近距离煤层采空区气体分布特征及运移规律研究

张鹏明，张玉龙，王大鹏，韩昌江，王俊峰，郝子靖，周春山

（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；
2.山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 忻州 034000）

近距离煤层在开采过程中，受二次采动的影响，产生大量层间裂隙进而形成大量的漏风通道[1-2]，从而引起上下采空区气体相互运移。同时上覆采空区遗煤受裂隙漏风供氧发生二次氧化，从而使上覆煤层采空区更易自然发火[3-5]。上煤层采空区产生的有毒有害气体也将进入到下煤层，对下煤层工作面工作人员生命安全造成严重影响，制约着下煤层工作面安全生产[6-7]。

在关于采空区气体分布特征及运移规律研究方面，目前国内外的专家学者主要利用采空区气体渗流、扩散、耦合等理论进行数值模拟来研究回采过程中采空区中气体的渗流和运移规律。例如，王俊峰等[8]对神东矿区综采面采空区中CO 和O2的运移进行了CFD 模拟，得出了采空区内O2体积分数的分布规律；
褚廷湘等[9]采用工作面推进对采空区遗煤所处渗流和氧化环境的动态影响的非稳态模拟方法，模拟了不同推进距离下采空区渗流参数、氧气体积分数和温度场的动态分布规律；
ZHAI 等[10]研究了回采工作面采空区浮煤自燃机理，建立了物理模型，并且通过对采空区流场进行数值模拟，计算出采空区内氧气体积分数分布和空气流速。同时，也有一些学者通过现场测定结合理论分析进行煤层采空区气体分布与运移规律研究。例如：周成军[11]利用采空区涌出气体综合分析法来测定采空区漏风量；
郭雅迪等[12]采用全面布点的方法测量工作面采空区气体成分和体积分数变化，研究不同供风量下的采空区气体涌出的变化规律。

在实际开采过程中，近距离煤层开采采空区气体的分布以及运移与上下煤层之间的状态密切相关。依据上下煤层采空区与下部实体煤状态的关系，可将采空区气体分布形态分为2 种类型：静态分布和动态分布。在下层实体煤未采动情况下，上覆煤层采空区的气流时空分布特征可定义为其静态时空分布特征；
在下层煤体采动情况下，上下煤层采空区的气流时空分布特征可定义为上下煤层采空区气体动态时空分布特征。纵观目前研究进展可以看出，目前大部分的研究主要集中于单一开采煤层采空区气体运移规律的研究，而对近距离煤层开采过程中，上下采空区在采动前后的气体分布和运移规律缺乏系统的研究，特别是近距离煤层开采过程中复合采空区气体静态与动态分布特征及运移规律，目前尚不清楚；
且采用的研究手段多为数值模拟。基于此，研究通过在上覆采空区施工钻孔和布置束管，以及在本层工作面两巷道布置束管的方法来监测上下采空区的气体体积分数变化，同时利用人工采样法监测回风隅角和工作面的气体体积分数。通过系统研究近距离煤层群开采条件下的漏风规律以及上下采空区在采动前后气体分布变化规律，来揭示近距离煤层群开采采空区气体静态与动态分布特征及及其运移机制，为近距离煤层安全开采通防决策提供理论支撑。

沙坪矿井田内8 号煤层埋深147～257 m 左右。在井田西部、北部为合并区，井田中部-东部为分叉区，8 号煤层的分叉煤层，上部为8 上煤层，在分叉区内下距8 号煤层0.81～10.86 m，平均4.22 m。1818综采工作面沿煤层倾向布置，工作面运输巷和回风巷沿煤层走向布置。工作面煤层平均厚度为4.5 m，煤层平均走向40°，倾向310°，倾角2°～4°，平均3°。1818 综采工作面沿煤层走向布置，采用“一进一回”布置方式。1818 工作面推采长度为947 m，工作面长度为216.5 m，1818 运输巷上覆无采空区。1818 工作面采煤方法采用一次采全高全部垮落综合机械化采煤法。在开采8 号煤层过程中，受采动影响后，地表二次塌陷，上层遗煤和煤柱进一步破碎，上下2 层煤采空区沟通复合，上层遗煤二次氧化生成的有毒有害气体可能会下泄至下部煤层工作面，给工作面安全生产造成严重的威胁。

