多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨_霍丙杰.pdf

and recognition based on Darknet network and YOLOv3algorithmJ.Journal of Computer Applications,2019,39(6):16631668.The studyofflamerecognitionininterferenceenvironmentbasedondeep learning methodGAO Wei,SUN Yi,LI Yanchao,ZHOU Yonghao(State Key Laboratory of Fine Chemicals,School of ChemicalEngineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China)Abstract:In recent years,fire detection technology based ondeep learning has received extensive attention and has beenwidely used in actual working conditions.This paper studies theneural networkalgorithmtorecognizeflamesinamulti-interference environment.This paper used the MNIST data set totesttherecognitionaccuracyofthreeneuralnetworks,LinearNet,GoogleNet,and ResNet.The highest accuracies ofthe three networks are 98.05%,98.94%,and 99.06%,theaverage accuracies were 96.69%,98.61%,and 98.80%,andthe minimum loss function values are 0.022,0.014,and0.010,respectively.ResNet has the highest precision,thehighest average precision,and the smallest loss function value.Therefore,ResNet network has the highest performance,whichdemonstrates the rationality of using ResNet to construct a featurerecognition network.The flame feature extraction network used inthis paper is DarkNet53,which introduces 5 residual operationmodules,and performs multiple residual operations,so improvesthe extraction ability of flame features.Subsequently,introducelight,sun,and flame signs as interference factors for research.A total of 200 images of the above three interference and flamesare collected to form the interference flame dataset.This data setcan enable the network to distinguish different recognitionobjects,distinguish the flame from other interference factors,and achieve accurate flame recognition.Use the YOLOv3algorithm to train the data set and perform flame recognition.Therecognition accuracies(m)of fire,sun,fire_sign,and light are97.07%,88.47%,100%,and 