浅埋煤层开采采空区漏风规律分析及治理研究

张岱岳，艾子博，李 鹏

(1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011； 2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；3.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315)

神东矿区煤层处于CO2—N2瓦斯风化带，变质程度低，在采煤过程中，煤体破碎，采空区遗煤析出CO2和N2[1-3]。同时,易自燃煤层吸氧量大，采空区遗煤在蓄热良好的环境条件下发生低温氧化，会吸附和消耗氧气，形成高氮低氧环境[4-7]。另外，受地表漏风、层间漏风及地面大气压波动等因素的影响[8-9]，采空区内低氧气体涌入回采工作面，降低了工作面上隅角氧气浓度，会对工作人员安全产生威胁[10-12]。

充分掌握采空区气体的运移规律，可为工作面低氧治理提供指导。针对采空区气体的运移规律，大多数学者采用数值模拟、实验分析及现场实测等方法进行了一系列研究[13-17]，但是针对浅埋深煤层群开采导致地表产生裂隙、形成漏风通道条件下的采空区气体运移规律的研究较少。为此，笔者在上湾煤矿22104工作面开展试验，采用释放示踪气体技术确定地表漏风速度;根据现场实际参数进行建模，对地表有无漏风2种情况下的采空区立体空间内气体运移规律进行分析;在此基础上采取局部均压通风措施，解决采空区气体异常涌出导致回风隅角低氧的问题，对实施均压通风前后工作面氧气数据进行分析，验证该措施对低氧治理的有效性，为神东矿区低氧治理提供技术指导。

1 地表漏风测定

1.1 工程背景

上湾煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗。22104工作面位于22煤第一盘区的第4个面，东侧为22煤大巷，南侧、北侧为未开采区域，西侧是原上湾井田边界，工作面上方为12煤采空区。12煤与22煤层间距为33～42 m，平均约38 m，最薄处在22104开切眼回风侧附近。22104工作面倾向长330.9 m，走向长4 132.6 m，煤层平均厚6.32 m，设计采高6.5 m，煤层倾角1°～5°，采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法。22104工作面层位立体示意图如图1所示。

图1 22104工作面层位立体示意图

对回风隅角气体进行采样分析，运用气相色谱分析确定涌出气体主要成分，气体采样分析结果如表1所示。由分析数据可判定工作面低氧现象为氮气占比偏高导致。

表1 采空区涌出气体分析结果

1.2 漏风测试

上湾煤矿22104综采工作面在重复采动影响下，上下煤层可能垮落连通，形成直达地表的裂隙。为验证22104工作面采空区与上覆12煤采空区、地表之间存在漏风通道，开展SF6示踪气体测定漏风通道的试验，并根据监测得到的SF6到达时间，计算地表漏风速度。采用恒量连续释放SF6示踪气体方法，分别在地表进风侧(F1)和回风侧(F2)裂隙插入SF6气体释放钢管，使用SF6释放器通过软管释放SF6气体，流量为100 L/min，持续时间20 min，如图2所示。记录释放开始和结束时间，结果见表2。

图2 SF6现场释放布置图

表2 SF6气体示踪测试数据

测试结果表明，随着22104工作面的推进，采空区至地表形成漏风通道，漏风流速大约0.5 m/s。验证了22104采空区—12煤层采空区—地表漏风通道的存在，确定了漏风速度，为采空区漏风流场及气体运移规律的模拟提供参数。

2 采空区气体运移规律模拟

2.1 采空区模型建立

根据上湾煤矿地质条件和22104工作面开采参数进行三维建模，分为存在地表裂隙和无裂隙2种情况：

1)将采空区设置为多孔介质区域，包括将采空区与工作面交界面设置为流体内部边界，其他面都近似地视为绝流边界。对模型边界条件、采空区渗透系数、孔隙率及气体源项的设定通过Fluent中的用户自定义函数(UDF函数)进行。

2)设置多条地表与井下采空区连通的裂隙，裂隙宽度设置为现场实测值(10～20 cm)，裂隙之间宽度设置为工作面周期来压长度(10～20 m)。

3)根据现场实际条件和流场基本假设，模型设置进口为22104进风巷和地表裂隙进风，进风巷入口平均风速为1.2 m/s，根据地表漏风测定确定地表裂隙进风风速为0.5 m/s，自由出口为22104回风巷道。

采空区物理模型如图3所示。

图3 采空区物理模型

2.2 采空区瓦斯质量源项确定

通过煤层瓦斯基础参数测定分析，确定原始煤层中的氮气及其他低氧气体的涌入是造成采空区氧气浓度低的主要原因。因此依据模型建立时的假设，本次Fluent模拟瓦斯涌出源只考虑氮气。根据工作面实际情况及数值模拟可知，22104工作面采空区氮气涌出源主要为采空区遗煤和煤壁落煤，因此将模型22煤采空区和12煤采空区松散煤体作为气体涌出源。

