顶板断裂垮落，从而形成与侏罗系采空区连通的裂隙通道且通道达到一定宽度；二是，石炭系煤层工作面负压通风系统，使其与上覆侏罗系采空区流场间形成压差，导致上覆侏罗系采空区CH4、CO等有害气体通过双系连通通道涌入到石炭系开采作业空间和采空区中。

（1）双系联通特征分析

双系连通通道主要指天然形成的裂隙通道和开采活动形成的采动裂隙，本文只考虑采动活动形成的裂隙通道。大同矿区石炭系煤层覆岩多为细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩等的坚硬岩层，所以双系采空区连通的通道主要以采动影响下形成的采动裂缝为主。当采用全部垮落法控制顶板时，采空区覆岩岩层发生变形和破坏，形成明显的“三带”形态，其中垮落带和裂缝带(简称“两带”)的总高度是决定石炭系采空区是否与侏罗系采空区连通的决定性条件。当“两带”发育高度大于或等于双系之间岩层厚度时，双系采空区就会连通（图1）。

图1 “两带”发育导致双系采空区连通

（2）导气裂隙带高度分析

1950年代至今，我国开展了多项水体下采煤的专题性研究，对于“两带”高度的研究，以现场观测为主，结合模型试验与数值分析、物理模拟，总结了用于煤层总厚度不超过15 m 的分层综采和普采的覆岩“两带”高度计算的经验公式。但是石炭系3-5#煤层为特厚煤层，厚度14.37 m～22.91 m，平均厚度18.86 m。经验公式误差较大，并不适用。

基于关键层和材料力学相关理论，通过对特厚煤层综放覆岩破坏发育过程及发育高度进行分析，确定石炭系煤层覆岩导气裂隙带高度[4]。

对于硬岩层采用固支梁力学模型估算其极限垮距，即：

式中，h为岩层厚度，m；σt为岩层极限抗拉强度，N/m2；q为岩层的载荷，N。

对于软弱岩层，最大水平拉伸应变时的极限跨距为：

式中，E为岩层的弹性模量，MPa；εmax为岩层的最大水平拉伸应变。

软弱岩层的最大挠度为：

式中，I为截面惯性矩，m4。

岩层下部自由空间高度为：

式中，Δi为第i层岩层下的自由空间高度，m；hj为第j层岩层的厚度，m；kj为第j层岩层的残余碎胀系数。岩层断裂时的临界开采长度为：

式中，m为煤层顶板至该岩层下部的所有岩层数；hi为第i层岩层的厚度，m；l为该岩层的极限断垮距，m；φq，φh分别为采场岩层的前、后垮落角，°。

断裂带的发育受到关键层的抗拉强度、软弱层的抗应变能力、岩层下部的自由空间和工作面的推进距离等因素共同影响。可以通过关键层和软岩的破断与其下部自由空间的高度关系判断裂隙带的发育情况。裂隙带高度发育特征判断流程如图2所示。

图2 裂隙带高度发育特征判断流程

石炭系3-5#煤层8207 工作面至侏罗系采空区间共有22 层岩层以坚硬的砂岩和砾岩为主。根据关键层的破断条件，确定3-5#煤层上覆岩层各个关键层情况见表2。

表2 关键层判定结果

由于覆岩以坚硬岩层为主，计算覆岩破坏高度时，不需考虑软弱岩层的作用。结合关键层判定结果，根据覆岩破坏高度判定流程（图2）以及判定公式（1）～（5），可以确定工作面推进不同位置时覆岩破坏的发育情况（表3）。由表3 可知，工作面推进至约45 m 和81 m时，亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ发生破断，其上控制的岩层也随之发生破坏，断裂带发育高度为61.4 m 和75.65 m。当工作面推进至105 m 时，主关键层发生破断覆岩裂隙发育高度可达170.9 m左右。

表3 各关键层随工作面推进初次破断情况

参考3-5#煤层邻近工作面进行的物探技术分析结果，确定3-5#煤层平均采厚为15 m，破坏发育高度为采厚的10.0倍～11.5倍。而8207工作面与侏罗系采空区距148 m～162 m，小于确定的覆岩破坏高度170.9 m，所以石炭系煤层开采后覆岩裂隙能够发育至侏罗系采空区，从而确定双系采空区间可以连通。

4 有害气体下泄致灾特征分析

4.1 模型建立

为研究双系采空区有害气体下泄条件与对石炭系采场致灾机理，分析侏罗系采空区中有害气体通过覆岩顶板破断后形成的裂缝通道气体运移情况，采用COMSOL Multiphysics 软件进行数值模拟研究。以同忻8207工作面开采条件为工程原型，建立数值模拟的物理模型。双系流场间导气裂隙通道依据相似材料模拟试验获得的覆岩裂隙发育特征建立，裂隙发育特征如图3所示[5]。

图3 同忻矿8207工作面坚硬岩层失稳覆岩裂隙特征

为了减少软件运行错误和提高数值模拟计算速率，将实际工作面与裂缝中复杂的物理情况和不规则的几何形状进行了圆滑处理。物理模型的几何尺寸为454 m×216 m，建立物理模型如图4所示。

图4 双系煤层采空区连通通道物理模型

4.2 模型的边界条件

根据同忻煤矿抽出式的通风特征，整个矿井通风系统低于当地大气压力，处于负压力状态。所以，在模拟过程中，将下伏石炭系采场出口设置为负压，而将上覆侏罗系采空区裂缝入口处设置为大气压强的30%。

考虑到煤岩体中扩散的有害气体扩散速度较小，相对于裂缝通道中的气体流场速度而言，影响较小，所以设置裂缝通道中除了入口和出口，其余边界设置为无通量。

4.3 模拟结果分析

设定侏罗系采空区有害气体浓度为100 mol/m3，在石炭系采场处取一点测点，如图5 所示。气体压差为400 Pa 时，不同导气裂缝宽度石炭系采场测点处有害气体浓度特征如图6所示。

图5 浓度监测点位置

图6 气体压差为400 Pa时石炭系采场有害气体浓度特征

气体压差为800 Pa 时，不同导气裂缝宽度石炭系采场测点处有害气体浓度特征如图7所示。

图7 气体压差为800 Pa时石炭系采场有害气体浓度特征

根据相似理论，数值模拟与实际情况存在一个相似比尺CL。基于相似原理，数值模拟的时间比尺为：

式中，CL-相似比尺，根据工程背景几何尺寸，确定几何相似比尺为1:100。计算可得，时间相似比尺为10，即模拟时间为2 min，相似等效于实际时间20 min。

由图6和图7可知，在双系采空区连通通道形成后的2 min（实际情况下的20 min）后，不同裂缝宽度石炭系采场有害气体浓度场特征见表4。

表4 石炭系采场监测点有害气体浓度变化特征

5 结语

（1）基于石炭系煤层开采条件特征，确定侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系工作空间下泄两个条件。

（2）应用理论、实验研究方法，分析了石炭系3-5#煤层开采上覆导气裂隙带发育特征。8207 工作面导气裂隙带发育高度为170.9 m，而工作面与侏罗系采空区距148 m～162 m，所以石炭系煤层开采后覆岩裂隙能够发育至侏罗系采空区，导致双系采空区间可连通。

（3）基于相似材料模拟实验试验获得的覆岩裂隙发育特征，建立了数值模拟的物理模型，在多场耦合数值模拟系统中进行了侏罗系采空区有害气体下泄特征分析。初步确定双系采空区流场间气压差大于400 Pa且双系间主导气裂缝通道宽度大于0.4 m时，可致灾。