90.82%,respectively,all ofwhich reach a high level.The average recognition accuracy of thefour classes can be calculated through the PR curve graph,which is used to measure the recognition performance of thenetwork on the dataset.The recognition accuracy of the fourclasses of the network reaches 94.09%,with high accuracy.Itshowsthatthealgorithmcanaccuratelyandeffectivelydistinguish between flames and interference factors,and obtaintheaccurateidentificationofflamesinmulti-interferenceenvironments.Key words:safety science and engineering;fire recognition;firedataset;convolutionalneuralnetwork;residual network文章编号:1009-6094(2023)06-1898-10多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨霍丙杰,靳京爵,胡依明,黄宇轩,宋子奇,李天航(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000)摘 要:多煤层开采过程中上覆采空区有害气体易下泄至下伏采动空间,导致下伏开采工作面有害气体超限。以大同矿区双系煤层群开采侏罗系采空区有害气体向石炭系工作空间下泄为工程背景,应用关键层理论、流体力学等理论,提出了侏罗系采空区有害气体下泄的条件,对双系采空区连通特征进行了分类并给出其判别标准,创建了侏罗系采空区有害气体向石炭系工作面下泄的多参量控制方程。结果表明:大同矿区侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系工作空间或采空区下泄的条件是,双系之间存在一定宽度的气体运移通道且双系流场间存在压差;大同矿区双系间采空区连通特征可以分为双系采空区流场不连通、双系采空区流场连通但不致灾、双系采空区流场连通且可致灾 3 类,同忻矿 8207 工作面与上覆侏罗系采空区的连通特征属于第类;针对同忻煤矿8207 工作面开采条件,应用建立的有害气体下泄多参量控制方程,确定工作面主关键层破断 2 h 后,9 403 10 112 m3的有害气体从侏罗系采空区下泄到 8207 工作面及其采空区,从而导致 8207 工作面采场中有害气体 2 h 内增加 30%33%,易导致工作面有害气体超限。研究成果为多煤层开采上覆采空区有害气体向下伏采动空间下泄的条件、机理、下泄量计算等研究提供了全新的思路。关键词:安全工程;多煤层开采;有害气体下泄;大同矿区;双系连通;多参量控制方程中图分类号:X45 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0064收稿日期:20220112作者简介:霍丙杰,教授,博导,从事矿山压力与矿井动力灾害防治研究,。基金项目:国家自然科学基金项目(52174185);山西省科技计划揭榜招标项目(20191101015);辽宁省教育厅科学技术研究项目(LJ2019FL007)0 引 言煤矿多煤层开采过程中易引起诸多开采问题,如多煤层开采条件下顶板多次破断问题、上煤层开采遗留煤柱对下煤层工作面矿压影响问题、多煤层开采采空区有害气体互扰致灾等问题。大同矿区赋存有侏罗系、石炭系双系煤层群,双系覆岩间有多层坚硬顶板,石炭系主采 35#煤层,8981第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023属于特厚煤层开采。对于特厚煤层综放工作面,由于开采厚度大、覆岩运动范围广,上覆岩层达到运动平衡需要的时间长、工作面采空区悬顶距增大,坚硬顶板的存在使得这一现象更加明显。2014 年,于斌等1最先确定了双系煤层开采煤柱影响下的“煤柱覆岩运动”联合作用的强矿压显现机理。2012 年,许家林等2首次提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法。