在1818 回风巷内顶板处向8 上煤层采空区每25 m 布置8 个钻孔，分别编号为①～⑧，用于8 上煤层采空区的气体的采取，1818 工作面测点布置示意图如图1。

图1 1818 工作面测点布置示意图Fig.1 Layout of measuring points of 1818 working face

在这8 个钻孔位置敷设8 路束管。同时在1818工作面回风巷和运输巷的巷道顶板与上煤层钻孔位置相对处各布置8 路束管，用于测定1818 工作面进、回风侧后方采空区的气体体积分数，测点分别记为1～8 和I～VIII，每天检测上下采空区气体，直至上覆采空区监测不到以及下煤层采空区进入窒息带为止。另外，在1818 工作面（支架间）分别布置6 个测点A～F。在回风隅角上、中部位，布置2 个测点，记做G、H。每天进行连续性的气体采样和色谱分析。

3.1 上覆采空区气体静态分布规律

1818 工作面上覆采空区各气体变化趋势图如图2。

图2 1818 工作面上覆采空区各气体变化趋势图Fig.2 Gas change trend diagrams of overlying goaf of 1818 working face

由图2 可知：上覆采空区在下层煤未采动时，距离上层煤采空区终采线最近的位置处，O2体积分数值最大，约13%，这是因为在上覆采空区停采线处的煤柱发生破裂，发生严重的漏风，向上覆采空区扩散，导致氧气体积分数值偏高，这种扩散效应随扩散距离的增大而逐渐减弱，因此距离终采线最远处，即靠近下层工作面时，O2体积分数也会变小，约为6%；
CH4体积分数从0.05%增加到0.3%左右，而CO2体积分数从3%增加到6%左右，然后保持稳定，之后迅速降低至3.5%左右，随着煤柱终采线漏风稀释作用的减弱，且受下煤层采动的影响，上覆采空区岩层裂隙增加，遗煤赋存的CH4释放逐渐增加，CH4体积分数增大，浮煤二次氧化及煤层原始赋存CO2释放作用加强，CO2体积分数逐渐增大，而CO2的迅速降低是因为上覆采空区高体积分数CO2向下煤层发生了运移导致的；
而上覆采空区CO 体积分数变化与上下采空区的运移和浮煤二次氧化密切相关，CO 体积分数因受氧气体积分数的影响，变化趋势与O2变化趋势基本一致，从约27×10-6降至10×10-6。现场实测回采工作面回风隅角处CH4体积分数为0.2%，O2体积分数为17%左右，二者与上覆采空区处相差较大，这说明近距离煤层开采在下层实体煤采动之前，工作面后方采空区与上覆煤层采空区之间还没完全贯通，采动影响主要是由于工作面采空区与其上覆采空区之间气体的相互运移引起的。

3.2 下煤层采空区气体动态分布规律

1818 工作面进风侧、回风侧采空区气体分布图如图3、图4。

图3 1818 工作面进风侧采空区气体分布图Fig.3 Gas distribution in goaf at return air side of 1818 working face of Shaping Mine

图4 1818 工作面回风侧采空区气体分布图Fig.4 Gas distribution in goaf at air inlet side of 1818 working face of Shaping Mine

由图3（a）和图4（a）可以看出：进风侧、回风侧O2体积分数随着工作面推进均呈现由工作面向采空区深部逐渐降低的趋势，而CO 体积分数则均呈现先增长后降低的倒“V”形的趋势；
在回风侧，在距工作面70 m 的采空区，O2体积分数降到10%以下；
而在进风侧，在距工作面140 m 后，氧体积分数才降到10%以下，且进风一侧采空区O2平均体积分数远高于回风一侧，说明在进风一侧存在严重的漏风，风流在扩散作用的影响下，表现为采空区氧化带明显的“后移”[13]。

