采動卸壓區(qū)域瓦斯解吸規(guī)律研究

李堯斌，李重情，劉 健

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

瓦斯在煤層中的賦存以游離與吸附方式存在，游離瓦斯主要賦存在裂隙、大孔、中孔中，而吸附瓦斯主要賦存在微孔隙和微裂紋表面[1]。在礦井生產(chǎn)過程中，采掘工程破壞了原巖應(yīng)力場的平衡和原始瓦斯壓力的平衡，形成了采掘周圍巖體的應(yīng)力重新分布和瓦斯運(yùn)移[2]。受采動卸壓影響，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，形成新的孔隙結(jié)構(gòu)，在此過程中瓦斯會發(fā)生解吸，增加瓦斯壓力。一般情況是，在瓦斯壓力和煤體應(yīng)力相互作用的過程中煤和瓦斯發(fā)生運(yùn)移，并重新達(dá)到平衡，嚴(yán)重情況則是發(fā)生強(qiáng)運(yùn)移過程，即出現(xiàn)煤與瓦斯突出等瓦斯動力現(xiàn)象?？梢?，了解卸壓煤體解吸規(guī)律，掌握瓦斯壓力變化情況，對減小煤體瓦斯壓力梯度，控制瓦斯動力災(zāi)害有著重要意義。

針對瓦斯解吸規(guī)律，很多學(xué)者開展了一系列研究工作。曹垚林等[3]對不同粒度煤樣進(jìn)行了瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著煤樣粒度增大，前5min內(nèi)解吸量呈逐漸減小趨勢，其中6mm以下粒度表現(xiàn)最為明顯；5min后解吸強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，與粒度關(guān)系不明顯。李云波[4]利用自制的瓦斯解吸試驗(yàn)裝置對不同壓力、不同粒度條件下的煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在其他條件相同的情況下，瓦斯解吸初速度隨粒度的減小而增大。由于煤礦煤層中多含有水分，李曉華等[5]對煤在相同吸附平衡壓力和解吸時(shí)間條件下的瓦斯解吸量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤樣水分含量越大，瓦斯解吸量越小。進(jìn)而，張國華、趙東等[6-7]利用自制的瓦斯解吸試驗(yàn)裝置進(jìn)行了不同條件下的高壓注水解吸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓注水后瓦斯解吸量會大大減少，可降至自然解吸量的50%～70%，且瓦斯解吸的終止時(shí)間提前。許江等[8]通過自主研發(fā)的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤體滲透率是隨溫度升高而逐漸降低的。目前對瓦斯解吸規(guī)律研究主要是采用實(shí)驗(yàn)研究的方法進(jìn)行的，筆者通過數(shù)理分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法對采動卸壓條件下瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行研究，找到瓦斯壓力與采動卸壓后煤體應(yīng)力之間的關(guān)系。

1 采動卸壓瓦斯解吸理論分析

采動卸壓前瓦斯處于解吸和吸附的平衡共生態(tài)，在工作面前方一定體積煤體內(nèi)所含瓦斯總量是恒定的，并由吸附瓦斯和游離瓦斯共同組成。假設(shè)：①煤體變形是微小的，且忽略孔隙煤體骨架解吸收縮變形；②含瓦斯煤體為均質(zhì)各向同性材料；③煤體在采動卸壓運(yùn)動過程中溫度保持不變。

采動前，單位體積煤體瓦斯氣體符合氣體狀態(tài)方程，見式(1)。

(1)

式中：P1為采動前游離瓦斯氣體壓力，Pa；V1為采動前單位煤體內(nèi)游離瓦斯體積，m3；n1為采動前單位煤體游離瓦斯物質(zhì)的量，moL；Z為壓縮系數(shù)，表示實(shí)際氣體與理想氣體間的偏差；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(K·moL)；T為熱力學(xué)溫度，k。

