新維礦區(qū)圍巖瓦斯?jié)B透率演化規(guī)律研究

彭 博 李 雄 饒 孜 胡 勇

(1.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，四川省成都市，610091；2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶市沙坪壩區(qū)，400044；3.四川芙蓉集團(tuán)實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，四川省宜賓市，644002)

瓦斯災(zāi)害是煤礦五大災(zāi)害之一，又是賦存在煤炭中的清潔能源，如何高效、清潔地抽采瓦斯成為煤炭行業(yè)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。川煤集團(tuán)芙蓉公司所轄礦井均屬高瓦斯礦井，瓦斯含量高、地質(zhì)構(gòu)造多、抽采難度大是其瓦斯主要賦存特征，本文旨在如何利用開采技術(shù)、改進(jìn)開采方式，提高煤層的滲透系數(shù)，從而有利于賦存瓦斯的排放與抽采。

1 工作面應(yīng)力分布對(duì)煤巖體瓦斯影響

由于受到采動(dòng)影響，在工作面的向前推進(jìn)過程中，采場(chǎng)的應(yīng)力呈現(xiàn)規(guī)律性重新分布，在原巖應(yīng)力區(qū)，瓦斯?jié)B透率處于初始應(yīng)力狀態(tài)；在彈性變形區(qū)，應(yīng)力出現(xiàn)集中，裂隙開始閉合，瓦斯?jié)B透率出現(xiàn)下降；在塑性變形區(qū)，應(yīng)力開始下降，煤體出現(xiàn)擴(kuò)容，閉合的裂隙逐漸張開，瓦斯?jié)B透率也穩(wěn)步上升；在破裂區(qū)，應(yīng)力急劇下降，裂隙出現(xiàn)貫通，瓦斯的滲透系數(shù)也急劇攀升至極值。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和試驗(yàn)研究表明，對(duì)煤層的滲透系數(shù)變化起主要作用的是支承壓力，在工作面前方，應(yīng)力集中點(diǎn)處的滲透率是極低的，而在工作面附近，應(yīng)力得到極度釋放，裂隙的發(fā)育與貫通到了非常成熟的水平，其滲透率也會(huì)明顯增大，瓦斯的涌出量隨之上升，即“卸壓增流效應(yīng)”，為瓦斯抽放位置的布置和人工的導(dǎo)向提供了合理的依據(jù)，也為高效煤與瓦斯共采打下了基礎(chǔ)。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采場(chǎng)前方的應(yīng)力測(cè)定，由于現(xiàn)場(chǎng)的不確定性因素太多而且地質(zhì)構(gòu)造的不可預(yù)見性，導(dǎo)致測(cè)定的不準(zhǔn)確系數(shù)偏大，目前主要是采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、相似模擬和數(shù)值模擬方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)耗時(shí)耗資巨大，儀器的不穩(wěn)定性以及操作的人為因素會(huì)帶來數(shù)據(jù)上的偏差，而相似模擬過于形象化，對(duì)有限元以及邊界元方法來說，其只能針對(duì)煤巖體破壞之前的狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，要求其處于連續(xù)介質(zhì)的條件下，如果應(yīng)力達(dá)到一定值后出現(xiàn)了位移，那么煤巖體就會(huì)出現(xiàn)裂隙的貫通而裂開，這種情況下的模擬假設(shè)就不能成立。離散單元法剛好相反，其模擬的原理是假設(shè)介質(zhì)是不連續(xù)的，每個(gè)單元體有各自的受力和位移，當(dāng)某個(gè)單元體的位移達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)脫離開來，而煤巖體恰恰是一種為眾多節(jié)理裂隙等弱面或不連續(xù)面所切割的地質(zhì)體，可以看成是不連續(xù)的介質(zhì)。綜上所述，對(duì)受支撐壓力影響而形成眾多不連續(xù)煤體的工作面前方，采用離散單元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是合適的。