图3（b）和图4（b）可以看出：在进风侧，从工作面到距1818 工作面160 m 范围内，CH4体积分数从0.01%增大到0.15%，CO2体积分数从0.2%增大到1.2%，150 m 后CH4、CO2体积分数保持比较稳定的趋势；
在回风侧，从工作面到距1818 工作面85 m 范围内，回风侧采空区CH4从0.2%增大到0.68%，CO2体积分数从0.8%增大到2%，85 m 后CH4、CO2体积分数保持比较稳定的趋势。

以上结果表明随着工作面的推进，沿着1818 工作面采空区深度方向，回风侧和进风侧CH4、CO2体积分数都是从工作面向采空区深部逐渐增大，而从进风侧到回风侧，CH4、CO2体积分数逐渐升高。在采空区深部距工作面30 m 的范围内，处于采空区自然堆积区和载荷影响区，垮落的岩石尚未压实，空隙度大，渗透率大，此处CH4、CO2受本采空区的漏风风流以及上覆采空区向下煤层采空区漏风的稀释、运移作用程度大，因而CH4、CO2体积分数在此处体积分数相对较低；
而距离工作面大于30 m 时，采空区内垮落的岩石逐渐被压实，漏风对此处CH4、CO2体积分数的稀释作用很小，CH4、CO2积聚程度随着离工作面距离的增加而增大。在进、回风侧的采空区深部距工作面150 m 的范围内，回风侧采空区的CH4、CO2体积分数明显高于进风侧的体积分数，结合氧体积分数和CO 体积分数数据，说明工作面与采空区的漏风规律为漏风风流主要从进风巷一侧流入采空区，携带大量的CH4、CO2流向回风侧采空区，其中少量气体沿着工作面漏风通道运移到工作面中，大部分从回风侧采空区涌出回风隅角中。此过程中，风流对进风侧采空区CH4、CO2的作用主要表现为稀释作用，而对回风侧采空区CH4、CO2主要表现为CH4、CO2运移所导致的CH4、CO2积聚效应[14]，同时采空区产生的CO 亦会被风流携带至回风隅角处，造成此处CO 体积分数的偏高。

3.3 上覆采空区气体动态分布规律

1818 采空区及上覆采空区气体体积分数变化规律如图5。

图5 1818 采空区及上覆采空区气体体积分数变化规律Fig.5 Variation law of gas volume fraction in 1818 goaf and overlying goaf

由图5 可以看出：从1818 工作面对应上覆采空区到距下煤层1818 工作面90 m 对应上覆采空区范围内，O2、CO 体积分数均呈现先增加后减小的倒“V”形趋势，而CH4体积分数呈先减小后增加再保持平稳的趋势，CO2体积分数值呈先减小然后稳定的趋势。

综上，上覆煤层采空区在下层煤采动过程中，上下煤层采空区会相互沟通，在距工作面35 m 范围内的采空区，垮落的岩石尚未压实，空隙度大，渗透率大，上下气体开始交换，因此在距工作面35 m 处上覆层采空区O2体积分数达到最大，上覆采空区浮煤受氧化影响，在距工作面45 m 左右处，CO 体积分数达到最高；
下煤层采空区高体积分数CO 亦会向上覆采空区运移，而上覆采空区高体积分数的CO2和CH4也会运移到下煤层，故上覆采空区从工作面到距工作面25 m 之间，CH4体积分数会逐渐减小，之后，采空区内垮落的岩石逐渐被压实，上下煤层气体相互渗透，下煤层开采释放的高体积分数CH4会运移到上覆采空区，最后，在距工作面大于45 m 的后方采空区，上覆煤层CH4、CO2积聚程度随着与工作面距离的增加而增大，O2、CO 体积分数逐渐降低，又因为上下采空区气体的相互运移，上下采空区CH4、CO2、O2和CO 体积分数渐渐趋于一致，然后保持稳定趋势。