文献36对大采高覆岩结构特征及运移规律、特厚煤层远近场控顶技术、特厚煤层综放开采覆岩破坏高度等进行了研究,确定特厚煤层综放开采覆岩破坏高度为采高的 10.0 11.5倍;大范围的岩层破断,导致上覆岩层裂隙发育,为上覆采空区有害气体运移提供了通道;在工作面负压通风作用下,远距离上邻近层采空区的有害气体依然会下泄至下煤层回采工作面及采空区,进而造成工作面上隅角有害气体超限,这种致灾现象已经在大同矿区具有双系煤层开采特征的石炭系工作面多次发生。国内外学者对于多煤层开采通风系统优化7,以及上覆采空区有害气体下泄的条件、检验方法、防治技术等进行了一定研究8 13,但对于上覆采空区有害气体下泄与开采条件的定量化关系研究较少。本文根据大同矿区双系煤层开采条件,基于关键层理论、气体运动理论等,分析大同矿区侏罗系采空区有害气体向石炭系采空区、工作空间下泄的条件,并建立有害气体下泄的多参量控制方程,确定有害气体下泄的判别准则,为侏罗系采空区有害气体下泄量评估、石炭系煤层工作面有害气体致灾预测等提供理论支撑。1 工程背景大同矿区同忻煤矿上覆的侏罗系地层距地表240 350 m,主要可采煤层为 7#、9#、11#、12#、14#等。石炭系煤层赋存较深,为 500 800 m,主采煤层为 35#煤层。侏罗系煤层群已经开采完毕,产生了大量的采空区,采空区中赋存有大量的有害气体,条件合适的情况下会下泄到石炭系煤层的作业空间,给石炭系煤层的安全开采带来了较大的隐患。同忻矿石炭系8207 工作面与侏罗系最近的14#煤层采空区间距为 148 162 m,8207 工作面上覆南部、北部对应的区域分别为同家梁矿、永定庄矿侏罗系14#煤层采空区,双系工作面开采特征对应关系见图1。8207 工作面开采 35#煤层,厚度为 14.37 22.91 m,平均厚度为 18.86 m,煤层含多层夹矸,煤层结构复杂,煤层倾角为 1 4。大同矿区石炭系 35#煤层顶板赋存有多层坚硬顶板,采用综放开采技术。35#煤层为低瓦斯赋存,由于开采高度大,工作面瓦斯涌出量较大;且其采动影响空间大,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。根据覆岩结构特征,应用关键层理论,判定第 4、11、15、18 层为关键层。对岩层破断距进行理论计算可知第 11层岩层破断距小于第 4 层岩层破断距,因此判定8207 工作面覆岩第 4、15、18 层岩层为关键层,双系图 1 8207 工作面及其与上覆侏罗系 14#煤层采空区平面关系Fig.1 8207 face and its plane relation withoverlying Jurassic 14#coal seam goaf之间的岩层结构特征见表 1。经实际测定,工作面自开采以来,上隅角瓦斯体积分数平均为 0.5%左右,回风流瓦斯体积分数平均为 0.4%左右。自工作面初次来压后,工作面气体明显开始增加。上隅角最大气体体积分数如下:CH4为2.2%,O2为 17.3%,CO2为 0.48%,CO 为 1.4 10-5;工作面 CH4为 1.11%,回风流 CH4为 0.84%。计算出风排瓦斯量为 2000 m3/min 0.8%=16m3/min;抽放泵排放口 CH4体积分数为 3%,计算出抽放瓦斯量为 1300 m3/min 3%=39 m3/min;8207工作面最大瓦斯涌出量达 16 m3/min+39 m3/min=55 m3/min。此外,顶抽巷内出现浓度较高的 CO2,经计算CO2涌出量达 39 m2/min,可初步判断为上覆采空区积气下泄所致。工作面开采以来瓦斯涌出量曲线见图 2。2 侏罗系采空区有害气体下泄条件分析2.1 双系采空区连通通道形成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的负压通风系统,使其与上覆侏罗系采空区流场间9981 2023 年 6 月 霍丙杰,等:多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨 Jun.,2023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石炭系开采作业空间和 图 2 8207 工作面瓦斯涌出量曲线Fig.2 Gas emission curve of working face 8207表 1 8207 工作面上覆与侏罗系煤层之间岩层结构特征Table 1 Structure characteristics of the rock strata betweenthe 8207 face and the Jurassic