2 煤巖體瓦斯?jié)B透力學(xué)機(jī)制

為了方便計(jì)算和模擬煤巖體的裂隙發(fā)育程度，將現(xiàn)實(shí)中的各項(xiàng)異性隨機(jī)分布的裂隙假設(shè)為等間距、平行、等長(zhǎng)、等寬的裂隙組。假定裂隙開度為b，裂隙間距為s，并同時(shí)假定裂隙面內(nèi)和基巖內(nèi)的滲流都滿足達(dá)西定律，即：

式中：qm、qf——基巖和裂隙面內(nèi)的滲流速度，m/s；

J——沿裂隙面方向的水力坡度；

km、kf——基巖和裂隙的滲透系數(shù)，m/s。

由流量疊加原理可導(dǎo)出巖體沿裂隙面的滲透系數(shù)K0為：

式中：b——裂隙開度，m；

s——裂隙間距，m。

一般情況下，介質(zhì)巖體的的滲透系數(shù)km很小，為裂隙孔隙等滲透系數(shù)的幾十甚至幾百分之一，所以可以忽略不計(jì)。此時(shí)式(3)可簡(jiǎn)化為：

上式為裂隙的等效滲透系數(shù)，Levine(1996)得出的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：W——裂隙縫寬，m；

K——絕對(duì)滲透率，μm-3。

可以給出一組平行裂隙的等效滲透系數(shù)為：

式中：β——連通系數(shù)，即裂隙內(nèi)連通面積與裂隙和基質(zhì)巖體的總面積之比；

v——平均流速，m/s；

c——裂隙面相對(duì)粗糙系數(shù)。

當(dāng)煤巖體所受的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，裂隙受力發(fā)生改變，裂隙寬度b發(fā)生變化，則修正之后的滲透系數(shù)K為：

式中：Δb——應(yīng)力變化導(dǎo)致的裂隙寬度變化量，m。

三向應(yīng)力作用下的滲透系數(shù)Ks為：

(8)

式中：K0——圍巖應(yīng)力變化前的滲透系數(shù)，m/s；

Kn——法向剛度，Pa/m；

E——彈性模量，N/m2；

Δσ2、Δσ3、Δσ1——垂向、水平橫向、水平縱向的應(yīng)力增量(取張應(yīng)力為正)，MPa。

從式(1)～式(8)可以看出，圍巖滲透系數(shù)與其應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力變化量有關(guān)，且隨著垂直于裂隙的張應(yīng)力的增加而增加。

3 煤巖體滲透率分析

3.1 煤巖體應(yīng)力與滲透率分布

在煤炭開采過程中，隨工作面采動(dòng)，地應(yīng)力隨之發(fā)生變化，煤巖體受力改變，導(dǎo)致煤巖體裂隙發(fā)生擴(kuò)縮，進(jìn)而對(duì)瓦斯?jié)B透進(jìn)行一個(gè)導(dǎo)向。因此研究煤巖體裂隙與應(yīng)力之間的關(guān)系，是科學(xué)指導(dǎo)瓦斯抽采的核心與關(guān)鍵。

煤礦井下開采從力學(xué)的角度來說就是一個(gè)加卸載過程，不同的開采條件產(chǎn)生的加卸載效果是不同的。保護(hù)層開采的主要目的是利用保護(hù)層開采產(chǎn)生的卸壓釋放作用促使煤層應(yīng)力狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而使煤巖體微裂隙發(fā)育、發(fā)展與貫通，宏觀上的斷裂形成瓦斯流動(dòng)通道，釋放煤巖體地應(yīng)力，降低煤巖體內(nèi)的瓦斯壓力，最終降低煤層開采過程中瓦斯災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)層開采后，煤巖體所處應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了周期性變化，其變化規(guī)律如圖1和圖2所示。