3 模拟结果与分析

3.1 地表无漏风条件下采空区气体运移规律数值模拟

1)在地表无漏风情况下，22104采空区松散煤体内气体渗流方向如图4(a)所示。工作面气体由采空区进风侧进入、回风侧流出。进风侧空气向采空区深部渗流，回风侧空气向工作面方向流动，越靠近回风侧渗流速度越大，并在此过程中将采空区内部气体带至工作面回风隅角。

2)采空区内氧气体积分数分布如图4(b)所示。采空区进风侧内部40 m左右氧气体积分数仍处于正常值，在工作面机尾及回风隅角处氧气体积分数降低到17%左右。这表明在没有地表漏风的情况下，由于工作面负压通风方式的原因，采空区内部的低氧气体会被排至回风隅角处，导致回风隅角处出现一定程度的低氧现象。

(a) 气体运移矢量图

3)在采空区立体空间内气体运移如图5(a)所示。开采过程中，22煤采空区与12煤采空区贯通形成复合开采采空区。进风侧垂直工作面走向的平面上，气体向采空区深部及上部运移；采空区中部垂直工作面走向的平面上，气体向回风侧流动；回风侧垂直工作面走向的平面上，气体运移方向与进风侧相反，采空区深部及上部气体向回风隅角处运移，层间漏风将12煤采空区中的低氧气体带入22煤采空区。

(a)气体运移矢量图

4)复合采空区立体空间上氧气体积分数分布如图5(b)所示。沿采空区走向上的氧气体积分数，在进风巷侧向回风巷运移过程中逐渐降低；在回风侧，由于采空区层间漏风及本煤层采空区漏风，氧气体积分数偏低。

综上所述，由于上湾煤矿顶板裂隙比较发育，为采空区气体运移提供了较好的条件。在负压通风影响下，回风隅角处压力较低，上层采空区遗煤解吸出的气体沿裂隙和漏风通道向开采工作面运移，导致回风隅角氧气体积分数异常。

3.2 地表漏风条件下采空区气体运移规律数值模拟

根据前述分析可知，上湾煤矿在开采过程中地表至22104工作面存在漏风通道。因此，在物理模型中设置地表漏风入口，进行漏风条件下采空区内部气体运移规律的模拟。

1)在存在地表漏风的情况下，工作面气体由采空区进风侧进入，同时地表漏风进入的风流经过上层采空区进入本煤层采空区，使得采空区内部气体涌入到工作面，在回风隅角处汇集。如图6(a)所示，在22104采空区松散煤体平面上，采空区内部气体渗流运移迹线因受地表漏风影响而与之前地表未漏风时的有所不同，在采空区进风侧空气向采空区内部流动距离减小，受漏风风流挤压，采空区深部气体整体向工作面运移，越靠近回风侧运移速度越快。

(a) 气体运移矢量图

2)在存在地表裂隙、形成立体漏风通道的条件下，复合采空区内部低氧气体受地表漏风影响，导致回风隅角气体体积分数异常，低氧现象更为严重。如图6(b)所示，采空区内部20 m左右氧气体积分数仍处于正常值，由于采空区内部气体受地表漏风影响向工作面方向整体涌出，造成在工作面中部、机尾及回风隅角处氧气体积分数出现不同程度的降低，分别为17%、16%、15%。

3)在采空区立体空间内部沿工作面走向的平面上，受地表漏风的影响，气体由地表及采空区深部向工作面方向运移，如图7(a)所示。

(a)走向气体运移矢量图

4)在采空区立体空间内部沿工作面倾向的平面上，受地表漏风及工作面通风方向的影响，气体由地表向工作面方向运移的同时也由进风侧向回风侧运移，如图7(b)所示。

5)在地表漏风情况下，复合采空区沿工作面走向平面上的氧气体积分数在由进风巷侧向回风巷运移过程中逐渐减小，氧气体积分数立体分布情况如图7(c)所示。在地表至断裂带，由于存在地表裂隙，氧气体积分数为6%左右。12煤断裂带氧气体积分数为4%～6%。22煤与12煤贯通形成的垮落带在采空区内部30 m后氧气体积分数小于4%。

上湾煤矿煤炭开采属于浅埋深易自燃近距离煤层群多次重叠扰动开采，在开采本煤层过程中，由于地表漏风通道的产生，复合采空区内部气体受地表漏风及大气压变化影响异常涌入工作面。在负压通风方式下，回风隅角压力较低，采空区低氧气体向回风隅角积聚，导致回风隅角低氧现象更为严重。

