本煤層超前卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的影響因素研究

吳冬梅，趙 偉，侍大軍，仇海生

（1.永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600；2.河南煤化集團(tuán) 陳四樓煤礦，河南 永城 476600；3.兗州礦業(yè)集團(tuán) 濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272072；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；5.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；6.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著煤炭的采出，工作面的不斷推進(jìn)，工作面前方煤體的水平應(yīng)力表現(xiàn)為卸載過程，在垂直方向上煤體依次經(jīng)歷了原巖應(yīng)力階段、超前支承壓力加載階段及超前支承壓力峰值后的卸載階段。原巖應(yīng)力階段，煤體滲透率較低，本煤層鉆孔瓦斯抽采量極少。超前支承壓力加載階段，煤體中的孔隙裂隙被壓密，滲透率進(jìn)一步降低。超前支承壓力峰值后的卸載階段，煤體滲透率逐漸增大，尤其在卸載階段后期，煤壁附近的煤體因水平應(yīng)力降低而產(chǎn)生破壞，煤體滲透率可增加2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)為“卸壓增透”效應(yīng)。目前，各國(guó)學(xué)者從不同角度對(duì)本煤層瓦斯?jié)B流與煤體應(yīng)力之間的相互作用規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1-9]，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)未能夠反映采動(dòng)引起的煤體應(yīng)力演化全過程，并未建立煤體應(yīng)力與滲透率之間的函數(shù)關(guān)系。為此，針對(duì)工作面前方煤體應(yīng)力的演化全過程設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，開展超前卸壓區(qū)煤體瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，建立超前卸壓區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)值計(jì)算模型，就工作面采高、采深對(duì)超前卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果能夠揭示工作面前方煤體應(yīng)力與瓦斯?jié)B流耦合規(guī)律，明確超前卸壓瓦斯抽采技術(shù)的適用條件，為該技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 工作面煤體瓦斯?jié)B流試驗(yàn)

試驗(yàn)采用流固耦合滲流試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置原理如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖

為隔絕油路和氣路，在煤樣側(cè)面涂上硅橡膠并用熱縮管套住煤樣。甲烷純度為99.99%，由頂部注入。煤樣取自新大地煤礦15#煤，試件長(zhǎng)度0.1 m，直徑0.05 m。

1.1 試驗(yàn)方案

為了獲得工作面前方煤體加載-卸載條件下低滲透煤的固-氣耦合滲流規(guī)律，制定如下試驗(yàn)方案：由于新大地煤礦15#煤埋深337 m，折算成垂直應(yīng)力為8.35 m，工作面超前支承壓力集中系數(shù)區(qū)按照1.8進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力峰值為15 MPa。因此，試驗(yàn)過程中，軸壓卸載起始點(diǎn)為15 MPa，水平應(yīng)力卸載的起點(diǎn)在這個(gè)試驗(yàn)中通過使用廣義胡克定律進(jìn)行計(jì)算。

式中：σx水平應(yīng)力，Pa；μ 為泊松比；σz為垂直壓力，Pa。

之前對(duì)煤樣KY-1進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果給出了煤樣KY-1的泊松比為0.28。當(dāng)σz=15 MPa時(shí)，得到σx=5.83 MPa。因此，試驗(yàn)中水平應(yīng)力卸載的起始點(diǎn)設(shè)置為5 MPa和6 MPa，假設(shè)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力同時(shí)減小。在試驗(yàn)中，水平應(yīng)力以0.008 MPa/s的速度達(dá)到預(yù)置值（5、6 MPa），垂直應(yīng)力以0.008 MPa/s的速度加載，達(dá)到預(yù)設(shè)值（15 MPa）；之后，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力同時(shí)卸載，直到煤樣被破壞。在加載和卸載過程中，垂直應(yīng)力的間隔為0.5 MPa記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

滲透率是進(jìn)行固-氣耦合滲流規(guī)律分析的重要參數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律，試樣的滲透率K可表示為：

式中：K 為滲透率，m2；Q 為瓦斯流量，m3/s；L 為煤樣標(biāo)距，m；η 為瓦斯動(dòng)力黏度，10.9 μPa·s；A 為煤樣橫截面積，m2；p1為入口瓦斯壓力，Pa；p2為出口瓦斯壓力，0.1 MPa。

根據(jù)試驗(yàn)中的煤樣參數(shù)及得到的瓦斯流量數(shù)據(jù)代入式（2），可得到煤巖加載階段和卸載階段滲透率-軸向應(yīng)力關(guān)系曲線（圖2）。

圖2 滲透率-軸向應(yīng)力關(guān)系曲線

煤體滲透率變化受煤體破壞變形影響顯著。從圖 2（a）可以看出，在固定圍壓（5、6 MPa）的軸壓加載過程中，氣體通道關(guān)閉，因此煤巖的滲透性逐漸減小，甲烷流速降低。由圖2（b）可知，在軸壓的初始卸載階段，煤巖的緩慢體積膨脹，煤巖中壓縮孔隙的逐漸恢復(fù)，因此煤巖滲透率略有增加。軸壓的連續(xù)下降，加速了煤巖的膨脹。隨著原生孔隙裂隙的擴(kuò)大和新孔隙裂隙的發(fā)生，煤巖滲透性迅速增加。當(dāng)垂直應(yīng)力下降到在一定程度時(shí)，發(fā)生了突然的應(yīng)力下降，在發(fā)生拉伸剪切破壞后的煤樣中產(chǎn)生了宏觀裂縫，導(dǎo)致煤樣的滲透率急劇增加。