coal seam序号层厚/m累计/m岩性备注247177.85侏罗系 14#煤层2314170.85砂质泥岩221.7156.85粗粒砂岩213.6155.15砂质泥岩202.75151.55中粒砂岩1927148.8砂质泥岩1827.5121.8砂砾岩主关键层171.394.3粉砂岩162.793砂砾岩1510.2590.3粉砂岩亚关键层142.4580.05细砂岩134.677.6砂砾岩127.873粉砂岩1111.8565.2砂砾岩104.5553.35粉砂岩94.348.8细粒砂岩84.2344.5中粒砂岩71.6740.27粉砂岩60.5538.6山4煤55.938.05粉砂岩49.932.15细砾岩亚关键层32.822.25粉砂岩20.819.45碳质泥岩118.6518.6535#煤采空区。双系连通通道主要是天然形成的裂隙通道和开采活动形成的采动裂隙。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坚硬岩层,因此双系采空区连通的通道主要以采动影响下形成的采动裂隙为主。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14。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。不同采高和围岩特征情况下,其顶板垮落特征各不相同15,从而导致采场顶板裂缝发育情况各不相同。因此根据工作面采高和覆岩碎胀性对采空区填充程度的影响,对双系采空区连通特征进行分类16 17,连通特征分类及其判别标准见表 2。表 2 中 h 为垮落岩块堆积高度Mk-1与可导致有害气体通过裂缝致灾自由空间高度 1之和,见式(1)。h=Mk-1+1(1)式中 1为可导致有害气体通过裂缝致灾的自由空间高度,m。2.2 双系采空区流场之间的气压差通常煤矿通风系统为负压通风,通风系统的运行使石炭系工作空间内气体压力较低,这样石炭系工作面与侏罗系采空区流场之间就会产生压力差。两点间的压力差与距离的比值即为压力梯度。如果气压梯度不等于 0,气压梯度力会把两点间的流体从气压高的一边推向气压低的一边,这样侏罗系采空区有害气体向下伏石炭系工作面运移,导致石炭系工作面、采空区中有害气体浓度升高、甚至超限。因此,当石炭系煤层采空区中的气体压力与侏 表 2 双系采空区连通特征分类Table 2 Classification of connected features ofJurassic and Carboniferous goaf类型裂隙连通性特征连通性判别标准类双系采空区不连通Hc=Mk-1类双系采空区流场连通但不致灾Mk-1 Hc pjj+pm+pjc(2)式中 pJ、pC分别为侏罗系煤层采空区和石炭系煤层采空区中气体压力,Pa;pjj、pjc分别为进入和流出裂缝的局部阻力损失,Pa;pm为气体通过裂缝的沿程阻力,Pa。3 侏罗系采空区有害气体下泄的多参量控制方程构建3.1 侏罗系采空区有害气体下泄的相关参数分析为了分析侏罗系采空区有害气体下泄条件与机制,首先建立了侏罗系采空区有害气体能否下泄到石炭系煤层工作空间或采空区中的判别流程,见图3。考虑到裂缝通道形成的条件和有害气体致灾程度,选取等效裂缝宽度、等效裂缝长度、等效裂缝通道长度和双系流场间气压差 4 个参数,构建侏罗系采空区有害气体下泄的多参量控制方程。图 3 侏罗系采空区有害气体下泄分析流程Fig.3 Flow of harmful gas discharge analysis in Jurassic goaf3.2 等效裂缝宽度导气裂隙为相互交错甚至贯通的无数裂缝,而这些裂缝的宽度决定着有害气体运移的能力。为了计算所需,本文将采空区上覆岩层发育裂隙简化为与各细小裂缝体积总和近似相等的一条主要裂隙。根据坚硬顶板“OX”破断理论2,工作面自开切眼开始推进,主关键层达到强度极限时,将破断。在主关键层初次垮落之前,顶板可近似看为四边固支的板,因此破断形式为长边中央形成断裂,然后在短边中心处断裂,待四周裂缝贯通形成“O”形后在板中心形成“X”形破坏,见图 4。中间“X”形破断中部即为侏罗系采空区有害气体下泄通道;有害气体下泄的等效通道剖面(II 剖面图)见图 5。图 5 高位关键层初次破断形成的导气裂缝通道Fig.5 Gas-conducting fracture channel formed by thefirst breaking of the high-level key layer当主关键层初次破断时,双系采空区通过裂隙连通。当主关键层周期破断后,在靠近煤壁侧会形成双系采空区连通的导气裂缝通道,两种裂缝通道宽度近似相等。