圖1 覆巖應(yīng)力分布示意圖

圖2 保護(hù)層覆巖應(yīng)力分布示意圖

由圖1和圖2可知，各階段煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程為：在原巖應(yīng)力區(qū)，煤層賦存穩(wěn)定，應(yīng)力變化不大；在應(yīng)力上升區(qū)，煤巖體受力增大，煤巖體產(chǎn)生彈塑性變形，出現(xiàn)裂隙；在應(yīng)力卸載區(qū)，應(yīng)力陡然降低，煤巖體裂隙突然發(fā)育；在原巖應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定值，煤巖體裂隙也隨之趨于穩(wěn)定。被保護(hù)層應(yīng)力及滲透率分布如圖3所示。

3.2 煤巖體不同狀態(tài)下的滲透率演化規(guī)律

3.2.1 原巖應(yīng)力區(qū)煤巖體滲透演化規(guī)律分析

在原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，煤巖體裂隙及滲透率也不會(huì)出現(xiàn)變化波動(dòng)。

圖3 被保護(hù)層應(yīng)力及滲透率分布示意圖

3.2.2 彈性變形區(qū)煤巖體滲透演化規(guī)律分析

在煤礦開采過程中，采動(dòng)煤體均歷經(jīng)加載卸載過程，卸荷后，滲透率按照如圖4所示路徑演化，試樣中的裂隙、孔隙未發(fā)生變化，也未出現(xiàn)新的裂隙，煤體僅僅發(fā)生可逆的彈性變形，屬于彈性滲透率模型。

彈性變形區(qū)的滲透率k1和有效體積應(yīng)力為負(fù)指數(shù)關(guān)系。即：

k1=ak0e-bσ(9)

式中：k0——初始滲透率，mD；

a，b——材料參數(shù)；

σ——有效應(yīng)力，MPa。

圖4 彈性模型下滲透率k1與有效應(yīng)力的關(guān)系

3.2.3 塑性變形區(qū)煤巖體滲透演化規(guī)律分析

當(dāng)應(yīng)力超過煤巖體的屈服極限，煤巖體發(fā)生破壞，煤巖體產(chǎn)生永久性不可逆的裂隙，使煤巖體裂隙迅速發(fā)育。

煤體裂隙發(fā)生塑性損傷后，煤體(包括基質(zhì)和裂隙)在卸載過程中應(yīng)力應(yīng)變?nèi)蕴幱趶椥苑懂牐撬苄該p傷，使煤體滲透率同比損失了一部分。引入一個(gè)滲透率損傷因子Dk對(duì)滲透率進(jìn)行修正。即：

kD=DkkL(10)

式中：kD,kL——相同應(yīng)力卸載和加載時(shí)的煤體滲透率，mD。

卸荷后，滲透率按照?qǐng)D5所示路徑演化，卸荷過程的滲透率小于加載過程的滲透率，表明試件發(fā)生損傷，裂隙、孔隙或裂隙寬度發(fā)生了改變，煤體發(fā)生了彈塑性變化，屬于塑性滲透率模型。

圖5 塑性模型下滲透率k2與有效應(yīng)力的關(guān)系

3.2.4 破壞變形區(qū)煤巖體滲透演化規(guī)律分析

應(yīng)力繼續(xù)增大，達(dá)到煤巖體破壞極限，煤巖體極度發(fā)育，可以將現(xiàn)階段的煤巖體破壞分為彈性變形、塑性變形、破壞變形，則煤體破裂后滲透率k3可以描述為：

k3=kD+kr(11)

式中：kr——煤巖體破裂后新增裂隙產(chǎn)生的煤體滲透率。

由于煤體產(chǎn)生大量的新生裂隙，裂隙的體積和連通性等空間分布特征發(fā)生重大改變，流體的滲透通道發(fā)生顯著改變。因此卸載圍壓過程中煤體滲透率的描述關(guān)鍵在于對(duì)煤體裂隙空間特征(體積和連通性等)的描述。在此基礎(chǔ)上建立卸載煤巖體滲透率變化描述方程。

