上覆煤層開采后下伏煤層滲透性變化規(guī)律研究

馮　輝，高　杰，胡欽濤

(1.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505；2.寧夏理工學(xué)院，寧夏 石嘴山 753000)

上覆煤層開采后下伏煤層滲透性變化規(guī)律研究

馮輝1，高杰2，胡欽濤1

(1.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505；2.寧夏理工學(xué)院，寧夏 石嘴山 753000)

[摘要]上覆煤層開采后，掌握下伏煤層滲透率的變化規(guī)律是瓦斯抽采的關(guān)鍵。采用FLAC3D對上覆煤層開采進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示：當(dāng)膨脹變形為正時(shí)，下伏煤層煤體被加載壓縮；當(dāng)膨脹變形為負(fù)時(shí)，下伏煤層煤體被卸載拉伸。采用瞬態(tài)壓力脈沖法測定下伏煤層的滲透率，由實(shí)驗(yàn)室加載-卸載實(shí)驗(yàn)得到滲透模型：加載過程中滲透率與軸向應(yīng)變成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；卸載過程中滲透率與軸向應(yīng)變成正指數(shù)函數(shù)關(guān)系。最終得出膨脹變形值與滲透率方程關(guān)系，以此分析上覆煤層開采后下伏煤層滲透率的演化規(guī)律。

[關(guān)鍵詞]下伏煤層；滲透率；瓦斯；加載-卸載

大量實(shí)踐證明，煤層開采過后，鄰近煤巖體的原有地應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致頂?shù)装宓拿簬r體出現(xiàn)移動(dòng)變形、膨脹卸壓，從而產(chǎn)生大量縱向和橫向的裂隙和孔隙。在此過程中，鄰近煤層原有的平衡瓦斯壓力也被打破[1-2]，發(fā)生卸壓現(xiàn)象。上覆煤層開采引起下伏煤層的變形，上覆煤層采動(dòng)過程中，下伏煤層經(jīng)歷了不同的受力過程，即加載-卸載過程；自從哈秋舲[3-5]提出“卸荷巖體力學(xué)”以來，不同的學(xué)者分別采用卸載實(shí)驗(yàn)來研究卸載狀態(tài)下巖石的強(qiáng)度特征、變形破壞特征、破壞形式等，普遍證實(shí)了加、卸載不同力學(xué)路徑下，煤巖體的力學(xué)性質(zhì)有著本質(zhì)的區(qū)別[6-8]。本文以上覆煤層開采為背景，通過卸載實(shí)驗(yàn)，研究下伏煤層卸載煤體的滲透性規(guī)律。

1試驗(yàn)工作面概況

山西呂梁離柳礦區(qū)某礦3號煤層3313工作面地面標(biāo)高942～1089m，工作面標(biāo)高為560～605m，工作面走向長度為1633m，傾向長度為170(60)m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，近似水平，傾角平均4°，煤層平均厚度2m。3313工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，基本為單斜構(gòu)造，埋深382～484m，瓦斯壓力0.21～1.03MPa，瓦斯含量2.35～11.29m3/t。3313工作面實(shí)際配風(fēng)量935m3/min，絕對瓦斯涌出量14.9m3/min。工作面煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1　3313工作面煤層柱狀

2上覆煤層開采數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型建立

采用FLAC3D對上覆煤層開采進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。模型大小為400m×400m×200m，底部邊界固定，四周為滾軸邊界，上部施加原巖應(yīng)力6.5MPa，水平施加4MPa應(yīng)力。

圖2　FLAC3D數(shù)值模型計(jì)算

為獲得上覆煤層開采后下伏煤層膨脹變形情況，在4號煤層下伏煤層頂板及底板布置位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)之間的距離為5m，如圖3所示。

圖3　被保護(hù)層監(jiān)測點(diǎn)位置

2.2模擬結(jié)果分析

利用FLAC3D本身攜帶的hist命令將保護(hù)層開挖50m，100m和200m以后的頂板、底板位移值進(jìn)行提取，然后利用Matlab計(jì)算下伏煤層在上覆煤層開挖不同距離后的膨脹變形變化情況，如圖4所示。

下伏煤層的膨脹變形率是指下伏煤層底板、頂板位移之差與下伏煤層厚度的百分比，它可以用來判定下伏煤層的卸壓程度，公式為：

(1)