这里只研究侏罗系有害气体下泄的机理,对侏罗系采空区积水的下泄不进行研究。为了方便计算,将其简化为一条理想的裂缝,用等效裂缝宽度统一衡量其宽度。根据顶板 OX 破断特征,对于近水平煤层来说,沿着工作面推进方向,高位坚硬顶板的破断特征相似,可以假设,当高位坚硬岩层达到其破断距时,其沿中部断裂线以直线的形态破断,断裂面平整,导气裂缝由两侧岩块旋转失稳形成,如图 5 所示,将采动裂隙发育区域视为一个等腰梯形。将垮落岩层与侏罗系采空区间的自由空间近似看成一个等腰梯形,因此岩层断裂所形成的等效裂图 4 导气裂缝形成Fig.4 Air-conducting crack formation1091 2023 年 6 月 霍丙杰,等:多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨 Jun.,2023缝宽度即为We=lk-2lk2|2-2(3)式中We为等效裂缝宽度,m;lk为垮落顶板长度,m;为石炭系采空区自由空间高度,m。根据式(3)推导可得=2lkWe-W2e2(4)因此当 =1时,式(1)可表示为h=Mk-1+2lkW-W22(5)式中 W 为双系间主关键层破断形成裂隙宽度,m。据现场调研及裂隙系统气体流动的立方定律18,确定双系采空区间裂隙可以导气并致灾的最小裂缝宽度 W 为100 mm,代入式(5)可得 h=Mk-1+0.2lk-0.012。当高位坚硬岩层破断后,破断岩层一侧发生回转下沉的高度和石炭系采空区中未填满的自由空间高度近似相等,因此 可由石炭系煤层开采后覆岩高位坚硬岩层破断前,矸石未充满采空区的自由空间高度表示。自由空间高度 计算的数学模型见图6。根据勾股定理可得,裂缝一侧垮落岩块在侏罗系煤层采空区侧的投影长度 lp为l2p=lk2|2-2(6)lp=lk2|2-2式中 lp为断裂岩块在侏罗系采空区侧的投影长度,m。图 6 采空区自由空间高度计算数学模型Fig.6 Mathematical model for calculatingthe height of free space in goaf根据几何关系可知,等效裂缝宽度为垮落顶板长度减去裂缝两侧岩块在采空区侧的投影长度,即We=lk-2lp(7)设高位关键层以下的岩层高度为 hk,则高位关键层破断前,采动空间的空间体积为VC=(LM+lk+L2hk)B(8)式中 L 为工作面推进距离,m;B 为工作面长度,m;hk为垮落岩层高度,m。上覆岩层垮落时,岩石垮落填充采空区,则岩层碎胀体积为VY=lk+L2|hkkB(9)由于上覆垮落岩层,落入采空区填充采空区,因此,采空区自由空间体积为VZ=VC-VY(10)由式(8)和(9)可得,自由空间体积为Vz=(LM+lk+L2hk)-lk+L2|hkkB(11)由图 6 可知VZ=B(lk+cot)(12)式中 为岩层移动角。L=lk+2hkcot(13)由式(11)和(12)可得自由空间高度 为=l2k+4LM+lk+L2hk-lk+L2|hkk|cot2cot-lk2cot(14)3.3 等效裂缝长度由采空区岩层垮落移动特征可知,对于近水平煤层来说,有害气体下泄裂缝通道的形状为等腰梯形,从上向下,有害气体下泄裂缝的长度逐渐增加,在最下部与石炭系工作面等长。对于侏罗系有害气体来说,其下泄通道裂缝的有效长度主要取决于上部高位关键层破断形成的裂缝长度(图 4)。因此,用高位关键层破断形成的裂缝长度代替等效裂缝长度。根据岩层移动特征,沿工作面倾向方向,建立侏罗系有害气体下泄的等效裂缝长度与石炭系工作面的几何关系,见图 7。等效裂缝长度为haB-b2=tan(15)b=B-2hatan式中 b 为等效裂缝长度,m;ha为导气裂隙带高度,2091 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期其值为垮落带和裂隙带高度之和,当双系采空区流场连通时,该值为双系间层间距,m。3.4 等效裂缝通道长度等效裂缝面积决定气体运移的阻力,而裂缝通道长度决定上部侏罗系采空区有害气体运移至石炭系采空区或工作空间的时间。双系连通后,侏罗系采空区有害气体并非均匀地由侏罗系采空区各区域向石炭系回采空间下泄,下泄的路径中存在主要的下泄通道。根据相似模拟分析,石炭系采空区覆岩垮落及其裂隙特征见图 819。因此,双系采空区贯通裂缝的发育几何特征可近似为一个梯形的两个腰,梯形中部区域由于压实作用没有贯通裂隙20 21,下泄的主要通道是靠近工作面侧一腰的裂隙,该裂隙即为侏罗系采空区有害气体向石炭系回采空间下泄的主要通道,其决定着侏罗系有害气体的下泄特征22;远离工作面侧另一腰的裂隙,由于双系采空区流场间不存在压力差,对侏罗系采空区有害气体下泄没有影响。