2 本煤層超前卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的影響因素研究

2.1 幾何模型及邊界條件

根據(jù)新大地煤礦15201工作面巖層柱狀，將硬巖層之間的軟巖合并，建立幾何結(jié)構(gòu)模型（圖3）。該計(jì)算模型高度為119.47 m，長(zhǎng)度為160 m，工作面后方采空區(qū)長(zhǎng)度為40 m，將模型上部217 m厚度巖層轉(zhuǎn)換為均布載荷施加在模型頂界面上，頂部載荷為5.44 MPa。在流體計(jì)算方面，計(jì)算區(qū)域?yàn)?5#煤層，煤層頂板、底板及左側(cè)邊界設(shè)置為壓力入口，煤層右邊界設(shè)置為壓力出口；根據(jù)新大地煤礦15201工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，初始瓦斯壓力為0.6 MPa。根據(jù)前文滲流實(shí)驗(yàn)中得到的煤體滲透率與垂直應(yīng)力之間的關(guān)系式確定計(jì)算區(qū)域的滲透率分布規(guī)律。由于胡克定律計(jì)算得到的水平應(yīng)力更接近6 MPa，滲透率與垂直應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系由KY-3試驗(yàn)結(jié)果確定。

圖3 幾何模型

模型可通過改變煤層厚度、上部載荷來模擬工作面采高、采深對(duì)超前卸壓區(qū)瓦斯?jié)B流的影響規(guī)律，模型參數(shù)取值見表1。

表1 模型參數(shù)值

2.2 模擬方案

為了研究采高和采深對(duì)超前卸壓瓦斯?jié)B流的影響規(guī)律，采高設(shè)置為 2、4、6、8 m，采深設(shè)置為 137、237、337、437 m。15201工作面實(shí)際的采高和采深分別為6 m和337 m。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 工作面前方煤體應(yīng)力變化規(guī)律

在方案條件下，不同采高、采深條件下工作面前方煤體垂直應(yīng)力分布曲線如圖4。從圖4（a）、圖4（b）可以看出，隨著采高的增大，超前支承壓力的影響范圍在不斷增加，但是工作面前方超前支承壓力峰值在不斷減小，且超前支承壓力峰值在不斷遠(yuǎn)離工作面。當(dāng)采高由2 m增大至8 m時(shí)，超前支承壓力峰值由18.6 MPa降低至14.0 MPa，峰值與工作面煤壁之間的距離由5 m增大至18 m。對(duì)于15201工作面而言，煤層采高每增加1 m，峰值與工作面煤壁之間的距離增大2.17 m，超前支承壓力峰值降低0.7 MPa。

從圖 4（c）、圖 4（d）可以看出，隨著采深的增大，超前支承壓力峰值不斷增大，峰值位置不斷遠(yuǎn)離工作面煤壁。當(dāng)采深由137 m增大至437 m時(shí)，超前支承壓力峰值由6.3 MPa增大至19.4 MPa，峰值位置與工作面煤壁之間的距離由4 m增大至19 m。對(duì)15201工作面而言，煤層采深每增大100 m，峰值與工作面煤壁之間的距離增大5 m，超前支承壓力峰值增大4.3 MPa。

綜上所述，隨著煤層采高的不斷增大，工作面前方應(yīng)力集中程度減小，但是應(yīng)力集中的范圍在不斷增大。這是由于隨著采高的增大，煤層開采對(duì)圍巖擾動(dòng)的范圍增加，工作面前方煤巖體開始大范圍承載，反而造成支承壓力峰值降低。隨著采深的增大，覆巖厚度不斷增加，垂直應(yīng)力峰值不斷增大。在超前支承壓力增大的同時(shí)，工作面前方煤體塑性區(qū)范圍增大，峰值不斷遠(yuǎn)離工作面煤壁。

2.3.2 作面前方瓦斯?jié)B流變化特征

在各方案條件下，讀取測(cè)線上各點(diǎn)滲透率、瓦斯壓力和瓦斯?jié)B流速度并進(jìn)行后處理，可得到不同采高和采深條件下工作面前煤體滲透率、瓦斯壓力和瓦斯?jié)B流速度分布曲線（圖5）。

從圖5可以看出，在靠近工作面煤壁的過程中，煤體滲透率和瓦斯?jié)B流速度由緩慢降低變化為急劇升高。隨著采高、采深的增大，滲透率和瓦斯?jié)B流速度激增點(diǎn)不斷遠(yuǎn)離工作面煤壁。因此，上述現(xiàn)象說明了采深和采高越大，卸壓增流區(qū)域大。因此，需要根據(jù)不同采高和采深合理設(shè)計(jì)本煤層瓦斯抽采參數(shù)，保證工作面超前卸壓區(qū)瓦斯的有效抽采。

圖4 不同采高、采深條件下工作面前方煤體垂直應(yīng)力分布曲線

圖5 工作面前方煤體滲透率和瓦斯?jié)B流速度變化曲線

3 結(jié)論

1）針對(duì)工作面前方煤體應(yīng)力的演化全過程設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，開展超前卸壓區(qū)煤體瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在圍壓下降到一定程度后，煤巖突然發(fā)生應(yīng)力跌落，煤巖發(fā)生張剪破壞后產(chǎn)生宏觀裂隙，煤巖滲透率發(fā)生突跳，瓦斯流量急劇增加；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了煤樣加載階段及卸載階段滲透率與垂直應(yīng)力的擬合函數(shù)。

2）根據(jù)新大地煤礦15201工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，建立了超前卸壓區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)值計(jì)算模型，就工作面采高、采深對(duì)超前卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明，一方面，隨著采高、采深的增大，超前支承壓力的影響范圍不斷增大，且超前支承壓力峰值位置不斷遠(yuǎn)離工作面煤壁，工作面前方的高滲透率區(qū)域不斷增大；另一方面，超前支承壓力峰值隨采高的增大不斷減小，但隨采深的增大不斷增大。