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张岱岳，张 翔，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)
神东矿区多数煤层为典型的浅埋深、近距离赋存条件，开采后的覆岩破断与运移特征与常规深度煤层开采具有较大差异[1，2]。同时，由于埋深浅，处于CO2-N2带[3，4]，煤质自燃倾向大[5-7]，因此在破碎煤体解析与遗煤氧化作用下，采空区内氧气浓度较低。采空区内低氧气体在外在作用下易从回风隅角涌出，并向工作面扩散，造成不同程度的低氧现象发生，威胁矿井安全生产[8，9]。揭示造成工作面回风隅角低氧现象发生的本质因素，才能采取针对性的低氧防止措施，有效防治工作面回风隅角低氧。目前，学者们采用不同手段从多个角度对低氧现象的发生与防治展开了研究，多数学者采用理论分析对采空区内低氧气体的来源、采空区内低氧气体的涌出原因与低氧防治技术进行了探究[10-13]，如潘荣锟采用理论分析、CDEM数值模拟与SF6示踪气体技术的综合手段分析认为地表与工作面间严重的漏风是上隅角贫氧的主要原因[14]。菅跃荣提出了增大隅角风量、压风稀释积聚气体和封堵地表裂隙的治理手段，有效升高了隅角的氧气浓度[15]。部分学者采用数值模拟、现场试验对采空区内低氧气体成分、采空区气体运移规律进行了分析[16，17]，如程望收利用fluent模拟了不通影响因素下对回风隅角低氧气体分布的影响[18]。汪腾蛟[19]、杨小彬[20]还分别采用层次分析法与回归神经网络对低氧现象主控因素进行了确定。但目前关于低氧现象发生的基础性、系统性研究较少，对于浅埋深近距离煤层群开采下的采空区覆岩结构特征及其对工作面低氧环境影响了解尚且不足，矿井实施措施缺乏针对性，防治效果有限。本文采用离散元数值模拟分析了浅埋藏近距离煤层群煤层开采中的覆岩垮落、裂隙发育与采场应力变化规律，在此基础上结合现场数据监测分析覆岩变形特征对回风隅角低氧现象频发的影响，探究工作面回风隅角低氧现象发生的本质因素，提出并建立针对性的低氧防治措施体系，并对其防治效果进行评价。旨在为浅埋深近距离煤层群赋存条件开采下的低氧现象频发问题的解决提供指导与借鉴。
上湾煤矿22104综采工作面是22#煤一盘区第4个工作面，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。综采面沿倾向布置，走向长度330.9m，推进长度4132.6m，设计采高6.5m。综采面上覆有12104、12105综采面采空区、12105L-12107L、12111L综采面采空区、12104-12105排矸巷及12煤大巷，12#煤与22#煤层间距为33～42m，平均约38m。
长期以来，煤、岩层内的原始气体CH4、CO2、N2等低氧气体从破碎煤、岩体内解吸；
遗煤低温氧化、自燃，消耗O2，产生CO、C2H4、C2H6等低氧气体，使得采空区成为强低氧环境，常造成工作面低氧，威胁安全生产，经现场测定可知，22104工作面上隅角的氧气浓度常保持在17%～18%左右，常引起氧气监测仪报警，采空区内气体成分分析数值见表1。
表1 回风隅角气体分析
2.1 数值模型建立与参数选择
近年来，离散元法(DEM)数值模拟软件PFC由于在描述岩石不连续破坏特性方面的独特优势，逐渐被应用于覆岩运移、构造方面的应用，其不仅可以直观展示煤层采动下的覆岩扰动、破断、垮落与压实的完整过程，还可对裂纹生成、裂隙演化与应力分布等覆岩特征进行监测分析。因此，本文根据上湾煤矿22104工作面煤岩层分布，建立了浅埋深近距离煤层群二维DEM数值模型，如图1所示。该DEM模型长180m，高107m，共计21层。颗粒最小粒径为0.3m，颗粒最大最小粒径比为1.66，模型共计30762个颗粒。
图1 22014工作面煤层地系DEM数值模型(m)
模型采用一次采全高采煤法由左向右开采依次开采上、下煤层，开采区域均为140m，左侧均留有20m的煤柱，煤层开采每开挖1m，模型求解1次，判断模型每次求解后达到平衡需同时满足以下两个条件：①10000个计算步内微观裂隙生成数小于3；
②10000个计算步内所有颗粒最大速度均小于10-3。
