孤島工作面瓦斯?jié)B透規(guī)律與排放寬度研究

趙志華

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司 ，山西 高平 048400）

0 引 言

孤島工作面回采期間，覆巖活動(dòng)劇烈，礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生煤與瓦斯突出[1]。眾多學(xué)者認(rèn)為煤與瓦斯突出主要是瓦斯、煤的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力三者綜合作用的結(jié)果，如何快速、準(zhǔn)確地測(cè)定突出的相關(guān)預(yù)測(cè)指標(biāo)，是高突礦井孤島工作面急需解決的問(wèn)題[2-4]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，工作面回采期間，其周?chē)后w透氣性增強(qiáng)，瓦斯大量排出，在回采巷道兩幫和掘進(jìn)面會(huì)形成卸壓區(qū)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作，主要是對(duì)工作面前方一定范圍的瓦斯壓力和應(yīng)力狀況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)卸壓區(qū)域?qū)挾?，以此?lái)判斷卸壓帶能否阻止煤與瓦斯突出的發(fā)生[5-7]。本文以伯方煤礦3205孤島工作面為研究對(duì)象，分析工作面回采期間煤層滲透性變化特征，并采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段確定工作面瓦斯排放寬度，研究成果可為類(lèi)似礦井起到指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)與開(kāi)采條件

伯方煤礦3205工作面井下位于二盤(pán)區(qū)左翼，兩側(cè)的3207工作面和3203工作面均已完成開(kāi)采，屬于典型的典型的孤島工作面。工作面長(zhǎng)度157m，推進(jìn)長(zhǎng)度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高綜放開(kāi)采工藝。工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度4.82～5.46m；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角 2～6°，煤體平均抗壓強(qiáng)度11.4MPa；煤層層理、節(jié)理為中等發(fā)育。工作面直接頂為粉砂巖，厚度約3.51m，抗壓強(qiáng)度15.44MPa；基本頂為中砂巖，厚度4.55m，抗壓強(qiáng)度32.33MPa；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度1.64m，抗壓強(qiáng)度15.43MPa；基本底為粉砂巖，厚度4.27m，抗壓強(qiáng)度42.55MPa。工作面瓦斯壓力變化范圍在0.18～0.57MPa之間，瓦斯含量變化范圍在1.0128～3.0225m3/t之間。

2 孤島工作面滲透率分布特征

2.1 數(shù)值模型建立

采用COMSOL Multiphysics中的固體力學(xué)和PDE自定義模塊，建立的幾何模型和邊界條件，如圖1所示，圖中數(shù)字表示模型的開(kāi)挖順序。

圖1 模型幾何模型及邊界條件

其中煤層上部載荷為負(fù)重巖層重力，頂板上覆巖層深度為5～50m，巖層平均密度為2600kg/m3。模型左右邊界分別為固定邊界和對(duì)稱(chēng)邊界，工作面四周為不透氣邊界，右邊界在開(kāi)挖后為壓力值是大氣壓的恒壓邊界。模型中所采用的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

圖2為3205孤島工作面第1次和第2次開(kāi)挖后應(yīng)力分布特征。

由圖2（a）可知，受開(kāi)采擾動(dòng)影響，煤巖層原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在采掘空間隨后的很短時(shí)間內(nèi)，在采掘空間交界位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中區(qū)域，致使該區(qū)域煤體產(chǎn)生破碎變形，應(yīng)力集中區(qū)域向煤體后方轉(zhuǎn)移，最后穩(wěn)定后形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)；其中卸壓區(qū)寬度在3～4m之間，工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力峰值離工作面的距離為8m左右。由圖2（b）可知，第2次開(kāi)挖后，工作面前方應(yīng)力狀態(tài)與第1次類(lèi)似，在離回采面較近區(qū)域也是分為卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

圖2 3205孤島工作面開(kāi)挖后應(yīng)力分布特征

圖2 為3205孤島工作面第1次開(kāi)挖完成后工作面前方煤體壓碎破壞產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變和開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力張量xy分量分布特征。

圖2 工作面第1次開(kāi)挖后塑性應(yīng)變和應(yīng)力張量分布特征

由圖2（a）可知，孤島工作面中塑性應(yīng)變大小與離回采面距離呈反比，離采掘面越近，塑性應(yīng)變?cè)酱螅欢鄳?yīng)的等效塑性應(yīng)變值呈半弧形分布，且呈逐漸遞減規(guī)律。由圖2（b）可知，工作面受上區(qū)段采空區(qū)的側(cè)向支承應(yīng)力影響比下區(qū)段要大，且與工作面推進(jìn)方向相比，兩側(cè)的支撐壓力影響范圍受工作面推進(jìn)距離影響較小。

采掘面前方煤體滲透性分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面前方煤體應(yīng)力、滲透性分區(qū)特點(diǎn)

由圖3可知，工作面回采過(guò)程中前方煤體的滲透性分布特征可大致劃分為滲透驟增、部分增加、降低明顯以及原始滲透四個(gè)階段，相應(yīng)的可以分為四個(gè)區(qū)域：①滲透I區(qū)：卸壓帶煤體受采動(dòng)應(yīng)力影響后，煤體產(chǎn)生屈服破壞，所受應(yīng)力載荷降低，裂隙發(fā)育，滲透性驟增；②滲透II區(qū)：在集中應(yīng)力帶，應(yīng)力屈服區(qū)部分煤體產(chǎn)生屈服損傷，帶來(lái)裂隙擴(kuò)展發(fā)育，致使煤體滲透性比原始煤體滲透性相比有部分增長(zhǎng)；③滲透Ⅲ區(qū)：應(yīng)力集中帶后方，由于集中應(yīng)力的存在，致使煤體的裂隙率及孔隙率大大降低，相應(yīng)地其滲透性也降低明顯；④IV區(qū)：滲透離采掘面較遠(yuǎn)的原始煤體區(qū)域，煤體應(yīng)力和滲透性均未發(fā)生變化。