3.4 工作面气体动态分布规律

1818 工作面各气体体积分数分布情况图如图6。

图6 1818 工作面各气体体积分数分布情况图Fig.6 Distribution of gas volume fraction in 1818 working face

从图6（a）可以看出：1818 工作面O2体积分数从进风侧到回风隅角总体上呈现先缓慢降低然后迅速降低趋势，O2体积分数从最高约20.6%降低到最低值的18%左右；
从图6（b）可以看出：1818 工作面CO 体积分数总体上从靠近进风侧A 到回风隅角G点呈现先降低后增加的趋势，从约15×10-6上升至22×10-6左右；
由图6（c）和图6（d）可以看出：1818工作面CH4体积分数、CO2体积分数，从进风侧到回风隅角，总体上呈现出先稳定然后逐渐增大的趋势，CH4体积分数从约0.05%上升至0.30%左右，而CO2体积分数从0.15%上升至0.80%左右。

从工作面中部到回风隅角范围内，因为采空区后方气体向工作面运移，导致CO、CH4、CO2体积分数均有所上升，O2体积分数有所降低。表明1818 采空区遗煤氧化产生的小部分CO、CH4、CO2会被风流夹带着沿工作面的漏风通道涌出工作面，而产生的大部分CO、CH4、CO2在通风风压作用下也会经过采空区运移到回风隅角，前面分析到上覆采空区漏风亦携带高体积分数的CH4、CO2从下煤层工作面回风隅角附近涌出，并且工作面中来自后方采空区漏风涌出的CH4、CO2、CO 也会随风流汇集到回风隅角，而回风隅角附近又是风流出现涡流[15]的地点，工作面风流和采空区风流的传质过程较弱从而导致回风流中有毒有害气体体积分数的偏大，且不能及时从回风巷道排掉，从而造成回风隅角有毒有害气体的聚集和低氧的发生。

上覆采空区各气体体积分数分布图如图7。

图7 上覆采空区各气体体积分数分布图Fig.7 Distribution of gas volume fraction in overlying goaf

在采动过程中，其采空区气体体积分数受漏风扩散、上下采空区运移效应和煤氧反应多重影响，呈现出不同变化规律。从1818 工作面前方180 m 至25 m 范围内，上覆采空区氧气体积分数呈现出而逐渐减小的趋势；
从工作面前方25 m 到工作面位置，O2体积分数受工作面采动影响，漏风逐渐增加；
当测点进入工作面后方，在工作面后方35 m 内，由于上下采空区气体的交融，O2体积分数迅速增加，工作面后方35 m 到100 m 内，上覆采空区内垮落的岩石逐渐被压实，上下采空区相互作用减弱，逐渐进入氧化带，煤氧反应加速，O2体积分数渐渐迅速降低。

上覆采空区CO 体积分数变化与上下采空区气体的运移和浮煤二次氧化密切相关，CO 体积分数因受氧气体积分数的影响，变化趋势与氧气基本一致。即从1818 工作面前方180 m 到后方100 m 范围内，CO 体积分数呈现出缓慢降低，接着迅速增加，然后又呈现出迅速降低的趋势。与O2体积分数分布不同的是，峰值对应的位置稍有滞后，这与CO重要来源-煤氧反应密切相关。