因此,侏罗系采空区有害气体下泄的裂缝通道长度,可认为是梯形一腰的长度。图 8 石炭系采空区覆岩垮落特征Fig.8 Characteristics of overburden cavingin Carboniferous goaf周期破断后导气裂隙通道等效长度为图 7 等效裂缝长度计算模型Fig.7 Equivalent crack length calculation modelle=hasin(16)式中 le为周期破断后导气裂隙通道等效长度,m。根据图 5 可知,初次破断形成的导气裂缝通道比周期破断(图 9)形成的裂隙多半个主关键层初次破断的步距。lf=le+lk2(17)式中 lf为初次破断后导气裂隙通道等效长度,m。3.5 双系采空区流场间气体运移分析由伯努利效应可知,当流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小,反之压力增加。反映出流速与压强的关系是:流体的流速越大,压强越小;流体的流速越小,压强越大。由于煤矿井下回采工作面通常采用的是负压通风。因此,相对于侏罗系采空区来说,石炭系煤层工作面回风巷中风流一侧气体压强是相对低的,侏罗系采空区流场与石炭系回采空间流场之间连通后存在压差。侏罗系采空区有害气体下泄通道及下泄机理见图 10。气流通过裂缝通道存在阻力损失,其中包括从高压空间进入裂缝的局部阻力损失pjj、气流通过裂缝的沿程阻力损失pm和从裂缝中流出进入低压区域的局部阻力损失pjc。图 9 石炭系工作面覆岩周期破断形成的导气裂缝通道形态Fig.9 Shape of the gas-conducting fracture channels formedafter the periodic breaking of the overlying rock inthe Carboniferous working face图 10 侏罗系采空区有害气体流场下泄通道及机理Fig.10 Discharge channel and mechanism of theharmful gas flow field in Jurassic goaf3091 2023 年 6 月 霍丙杰,等:多煤层开采上覆采空区有害气体下泄定量化关系探讨 Jun.,2023局部阻力计算公式23为p=v22(18)式中 为局部阻力系数;为空气密度,kg/m3;v为裂缝通道出口处断面流速,m/s。沿程阻力计算公式23为pm=le4Rsv22(19)式中 为摩擦阻力系数;Rs为裂缝的等效水力半径,m。Rs由式(20)计算。Rs=Web2(We+b)(20)因为通过双系裂缝通道气流的能量是由压差引起的,在流动过程中存在动能与势能的转化,符合伯努利方程,所以气流通过裂缝通道的阻力损失和气流动能之和等于压差24。p=pjj+pm+pjc+v22=j+le(We+b)2Web+c+1|v22(21)式中 j、c分别为裂缝通道入口处和出口处局部阻力系数。因此,在压差为p 时,通过裂缝的气流速度vD为vD=2pj+le(We+b)2Web+c+1|(22)3.6 多参量控制方程通过选取等效裂缝宽度、等效裂缝长度、等效裂缝通道长度和双系采空区流场间气体压差 4 个判别指标,并利用流体力学理论,根据各指标与流量、能量间的关系,建立了多场多参量联动的有害气体下泄的多参量控制方程。实现了侏罗系采空区有害气体向石炭系开采空间下泄的定量判别与分析。建立侏罗系煤层采空区有害气体下泄的多参量控制方程为Qh=SvDt(23)式中 Qh为有害气体下泄量,m3;S 为气体下泄裂缝通道等效面积,m2;vD为气体下泄平均速度,m/s;t为有害气体下泄的时间,h。根据现场经验,来压导致双系连通后,有害气体下泄发生在双系连通后的1.5 2 h,这里取 2-le/vD(h)。其中,将裂缝水平截面等效看作矩形,且下泄有害气体量主要由面积最小处决定,根据式(3)和(15)联立可得等效裂缝通道面积为S=Web=lk-2lk2|2-2|B-2hatan|(24)由式(22)(24)可得,主关键层破断周期内,侏罗系采空区有害气体下泄到石炭系煤层开采空间内的多参量控制方程为Qh=2pj+le(We+b)2Web+c+1|lk-2lk2|2-2|B-2hktan|t(25)回采空间中原本有害气体含量较小,在计算中忽略不计。因此采场空间气体体积为Qm=MLmaxB(26)式中 Qm为采场空间气体气体,m3;Lmax为支架最大控顶距,m。因为矿井通风系统会使采场中气体不断流动,所以从侏罗系采空区中下泄的部分有害气体会随着回风流移出采场。