本研究采用平行粘结模型，其不仅能抵抗接触力，而且还能抵抗胶结接触时粒子之间的力矩，可以真实地模拟煤岩材料的剪切断裂或拉伸断裂情况。为了反映不同类型岩石力学行为，颗粒流模型需要选择合适的细观参数来描述材料的实验宏观特性，如粘结刚度、强度。在颗粒流细观参数标定的研究中许多学者们已做出大量工作[21，22]。本文主要通过单轴压缩试验(UCT)与直拉伸实验(DTT)的手段对不同岩层的细观参数进行标定，具体结果见表2。
表2 地层的宏观、微观物理力学参数
2.2 覆岩垮落与裂隙发育过程
在DEM模拟过程中，多个平行粘结破坏产生的微裂纹组合可表征一个宏观裂隙；
孔隙率是研究整个采空区漏风流场的重要参数，可以直观体现采动裂隙的发育程度。模拟得到的12#煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育与孔隙率分布情况如图2所示。煤层开挖18m时，直接顶初次断裂垮落，基本顶处于悬空状态，采动部位与直接顶垮落部位孔隙率偏大，但覆岩层并未受影响，没有裂隙的产生。图2(b)为12#煤层开挖过程中基本顶的垮落情况，可以看出工作面推进至45m时，基本顶发生初次垮落，两侧微观裂纹连接形成竖向宏观裂隙，层09与10间的孔隙率较大，离层明显，垮落区域与孔隙率分布呈“梯形”状，采动裂隙并未向上发育。此后随着煤层的推进，垮落区域在横向与纵向上不断增长，采动裂隙发育高度持续向上部岩层蔓延，采空区两侧竖向裂隙愈发明显，如图2(c)所示，工作面推进至97m时，基本顶第三次周期来压，第08、07与06层覆岩发生破断垮落，采空区两侧竖向裂隙发育明显，离层高度到达第06层覆岩，孔隙率云图显示采空区两侧竖向裂隙通过第06层与05层间离层裂隙相互连通。
如图2(d)所示，12#煤层推进至140m时，第02层与地表松散层01层间出现较小离层，松散层01出现采动裂隙，表明浅埋深煤层开采裂隙带高度可至地表。孔隙率云图显示，采空区两侧裂隙贯穿了煤层基岩，开切眼侧裂隙发育较为良好，垮落区域中部多条竖向裂隙联通了横向离层裂隙。此时，12#煤层采空区至地表出现多条贯通漏风通道，地表空气在地表与井下压差作用下可通过贯通漏风通道进入12#煤层采空区。
22#煤层22104工作面的开采是在上覆12#煤层开挖完毕的基础上进行的，模拟得到的22104工作面开采过程中的覆岩垮落、裂隙发育与孔隙分布情况如图3所示。由图3(a)可知，工作面推进至96m时基本顶完全破断、垮落，采空区中央和两端基本顶多条竖向裂隙发育至上采空区底板，且贯穿了层间覆岩，由孔隙率云图可以看出下煤层采空区两侧出现两条高孔隙率通道，上、下煤层采空区层间贯通漏风通道形成，从该推进距离开始，上部12#煤层采空区内低氧气体可以侵入22104工作面采空区。同时，12#煤层开采完毕后本已稳定的采空区覆岩受下部岩层垮落影响再次整体破断、下沉，上采动裂隙与裂隙通道进一步发育，地表漏风加剧。
图3(b)表明，22#煤层推进至140m时，上、下煤层间夹层整体破断、垮落，上、下煤层采空区通过贯通漏风通道联通，形成复合超大采空区。同时，下煤层开采前后的上采空区垮落覆岩微观裂纹数目分别为7881、11741，通过对比下煤层开采前后上采空区孔隙率云图发现工作面侧垮落覆岩孔隙率大幅增加，以上对比表明下煤层的开采对上采空区具有极大的活化作用，由于煤层采高的累加，垮落覆岩层沉降量增大，地表至复合采空区漏风通道进一步贯通，特别是复合采空区两侧斜向漏风通道，加剧了复合采空区地表漏风量，可持续维持或升高采空区内气压，不仅为低氧现象发生保证了采空区一侧高压力条件，还有助于低氧现象过后采空区压力的恢复。
图3 22#煤层开采过程中的覆岩运移、裂隙通道发育及孔隙率分布动态演化
2.3 采场应力演化特征
12#煤层开采过程中的底板垂直应力分布演化如图4所示。煤层的开采会导致顶板垮落，造成采空区上覆岩层受力结构破坏，采空区顶、底板形成卸压区域，采空区两侧煤壁为覆岩层主要支撑区域，出现应力集中。随着煤层推进距离的增加，采空区底板卸压范围逐渐增大，两侧煤壁应力集中极值逐渐增大。初次来压后，采空区中部垮落岩体逐渐压实，底板重新受力，出现多个应力集中点。
图4 12#煤层不同开采距离底板垂直应力分布图
12#煤层开采过后的上、下煤层间不同层位夹层垂直应力分布如图5所示。由图5可知，各夹层应力分布呈“凹槽”状，凹槽两侧较为陡峭，垂直应力下降幅度较大。不同层位夹层垂直应力对着层位深度的增加整体逐渐增大；