圖4　上覆煤層開挖不同距離下伏煤層膨脹變形情況

式中，S為煤層膨脹變形率，‰；d頂板煤層頂板位移，m；d底板為煤層底板位移，m；m為煤層厚度，m。

由圖4可知，膨脹變形有正負(fù)之分，當(dāng)膨脹變形為正時(shí)，下伏煤層煤體被加載壓縮；當(dāng)膨脹變形為負(fù)時(shí)，下伏煤層煤體被卸載拉伸，具體結(jié)果如表1所示。

表1　被保護(hù)層膨脹變形結(jié)果

3加載-卸載實(shí)驗(yàn)及下伏煤層滲透率變化

實(shí)驗(yàn)采用的煤樣取自下伏煤層，將煤樣制作成型煤，通過煤巖應(yīng)力-滲透耦合儀進(jìn)行加-卸載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的力學(xué)路徑為固定軸向位移卸圍壓和固定差應(yīng)力卸圍壓[9]。將試樣的初始圍壓設(shè)定為8MPa和6MPa，然后進(jìn)行加載。當(dāng)加載至屈服點(diǎn)后稍許進(jìn)行卸載實(shí)驗(yàn)，在卸載過程中采用瞬態(tài)壓力脈沖法測定試樣滲透率。

3.1瞬態(tài)壓力脈沖法測定滲透率的原理

采用瞬態(tài)壓力脈沖法進(jìn)行滲透率的測定，其方程[10-11]為

Pup(t)-Pdown(t)=(Pup(t0)-Pdown(t0))e-αt

(2)

α=(kA/μβL)(1/Vup+1/Vdown)

(3)

式中，P為儲氣罐的壓力，MPa；α為氣體壓力隨時(shí)間衰減過程中的指數(shù)擬合因子；k為滲透率，mD；A為試樣面積，m2；L為試樣長度，m；V為儲氣罐的體積，mL；μ為動(dòng)力黏度，MPa·s；β為氣體壓縮因子，MPa。

當(dāng)Vup=Vdown時(shí)，在不計(jì)管路體積的條件下，公式(3)可簡化為

(4)

根據(jù)公式(2)和(4)并結(jié)合壓力脈沖曲線算出α，由于L和A值是已知的，將α值代入公式(4)，就可以得到滲透率k值的大小。瞬態(tài)壓力脈沖曲線如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓，通過計(jì)算機(jī)可以獲得每時(shí)刻所對應(yīng)的電壓值，由電壓值可轉(zhuǎn)換成上下游儲氣罐的壓力差(1V≈0.22MPa)，由此根據(jù)公式(2)計(jì)算出α，然后根據(jù)公式(4)計(jì)算得出滲透率k。

圖5　滲透率測定瞬態(tài)脈沖曲線

3.2固定軸向位移卸圍壓滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用瞬態(tài)壓力脈沖的方法，在初始圍壓為8MPa和6MPa的條件下固定軸向位移卸載圍壓，滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　初始圍壓8MPa固定軸向位移卸圍壓滲透性變化

由圖6、圖7可知，固定軸向位移卸圍壓過程中，初始階段差應(yīng)力減小速率緩慢，當(dāng)試樣損傷達(dá)到一定程度，隨著差應(yīng)力減小速率迅速增大；試樣加載過程中，滲透率逐漸減小，當(dāng)加載至屈服點(diǎn)后少許開始卸載，此過程中滲透率逐漸增大，且增大速率也逐漸變大。不同圍壓條件下固定軸向位移卸圍壓滲透率測定結(jié)果如表2所示。

圖7　初始圍壓6MPa固定軸向位移卸圍壓滲透性變化

表2　不同初始圍壓下固定軸向位移卸載實(shí)驗(yàn)滲透率測定結(jié)果

3.3固定差應(yīng)力卸圍壓滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用瞬態(tài)壓力脈沖的方法，在初始圍壓8MPa和6MPa的條件下固定差應(yīng)力卸載圍壓，滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　初始圍壓8MPa固定差應(yīng)力卸圍壓滲透性變化

圖9　初始圍壓6MPa固定差應(yīng)力卸圍壓滲透性變化

由圖8、圖9可知，固定差應(yīng)力卸圍壓過程中，初始階段差應(yīng)力不變，當(dāng)試樣損傷達(dá)到一定程度，隨著圍壓的卸載差應(yīng)力減小速率迅速增大；試樣加載過程中，滲透率逐漸減小，當(dāng)加載至屈服點(diǎn)后少許開始卸載，此過程中滲透率逐漸增大，且增大速率也逐漸變大。不同圍壓條件下固定差應(yīng)力卸圍壓滲透率測定結(jié)果如表3所示。