由于卸壓影響，單位煤體在卸壓前后體積應(yīng)變會發(fā)生變化，且突出煤和非突出煤的全應(yīng)力-應(yīng)變在力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中變形總體規(guī)律基本一致[9]。假設(shè)單位體積煤體的三個邊長分別為dx、dy、dz，變形后分別為dx(1+εx)、dy(1+εy)、dz(1+εz) ，由假設(shè)①可得單位體積煤體的變化量ε即為游離瓦斯的增加量，見式(2)。

(2)

根據(jù)假設(shè)②并結(jié)合廣義胡克定律[10]有式(3)。

(3)

式中：E為彈性模量，MPa；ν為泊松比，為常數(shù)；σx,σy,σz為分別為煤體在X，Y，Z方向上的應(yīng)力分量，MPa。

受卸壓作用影響，卸壓區(qū)域瓦斯吸附和解吸之間的平衡共生態(tài)被打破，瓦斯壓力發(fā)生變化。設(shè)由吸附態(tài)瓦斯解吸出的游離瓦斯物質(zhì)的量為△n，采動卸壓煤體變形后的瓦斯壓力為P2，根據(jù)假設(shè)③可得式(4)。

(4)

將游離瓦斯增加量ε代入到式(4)中可得式(5)。

(5)

所以，可得采動卸壓區(qū)域煤體變形后的瓦斯壓力見式(6)。

(6)

煤體在卸壓前的游離瓦斯體積V1為單位煤體體積減去煤體骨架體積，可通過實(shí)驗(yàn)確定?！鱪為解吸出瓦斯物質(zhì)的量，當(dāng)煤體初始瓦斯壓力確定，一定體積煤體內(nèi)所含瓦斯總量是恒定的。假若在卸壓變形后游離瓦斯量不變，即△n為零，此時(shí)瓦斯壓力為瓦斯壓力極限小值Pmin，見式(7)。

(7)

則可得采動卸壓前瓦斯壓力和極限小值Pmin間的壓力降ΔP1，見式(8)。

(8)

此值就是實(shí)際產(chǎn)生瓦斯解吸的等效負(fù)壓驅(qū)動力，在此驅(qū)動力作用下吸附瓦斯進(jìn)行解吸，進(jìn)而達(dá)到新的動態(tài)平衡，稱之為等效負(fù)壓驅(qū)動效應(yīng)。張洪良等[11]在自制的負(fù)壓環(huán)境瓦斯解吸模擬測定裝置上進(jìn)行了相關(guān)研究，研究表明隨著負(fù)壓的升高，累積瓦斯解吸量越大。

假若全部吸附瓦斯都解吸為游離瓦斯，且煤體變形量保持不變，則瓦斯壓力達(dá)到最大，其作用力也相應(yīng)達(dá)到最大，即得瓦斯壓力極限大值Pmax，見式(9)。

(9)

式中：n2為采動前單位煤體吸附瓦斯物質(zhì)的量。

此極限大值是瓦斯壓力破壞的最大作用力，是一個理論極大值，因?yàn)殡S著瓦斯解吸量不斷增加，瓦斯壓力會進(jìn)一步增大(安豐華等[12]對瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了瓦斯解吸量與瓦斯壓力的關(guān)系式)，將超過煤體施于的有效應(yīng)力作用，煤體變形量就不可能保持不變，這與公式(9)的前提相矛盾，即實(shí)際煤體在瓦斯壓力達(dá)此極限值之前一定變形。也就是說，在瓦斯壓力逐漸增達(dá)靠近此值的過程中，煤體會發(fā)生新的變形，在瓦斯壓力作用下，孔隙和裂紋進(jìn)一步發(fā)育，煤體瓦斯運(yùn)移會達(dá)到新的平衡，甚者將發(fā)生煤與瓦斯突出等瓦斯動力現(xiàn)象。