假设石炭系采场中有害气体全部来自侏罗系采空区,在顶板来压期间,石炭系采场中有害气体全部变化率,即有害气体的体积变化率为R=Qh-QgtcQm 100%(27)式中 R 为石炭系采场有害气体变化率;Qg为单位时间内回风流中的混合气体量,m3/h;c 为混合气体中有害气体体积分数,%。根据煤矿安全规程中瓦斯防治相关规定,c 取值为 0.75%。4 应用研究1)双系采空区连通特征分析。基于同忻矿 8207 工作面开采条件、覆岩结构及覆岩的碎胀性,应用双系采空区连通特征分类方法,通过计算,确定 8207 工作面覆岩垮落带高度 Hc为75.65 m 59.50 m,因此其连通特征属于第类,即“双系采空区流场连通且可致灾”。2)顶板破断周期内采空区有害气体下泄量预测及对回采空间的影响。将 8207 工作面参数代入式(14),可得关键层顶板下自由空间高度 为 1.45 m。将 8207 工作面参数代入式(3),可得等效裂缝宽度为 We为 0.14 m。将 8207 工作面参数代入式(15),可得等效裂缝长度为 89.2 m。将 8207 工作面参数代入式(17),可得顶板初次4091 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期破断后导气裂隙通道等效长度为 176.83 m。将 8207 工作面参数代入式(16),可得顶板周期破断后导气裂隙通道等效长度为 161.97 m。根据同忻矿生产实践中对双系采空区间气压差实际测定结果可知,通常双系流场间压差 p 约为400 Pa。通过式(22)计算,确定高位主关键层初次破断后导气裂隙通道的气流速度 vD1为 0.128 3m3/s,确定高位主关键层周期破断后形成的导气裂隙通道的气流速度 vD2为 0.134 1 m3/s。根据 式(24),可 得 等 效 裂 缝 通 道 面 积 为12.59 m2。根据式(25),可得高位主关键层初次破断 2 h后,侏罗系采空区有害气体下泄到石炭系煤层开采空间内的量为9 402.9 m3;高位主关键层周期破断2h 后,侏罗系煤层有害气体下泄到石炭系煤层开采空间内的量为 10 111.63 m3。8207 工作面采场空间气体体积为Qm=MLmaxB=18.65 m 6.46 m 200 m=24095.8 m3根据 8207 工作面回风量统计情况,Qg为 50m3/h,带入式(27)可得,高位关键层初次破断 2 h后,8207 工作面采场中有害气体变化率为 30%;高位关键层周期破断 2 h 后,8207 工作面采场中有害气体变化率为 33%。综上计算可得,同忻矿石炭系 8207 工作面主关键层破断后可以使侏罗系采空区有害气体下泄到本工作面,致 8207 工作面采场中有害气体含量大幅增加,造成工作面有害气体超限的灾害,建议 8207 工作面实际开采前需要对上覆采空区有害气体进行疏排,或者开采过程中在工作面来压期间采取均压通风等措施,确保上覆侏罗系有害气体不影响本工作面的安全回采。5 结 论1)确定了大同矿区侏罗系煤层采空区有害气体向石炭系工作空间或采空区下泄的两个条件:一是双系之间存在一定宽度的气体运移通道;二是侏罗系采空区流场气压大于石炭系,两流场间存在压差。2)对大同矿区双系采空区连通特征进行了分类,并建立了不同类型连通通道致灾特征的定量化判别标准。将大同矿区双系采空区连通特征分为双系采空区流场不连通、双系采空区流场连通但不致灾和双系采空区流场连通且可致灾 3 类。3)选取了等效裂缝宽度、等效裂缝长度、等效裂缝通道长度和双系采空区流场间气体压差 4 个参量,建立了大同矿区侏罗系采空区有害气体下泄的多参量控制方程,为多煤层开采采空区流场互扰的定量化研究提供了新方法。4)基于理论研究成果,分析了石炭系 8207 工作面开采过程中上覆侏罗系采空区有害气体下泄特征。研究表明:8207 工作面与上覆侏罗系采空区的连通特征属于第类;工作面主关键层破断 2 h 后,9 403 10 112 m3的有害气体从侏罗系采空区下泄到 8207 工作面及其采空区,从而导致 8207 工作面采场中有害气体 2 h 内增加 30%33%,易导致工作面有害气体超限。研究结果可为 8207 工作面提前预防上覆侏罗系采空区有害气体下泄灾害提供理论指导。参考文献(References):1于斌,刘长友,杨敬轩,等.大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理J.煤炭学报,2014,39(1):4046.YU B,LIU C Y,YANG J X,et al.Mechanism of 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