4 局部均压通风低氧治理措施

4.1 均压通风方案

工作面回风隅角低氧是多因素共同作用造成的，包括气候条件、采空区漏风、通风方式及工作面推进速度等。上湾煤矿22104工作面回风隅角低氧问题主要是由于采空区内低氧气体异常涌出造成的[18-20]，因此可采取均压控漏措施以减小采空区与工作面之间的压差，进行低氧治理。

22104均压工作面采用均压风机—均压风门—调节风窗联合调压，在22104辅运进风巷道入口设置双向风门3道，在22104回风巷道机头段设置3道带有调节风窗的行人门，在22104辅运进风巷道措施巷风机硐室布置4台2×75 kW均压风机，具体布置方式如图8所示。

图8 局部均压通风布置示意图

4.2 均压通风效果

统计启用均压系统前任意一天24 h氧气体积分数值:在此期间,工作面回风隅角氧气体积分数为13.5%～17.8%，大部分时间段氧气体积分数值小于17%，受地表大气压变化影响在15：00左右达到最低值13.5%；工作面回风巷道氧气体积分数为16.4%～18.8%，在14：00左右达到最低值16.4%。采取均压通风后，回风隅角氧气体积分数提升至16.8%～19.7%，工作面回风巷道氧气体积分数提升至17.4%～20.0%。结果表明,均压通风系统的运行对回风隅角及回风巷道氧气体积分数有明显的提升效果。均压前后氧气体积分数变化曲线如图9所示。

(a)回风隅角

均压系统在22104工作面实施以后，在2021年5月13日、5月26日、6月9日早班关闭局部通风机，打开均压风门进行负压通风，中班期间恢复均压通风。在此期间，分别对工作面和采空区的漏风量、压差及气体体积分数进行测定，采空区压差通过在辅运巷尾巷与工作面最近的联络巷使用U型压差计测量得到，结果见表3～5。

表3 均压前后采空区漏风量

表4 均压前后采空区压差

表5 均压前后回风隅角气体体积分数

分析对比上述图表数据，在负压通风期间采空区漏风量及压差对比均压通风时有所增大，同时均压通风期间回风隅角氧气体积分数比未均压时有所上升，CO体积分数降低。分析结果表明，针对工作面回风隅角低氧问题，采取均压通风措施能达到良好的治理效果。

4.3 其他治理措施

1)控漏。地表控漏安排专人每天对地表进行巡查，发现裂隙立即回填，不得滞后工作面100 m。由于已回填的地表会受到重复采动等客观原因影响，会再次形成新的裂隙，因此需要对己回填地表进行2～3次甚至多次回填。井下控漏一般使用无机膨胀堵漏风加固材料或高水水凝胶防灭火材料，在进、回风巷后部采空区形成有效的封堵墙，以在工作面后部采空区有效地充填裂隙。

2)通风方式。将工作面“U”型通风系统改变为“U+L”型通风系统，可改变采空区漏风和上隅角风流的流向，防止上隅角大量低氧气体积聚。利用主通风机运转时在进回风巷产生的负压差，或利用尾巷联络巷改变采空区漏风和工作面部分风流方向，使通过采空区流向上隅角的风量减少，降低回风隅角气体涌出量，减少引排至尾巷的低氧气体，改变上隅角氧气含量不足的状况。

5 结论

1)采用SF6气体示踪测试技术，通过在地表裂隙处释放SF6气体，在22104回风隅角处接收SF6气体，验证地表裂隙贯通至22104采空区，形成立体漏风通道。根据测试结果分析，确定地表漏风流速约为0.5 m/s，为地表漏风条件下采空区气体运移规律的模拟提供边界参数。

2)对比有无地表漏风条件下采空区气体运移规律模拟结果，分析表明：无地表漏风时，受层间漏风和通风方式的影响，采空区内部的低氧气体会被带出，导致回风隅角处出现一定程度的低氧现象；地表漏风时，采空区内部气体运移迹线发生变化，受地表漏风影响，采空区内部气体向工作面方向整体涌出，造成在工作面中部、机尾及回风隅角处不同程度的氧气体积分数异常，在回风隅角处氧气体积分数最低。

3)针对上湾煤矿22104工作面低氧问题，提出局部均压控漏治理方案并实施。均压前后采空区漏风量及采空区与工作面压差均有所减小，氧气浓度有所提升，表明均压技术的实施能有效治理工作面低氧和CO超限的安全隐患。