3.4滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過兩種力學(xué)路徑的卸載實(shí)驗(yàn)得到卸載過程中試樣的滲透率，將表2、表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到結(jié)果如表4所示。

表3　不同初始圍壓下固定差應(yīng)力卸載實(shí)驗(yàn)滲透率測定結(jié)果

表4　煤樣軸向應(yīng)變與滲透率的關(guān)系

由表4可知：加載過程中滲透率與軸向應(yīng)變成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；卸載過程中滲透率與軸向應(yīng)變成正指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(1)加載過程

k=A1e-B1ε

(6)

(2)卸載過程

k=A2eB2ε

(7)

式中，A1，A2，B1，B2為擬合系數(shù)，反應(yīng)了滲透率對軸向應(yīng)變的敏感程度。

3.5下伏煤層滲透性變化特征

上覆煤層開采后，下伏煤層受采動(dòng)影響而發(fā)生膨脹變形，即下伏煤層在垂向上受到拉伸或者壓縮，這跟實(shí)驗(yàn)室得到的滲透模型中的軸向應(yīng)變具有相似性，因此可以運(yùn)用模擬得到的下伏煤層膨脹變形代替軸向應(yīng)變進(jìn)行解算滲透率。

為簡化工程問題而得到煤體的滲透率分布特征，由2.2節(jié)得到下伏煤層的膨脹變形值代替軸向應(yīng)變代入滲透性實(shí)驗(yàn)方程即可。由于以此只能獲得煤體滲透率的分布特征，而不能得到真正的滲透率的值，因此擬合系數(shù)A1，B1，A2，B2大小的選擇不影響得出的滲透率的分布特征。根據(jù)煤樣選取地點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力值以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件，得出的膨脹變形值與滲透率方程關(guān)系如表5所示。

表5　膨脹變形與滲透率方程的關(guān)系

使用Matlab將膨脹變形值進(jìn)行整理，代入表5的方程中得到開挖不同距離下伏煤層的滲透率分布情況，如圖10所示。

圖10　開挖不同距離下伏煤層滲透率變化特征

由圖10可知，上覆煤層采動(dòng)后下伏煤層工作面滲透率出現(xiàn)了滲透率增大區(qū)、滲透率減小區(qū)和原始滲透率區(qū)，且隨著上覆煤層的向前推進(jìn)，下伏煤層滲透率增大區(qū)范圍在變大；在工作面傾向上滲透率最大處在始采線前方以及停采線后方25～35m范圍，最小處在始采線后方以及停采線前方10～15m范圍；工作面在走向上滲透率增大最大處在距離風(fēng)巷、機(jī)巷內(nèi)側(cè)25～35m范圍，最小處在距離風(fēng)巷、機(jī)巷外側(cè)10～15 m范圍。

4結(jié)論

以上覆煤層開采為背景，通過實(shí)驗(yàn)室加載-卸載實(shí)驗(yàn)，研究下伏煤層卸載煤體的滲透性規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1)煤體在加載階段，滲透率逐漸減小，達(dá)到卸荷點(diǎn)后的卸載階段，滲透率迅速增大，且增大速率逐漸變大。

(2)通過對滲透率測試結(jié)果的擬合可知，卸載力學(xué)路徑下，加載階段，煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系為k=A1e-B1ε；卸載階段，煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系為k=A2eB2ε。

(3)上覆煤層采動(dòng)后下伏煤層工作面滲透率出現(xiàn)了滲透率增大區(qū)、滲透率減小區(qū)和原始滲透率區(qū)，且隨著上覆煤層的向前推進(jìn)，下伏煤層滲透率增大區(qū)范圍在變大；在距巷道和切眼向內(nèi)25～35m處滲透率出現(xiàn)最大值，距巷道和切眼向外10～15m處滲透率出現(xiàn)最小值。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Research on Permeability Change Law of Underlying Coal Seam after Overlying Coal Seam Mining

[收稿日期]2015-09-07[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.031

[作者簡介]馮輝(1987-)，男，河南商丘人，碩士，從事瓦斯治理工作。

[中圖分類號]TD712.52

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0117-05

[引用格式]馮輝，高杰，胡欽濤.上覆煤層開采后下伏煤層滲透性變化規(guī)律研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：117-121.