卸荷后，滲透率按照?qǐng)D6所示路徑演化，卸荷到一定程度后滲透率大于加載過程的滲透率，滲透率出現(xiàn)突變，可建立裂隙滲透率模型。

圖6 破裂模型下滲透率k3與有效應(yīng)力的關(guān)系

4 新維煤礦8104風(fēng)巷圍巖滲透率演化規(guī)律

4.1 新維煤礦8104風(fēng)巷建模

新維煤礦為川煤集團(tuán)芙蓉公司下屬煤礦，8104工作面所采煤層為8#煤層，位于新場(chǎng)井一盤區(qū)東翼+420～+508 m，走向長(zhǎng)120 m，傾斜長(zhǎng)430 m，回采面積51600 m2，工作面工業(yè)儲(chǔ)量264192 t,可采儲(chǔ)量(按采高3.2 m計(jì)算)為235296 t。埋深548 m，最小埋深492 m，8104工作面瓦斯涌出量5.37 m3/min。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)8104風(fēng)巷的頂?shù)装迩闆r，建立60 m×60 m×40 m的數(shù)值模擬模型，風(fēng)巷埋深按照500 m計(jì)算，對(duì)模型頂部施加10 MPa的垂向應(yīng)力，模型x和y水平方向分別施加13 MPa的水平應(yīng)力，并對(duì)模型的底部以及四周進(jìn)行位移矢量固定。給模型賦值見表2。

表2 模型巖層參數(shù)賦值表

4.2 新維煤礦8104風(fēng)巷圍巖滲透率演化規(guī)律

針對(duì)新維煤礦8104風(fēng)巷的地質(zhì)資料，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到風(fēng)巷的初始滲透率為1.07 mD，取圍巖滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式：

k=4.52k0e-0.109σ(12)

帶入滲透率演化曲線得到新維煤礦8104風(fēng)巷滲透率演化公式為：

式中：k0——原巖應(yīng)力區(qū)滲透系數(shù)；

k1——彈性變形區(qū)滲透系數(shù)；

k2——塑性變形區(qū)滲透系數(shù)；

k3——破壞變形區(qū)滲透系數(shù)。

新維煤礦8104風(fēng)巷滲透率演化曲線如圖7所示。

圖7 新維煤礦8104風(fēng)巷滲透率演化曲線

將滲透率演化曲線公式利用fish語(yǔ)言帶入FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，得出8104風(fēng)巷掘進(jìn)15 m、25 m、45 m時(shí)圍巖滲透率變化值，如圖8所示。

圖8 8104風(fēng)巷在不同掘進(jìn)距離條件下的k值分布云圖

由圖8可知，隨著8104風(fēng)巷掘進(jìn)，滲透率值在圍巖中的變化情況不大，最大值皆為3.51 mD，皆出現(xiàn)在頂?shù)装鍍?nèi)1.6 m左右范圍內(nèi)。

由此得出結(jié)論：煤巖體的瓦斯?jié)B透系數(shù)不隨巷道掘進(jìn)變化而變化，滲透率數(shù)值和分布范圍相對(duì)頂?shù)装遢^為固定。針對(duì)新維煤礦8104風(fēng)巷滲透率分析模擬來看，其滲透系數(shù)最大值為3.51 mD，大于3 mD，滿足瓦斯自主解析要求。

5 結(jié)論

(1)按照應(yīng)力分區(qū)，得出不同應(yīng)力狀態(tài)下滲透率隨有效應(yīng)力變化的演化曲線。

(2)煤巖體的瓦斯?jié)B透系數(shù)不隨巷道掘進(jìn)變化而變化，滲透率數(shù)值和分布范圍相對(duì)頂?shù)装遢^為固定。

(3)新維煤礦8104風(fēng)巷滲透率分析模擬來看，其滲透系數(shù)最大值為3.51 mD，大于3 mD，滿足瓦斯自主解析要求。