上覆采空区CO2体积分数变化与上下采空区气体的运移、浮煤氧化以及煤层原始赋存CO2释放相关。上覆采空区CO2体积分数呈现出先增加后降低的趋势在稍微增加至最终平稳的趋势。从工作面前方180 m 到125 m 范围内，上煤层终采线漏风稀释作用减弱，而浮煤二次氧化以及煤层原始赋存CO2释放作用加强，CO2体积分数的逐渐增大；
从工作面前方125 m 至75 m 范围内，CO2因浮煤氧化和煤层释放已达到饱和状态，CO2体积分数保持较稳定趋势；
从工作面前方75 m 到工作面范围内，受后方工作面采动影响，此处高体积分数CO2向下煤层回风巷运移，CO2体积分数迅速降低；
从工作面至后方35 m 范围内，上下采空区气体的交融，上覆采空区高体积分数CO2体积分数加快下泄，体积分数迅速减少；
从工作面后方35 m 到工作面后方100 m 内，上下交融逐渐完成，由于浮煤氧化上覆采空区CO2体积分数缓慢增加最终趋于稳定。

上覆采空区CH4体积分数变化与煤层原始赋存CH4释放、采空区漏风风流的强弱以及上下采空区气体的运移相关。从1818 工作面前方180 m 到工作面，随着煤柱停采线漏风稀释作用的减弱，并且受下煤层采动的影响，上覆采空区岩层裂隙和裂缝增加，CH4释放逐渐增加，CH4体积分数逐渐增大，测点进入工作面后方35 m 内，受采动影响，上下采空区竖向裂隙导通，上下采空区气体开始交融，CH4体积分数迅速降低，工作面后方35 m 到100 m 范围内，下层采空区遗煤氧化以及开采释放的CH4体积分数增大，上下采空区气体继续交融，上覆采空区CH4体积分数开始逐渐增加，随着上下采空区气体交融的完成，CH4体积分数逐渐趋于稳定。

通过研究上下采空区的气体分布规律，同时结合工作面和回风隅角的气体分布和体积分数变化规律，可以得出沙坪矿8 号煤层上下采空区气体的4个方面的运移机制：

1）上下采空区之间存在着气体运移。随着下层煤的采动，上覆岩层中形成的离层裂隙和竖向破断裂隙相互沟通[16]。在工作面后方约25 m 的范围内，因为地表大气压大于下方工作面回风侧气压，故地表漏风在风压作用下将上覆采空区遗煤氧化以及积聚产生的高体积分数CH4、CO2、CO，带入到下层工作面采空区的回风侧中，下煤层高体积分数的O2也会运移到上覆采空区。

2）下煤层进风侧、回风侧采空区存在着气体运移，且进风侧、回风侧存在较大的压差。由图4 和图5 可知，在采空区回风一侧监测到较大体积分数的CH4、CO2，采空区进风侧氧气平均体积分数远大于回风侧氧气平均体积分数，分析可知工作面进风一侧存在着严重的漏风风流，风流向采空区中部和回风侧移动，将采空区浮煤氧化生成的和煤层赋存的大部分CH4、CO2、CO 气体运移到回风侧采空区中。

3）下煤层采空区与工作面之间存在着气体运移，因为靠近回风侧的工作面和采空区存在压差。由图5 可知，工作面中测到了低体积分数的CH4、CO2和CO，说明下部采空区的漏风风流会携带少量采空区浮煤氧化生成的或者煤层赋存的CH4、CO2和CO，顺着工作面裂隙运移到靠近回风巷的回采工作面。

4）浮煤氧化也是影响气体体积分数分布的1 个重要因素，包括上覆采空区浮煤的二次氧化以及下煤层采空区遗煤的初次氧化。上覆采空区浮煤受地表漏风影响，位于上覆采空区停采线煤柱附近的氧气体积分数较高，浮煤二次氧化，生成大量的CO2以及少量CO，随着采空区内垮落的岩石逐渐被压实，漏风减弱，浮煤氧化减弱，CO2、CO 生成量减少，工作面前方50 m 范围内，受采动影响产生了竖向导通裂隙，下煤层风流向上覆采空区渗透，导致上覆采空区浮煤氧化增强，但因为渗入上覆采空区的氧气含量较少，故生成的CO2、CO 量亦较少，且测得CO2体积分数在逐渐降低，说明原上覆采空区累计的高体积分数CO2顺着下部回风巷顶部裂隙运移到下煤层中，在工作面后方，上覆采空区高体积分数的CO2继续向下煤层运移，直至上下采空区气体达到平衡；
在开采过程中，下煤层采空区中，因为工作面进风侧存在着漏风，且工作面后方存在的层间导通裂隙，为采空区内的浮煤氧化创造了条件，后方采空区浮煤的剧烈氧化，释放了大量的CH4和CO2气体，在采空区漏风风流的作用下运移到回风侧采空区中。