各层位夹层垂直应力在采空区两侧变化幅度较大，在采空区中部较为相近。
图5 12#煤层开采后的夹层垂直应力分布图
整体来看上煤层的开采会导致上、下煤层间夹层垂直应力大幅下降，会导致22#煤层在开采过程中顶板不易垮落，同时由于22104工作面推进速度较快，约16m/d。因此，22104工作面回采过程中周期来压步距较大，来压强度高，大面积悬顶频繁出现，特别是上、下隅角三角区处。当开采过程过程中采空区内顶板大面积垮落，浅部采空区气体受到挤压，气压急剧升高，大量低氧气体涌出工作面，造成工作面低氧。
为了解决工作面回风隅角低氧现象频发问题，针对浅埋藏近距离煤层群开采过程中的覆岩变形特征，制定了采用采空区漏风控制、工作面调压与强制放顶的低氧防治措施。
3.1 采空区漏风控制措施
主要在于地表裂隙的及时回填，可有效减少地表至复合采空区的漏风量，降低复合采空区内压力，弱化漏风通道在低氧现象发生中的作用。其次在上、下隅角处挂置挡风帘，阻止采空区内气体向外涌出，有效降低低氧气体涌出量。
3.2 工作面调压措施
3.2.1 均压通风系统的建立
采用工作面均压通风技术是通过改变通风区域压力分布，使工作面由负压转为正压通风的一种技术。应用均压通风技术，可及时调控工作面的气压，通常用于提高工作面压力，平衡工作面与复合采空区之间的压差，以减少复合采空区向工作面的漏风量。结合上湾矿22104工作面的生产布局与通风要求，构建了由局部通风机、风门与调节风窗组成的均压通风系统，如图6所示。
图6 22104工作面均压通风系统
3.2.2 应用效果分析
均压通风系统的运用可适当提高并维持工作面气压，减小采空区与工作面压差，减少采空区向工作面漏风量，使工作面氧气浓度维持在较高水平。在5月13日、5月26日、6月9日早班关闭局部风机，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风量、压差及气体浓度进行测定，采空区压差由辅运巷尾巷与工作面最近的联巷通过U型压差计测量得到，结果如图7所示，结果表明工作面调压措施对工作面回风隅角低氧的治理具有较好效果。
3.3 强制放顶措施
3.3.1 顶板水力压裂方案
在回采前采用水力压裂技术对顶板进行破裂，使顶板随着回采及时垮落，可减少因顶板垮落造成的采空区气体而涌出引起的回风隅角低氧事故。上湾煤矿22104工作面共布置6个压裂钻场，共6个钻孔，钻孔压裂目标层位为煤层顶板20m粉砂岩和24m砂质泥岩处，且后期补充两个钻孔。
3.3.2 应用效果分析
如图8所示，水力压裂段的周期来压步距相较于未水力压裂段整体降低，且较为稳定，基本稳定在16m以下，无过大来压步距出现。这意味着22104工作面推进至水力压裂段，采空区顶板大面积悬顶存在可能性较低，因采空区大面积悬顶垮落而产生的工作面低氧事故概率也大为降低。
图8 有无水力压裂周期来压步距对比
图9 有无水力压裂回风隅角氧气浓度对比
如图9所示，未水力压裂段氧气浓度低于16%时长为5h，最低值为13.6%，水力压裂段氧气浓度均高于16%，最低值为16.2%，整体明显高于未水力压裂段。计算水力压裂前氧气浓度方差为1.16，水力压裂后氧气浓度方差为0.76，表明水力压裂回风隅角氧气浓度相对稳定，顶板周期来压对采空区气体低氧气体涌出影响程度较小。
1)浅埋深近距离煤层群开采时，裂隙带高度可发育至地表，出现漏风通道，地表空气在地表与井下压差作用下进入采空区。下煤层重复采动可使上、下采空区连为一体形成复合采空区，同时对上采空区具有明显活化作用，裂隙发育程度增大，特别是采空区两侧斜向裂隙，裂隙宽度与裂隙孔隙率均明显升高，加剧了地表漏风，持续维持或升高了采空区内气压，造成复合采空区与工作面压差过大，低氧气体大量涌出，发生低氧现象。
2)上煤层开采过后，上、下煤层间夹层垂直应力大幅降低，使得下煤层开采时，采空区顶板不易垮落，周期来压距大、来压强度高，上、下隅角处易形成大面积悬顶。
3)采用采空区漏风控制措施与工作面调压措施治理结合治理地表漏风与复合采空区低氧气体涌出问题，采用强制放顶措施治理采空区顶板不易垮落、易形成大面积悬顶的问题，有效治理了上湾煤矿22104工作面回风隅角低氧现象频发问题。
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