3 孤島工作面瓦斯排放寬度的確定

3.1 理論分析

瓦斯從巷道周?chē)簩娱_(kāi)始向巷道內(nèi)涌出時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其巷道兩幫瓦斯壓力呈逐漸減小的規(guī)律。巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力的關(guān)系可采用公式（1）進(jìn)行表示。

式中：b為常數(shù)，r為距煤壁的距離，m；t為瓦斯流動(dòng)時(shí)間，d；P、P1、P0分別為巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力、煤層原始瓦斯壓力、巷道大氣壓力，MPa。

瓦斯從煤壁向巷道涌出時(shí)，隨著煤體內(nèi)的瓦斯不斷解吸出來(lái)，在瓦斯壓力梯度作用下向巷道內(nèi)流動(dòng)，煤體總的瓦斯含量為瓦斯涌出量與相應(yīng)的殘余瓦斯量之和，可用公式（2）表示。

將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得到：

式中：L為卸壓瓦斯排放帶寬度，m；x為所分析煤體沿巷道方向的長(zhǎng)度，m；r為煤體內(nèi)某點(diǎn)距煤壁的距離，m；a為瓦斯含量系數(shù)；B1、B2為常數(shù)；m 為煤層厚度，m。

聯(lián)立公式（1）、（3），并對(duì)結(jié)果進(jìn)行積分可得：

將公式（4）代入（3）有：

從公式（5）可知，只有當(dāng)r為無(wú)窮時(shí)，巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力才可能達(dá)到原始煤層瓦斯壓力，但考慮到在r=L處的瓦斯壓力與煤層的原始瓦斯壓力相差很小，所以可以（，其中 A為定系數(shù)，大小接近于1，將該式代入公式（5）并進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得到卸壓瓦斯排放寬度L的計(jì)算表達(dá)式：

公式（6）中 B1、B2取值與巷道的寬度、煤層的瓦斯含量等參數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)出的瓦斯涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸之后求得。當(dāng)以上參數(shù)及巷道的大氣壓力、瓦斯含量系數(shù)、原始煤層瓦斯壓力確定后，即可求出L隨時(shí)間t的變化規(guī)律。

對(duì)于本文的研究對(duì)象工作面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤層瓦斯含量與壓力確定的有關(guān)參數(shù)的取值如下：P1平均為0.45MPa，P0為 0.1MPa，瓦斯含量系數(shù)為 17.8MPa0.5，A可取0.95，B1為5.6，B2為0.70，瓦斯排放時(shí)間取180d，則理論計(jì)算得到的瓦斯排放寬度L=27.4m。

3.2 沿空瓦斯排放寬度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

圖4 煤巷不同暴露時(shí)間下，不同深度的瓦斯含量

為考察孤島工作面煤巷的極限排放寬度，在工作面機(jī)巷和風(fēng)巷內(nèi)，暴露時(shí)間分別為10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d位置，沿垂直工作面走向分別施工30m深度的鉆孔，并在6m到30m范圍內(nèi)每隔2m取一次煤樣，進(jìn)行瓦斯含量的測(cè)定工作，測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，排放帶寬度隨煤巷暴露時(shí)間增加而增大，當(dāng)暴露時(shí)間增加到某種程度后趨近于某一具體值。究其原因：在煤巷初始暴露時(shí)，由于煤層破壞區(qū)內(nèi)的瞬間形成瓦斯壓力梯度，致使瓦斯迅速開(kāi)始解吸。隨著時(shí)間的增加，產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)，且隨著應(yīng)力增高區(qū)前移，排放帶寬度增加迅速;煤體上覆巖層壓力重新穩(wěn)定后，排放帶寬度增加變緩，直至進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后，在很小的瓦斯壓力梯度下排放帶寬度緩慢增長(zhǎng)，直至瓦斯壓力梯度為0時(shí)達(dá)到煤巷極限排放帶寬度。

當(dāng)煤巷暴露時(shí)間為l0d時(shí)，瓦斯排放寬度大約8m；暴露時(shí)間為30d時(shí)，瓦斯排放寬度大約10m；暴露時(shí)間為60d時(shí)，瓦斯排放寬度大約12m；暴露時(shí)間為90d時(shí)；瓦斯排放寬度大約16m；暴露時(shí)間為120d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為18m；暴露時(shí)間為150d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為22m；暴露時(shí)間為180d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為26m，這與煤巷暴露180d時(shí)理論計(jì)算得到的煤巷瓦斯排放寬度27.4m大致相等。

4 結(jié) 論

1）3205孤島工作面回采期間，隨工作面向前推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)域不斷向煤體深部轉(zhuǎn)移，卸壓區(qū)寬度在3～4m之間，工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力峰值離工作面的距離為8m左右；

2）在孤島工作面回采期間，工作面塑性應(yīng)變大小與離回采面距離呈反比，離采掘面越近，塑性應(yīng)變?cè)酱?；而相?yīng)的等效塑性應(yīng)變值呈半弧形分布，且呈逐漸遞減規(guī)律；

3）孤島工作面回采過(guò)程中前方煤體滲透性分布大致可以劃分為滲透驟增、部分增加、降低明顯以及原始滲透四個(gè)階段；

4）孤島工作面瓦斯排放寬度隨著煤巷暴露時(shí)間的增大而增大，當(dāng)增加到某一階段后逐漸趨于穩(wěn)定，3205工作面煤巷暴露時(shí)間分別為10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d 時(shí)，瓦斯排放寬度分別為 8m，10m，12m，16m，18m，22m 和 26m，與理論計(jì)算結(jié)果誤差較小。