由于工作面回风隅角气压小于上覆采空区区域气压，也小于下煤层采空区气压和地表气压，致使上覆采空区以及下煤层采空区浮煤氧化生成的和煤层赋存的有毒有害气体以及从工作面扩散出来的有毒有害气体，在风压梯度差作用下汇入到回风隅角[17]，造成回风隅角有毒有害气体的聚集和低氧的发生。同时下煤层采空区整体的O2体积分数分布受漏风和耗氧速率的影响和控制，在扩散作用下，下煤层氧化带出现明显的“后移”现象。沙坪煤矿8 号煤层上下采空区气体运移机制示意图如图8。这一运移机制对于防治上覆采空区有毒有害气体的下泄以及下煤层采空区气体流动对工作面和回风隅角的影响提供理论依据。

图8 沙坪煤矿8 号煤层上下采空区气体运移机制示意图Fig.8 Schematic diagram of gas migration mechanism in upper and lower goaf of No.8 coal seam in Shaping Coal Mine

1）采空区气体静态分布规律。在下煤层未采动时，从上覆采空区终采线到距上覆采空区停采线180 m 范围内，O2和CO 体积分数呈逐渐降低的趋势，CH4体积分数呈逐渐增长的趋势，而CO2体积分数值呈先增长然后稳定再迅速降低的趋势。

2）采空区气体动态分布规律。在下煤层采动过程中，从1818 工作面对应上覆采空区到距下煤层工作面90 m 对应上覆采空区范围内，O2、CO 体积分数均呈现先增大后减小的趋势，CH4体积分数呈先减小后增加再保持平稳的趋势，而CO2体积分数值呈先增长然后稳定的趋势；
同时，在1818 工作面进、回风侧后方采空区，O2体积分数呈逐渐降低的趋势，CO 体积分数呈先增加后减小的趋势，CO2、CH4体积分数呈先增长后稳定的趋势。

3）在1818 工作面前方，O2体积分数先逐渐减小然后逐渐增加，在工作面后方，O2体积分数先迅速增加，然后渐渐降低；
CO 体积分数变化趋势与O2基本一致，但峰值对应的位置与O2相比存在滞后期；
在工作面前方，CH4体积分数逐渐增大，在工作面后方，CH4体积分数先迅速降低再逐渐增加最后趋于稳定；
在工作面前方，CO2体积分数先逐渐增大，然后保持稳定趋势再迅速降低，在工作面后方，CO2体积分数先迅速降低再逐渐增加最后趋于稳定。

4）沙坪矿近距离煤层采空区气体运移机制可归纳为4 个方面：①在采动过程中，下煤层采空区高体积分数O2会向上覆采空区运移，而上覆采空区高体积分数CO、CO2、CH4气体亦向下煤层采空区运移；
②下煤层进风一侧工作面存在的漏风风流将下煤层采空区中大部分的CO、CO2、CH4运移到采空区中部和回风侧采空区中；
③下煤层采空区与工作面之间存在着气体运移，下部采空区的漏风风流会携带少部分采空区CH4、CO2、CO，顺着工作面裂隙运移到回采工作面中；
④上覆采空区浮煤二次氧化以及下煤层采空区遗煤初次氧化生成大量的CH4、CO2和CO 气体，在风压的作用下从下煤层工作面回风隅角涌出，从而可能造成回风隅角有毒有害气体的聚集和工作面低氧发生。