2 工程現(xiàn)場試驗(yàn)分析研究

為探明在采動卸壓作用下的瓦斯解吸規(guī)律，對淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東煤礦1252(1)工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，分別在工作面軌道順槽和運(yùn)輸順槽安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)和瓦斯壓力表，對煤層應(yīng)力和瓦斯壓力進(jìn)行實(shí)測，測得結(jié)果如圖1至圖4所示。

圖1 軌道順槽測點(diǎn)1應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖2 運(yùn)輸順槽測點(diǎn)1應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖3 軌道順槽測點(diǎn)2應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖4 運(yùn)輸順槽測點(diǎn)2應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

由圖1～4，可見1252(1)工作面瓦斯壓力與采動煤體應(yīng)力存在密切的對應(yīng)關(guān)系。軌道順槽的最大瓦斯壓力達(dá)到0.32MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)；最大峰值應(yīng)力達(dá)到24MPa左右，應(yīng)力峰值區(qū)域在距工作面15～25m處。運(yùn)輸順槽的最大瓦斯壓力達(dá)到0.68MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)；最大峰值應(yīng)力達(dá)到17MPa左右，應(yīng)力峰值區(qū)域在距工作面10～30m處。在工作面推進(jìn)過程中，軌道順槽的最大瓦斯壓力為0.14MPa左右，最大峰值應(yīng)力為22MPa左右，其影響范圍約有80m；運(yùn)輸順槽的最大瓦斯壓力為0.22MPa左右，最大峰值應(yīng)力為18MPa左右，其影響范圍約有70m。

由理論分析可知，煤體采動應(yīng)力變化是影響瓦斯壓力的主要因素，瓦斯壓力隨采動卸壓后應(yīng)力變化而變化。在工作面推進(jìn)方向應(yīng)力出現(xiàn)集中，瓦斯壓力也隨出現(xiàn)集中，但在應(yīng)力峰值之后一小段范圍內(nèi)，瓦斯壓力進(jìn)一步在增大，這就是相當(dāng)于ΔP1的推動作用，所以呈現(xiàn)了工作面前方瓦斯壓力峰值略落后于應(yīng)力峰值現(xiàn)象。從另一個角度，由于瓦斯壓力增加，阻礙了煤體的收縮程度，促進(jìn)煤體內(nèi)部裂紋發(fā)生[13]。所以，隨著煤體的孔隙和裂紋進(jìn)一步發(fā)育，煤體的透氣性增大，提供給游離瓦斯的空間增加，致使瓦斯壓力升至一定值后逐漸降低，且此值必小于Pmax。

此外，對圖2與圖3、圖4與圖5的比較發(fā)現(xiàn)，軌道順槽煤體應(yīng)力大于運(yùn)輸順槽煤體應(yīng)力，但瓦斯壓力卻是軌道順槽的小于對應(yīng)運(yùn)輸順槽的，這似乎與應(yīng)力主導(dǎo)瓦斯壓力的對應(yīng)關(guān)系相矛盾。據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況分析，應(yīng)該是軌道順槽側(cè)臨近上一工作面采空區(qū)，為受其卸壓瓦斯?jié)B流釋放影響所致。

3 結(jié)論

1)采動應(yīng)力變化是導(dǎo)致瓦斯解吸的原始驅(qū)動力，是瓦斯解吸背后的動因，在距工作面10～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)集中。

2)受采動卸壓影響，瓦斯隨之發(fā)生解吸，并由于等效負(fù)壓驅(qū)動效應(yīng)，瓦斯壓力的峰值落后于煤體應(yīng)力峰值，在距工作面距離20～30m范圍間達(dá)到最大值，且峰值小于理論極大值Pmax。

3)軌道順槽應(yīng)力峰值及其影響范圍大于運(yùn)輸順槽。

4)由于瓦斯解吸影響因素復(fù)雜，如煤的性質(zhì)、地質(zhì)條件、溫度、透氣性、含水率、應(yīng)力狀態(tài)等，針對采動卸壓后瓦斯解吸規(guī)律有待進(jìn)一步考慮多因素同時(shí)交叉作用情況下的細(xì)化研究。

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