礦山采空區(qū)資源富集規(guī)律及采動(dòng)壓力研究

杜瑞成

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

礦井實(shí)際采掘過程中，經(jīng)常出現(xiàn)局部區(qū)域易燃?xì)怏w涌出量突然增大的現(xiàn)象[1]。當(dāng)對(duì)礦層進(jìn)行開采后，周圍的應(yīng)力會(huì)降低并造成裂隙的擴(kuò)張和增加。壓力釋放易燃?xì)怏w主要由這些裂隙和它自身的壓力梯度造成。礦床的地質(zhì)條件如結(jié)構(gòu)特性、礦層頂板巖性和水文地質(zhì)對(duì)未經(jīng)開采的礦層的易燃?xì)怏w積聚和富集有很大影響。近年來，對(duì)采空區(qū)能源富集規(guī)律特征和采動(dòng)壓力研究受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[2]。

1 采空區(qū)易燃?xì)怏w

1.1 采空區(qū)易燃?xì)怏w賦存狀態(tài)

易燃?xì)怏w在地層內(nèi)有三種基本賦存狀態(tài)分別為吸附狀態(tài)、游離狀態(tài)和溶解狀態(tài)。三種狀態(tài)易燃?xì)怏w的含量受空間體積、地層壓力、外界溫度影響。在原始煤體中，由于地質(zhì)礦物的結(jié)構(gòu)特征，吸附狀態(tài)的易燃?xì)怏w占大多數(shù)，還有一些在大裂隙中游離的易燃?xì)怏w，可以隨空氣流動(dòng)。若地層中存在水，則部分易燃?xì)怏w會(huì)溶解在水中呈溶解狀態(tài)。三種狀態(tài)的易燃?xì)怏w處于動(dòng)態(tài)平衡，在一定條件上能夠相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)外界條件變化時(shí)，三種狀態(tài)的易燃?xì)怏w比例會(huì)發(fā)生變化并最終達(dá)到平衡。

1.2 采空區(qū)易燃?xì)怏w來源

礦井采空區(qū)的易燃?xì)怏w來源主要包括四個(gè)方面：礦柱及開采剩余資源、鄰近礦層、圍巖、生物分解易燃?xì)怏w。

1.2.1 礦柱及開采剩余資源

在開采礦產(chǎn)資源過程中，為達(dá)到支撐和穩(wěn)定性要求，會(huì)在采空區(qū)之間留下一定寬度的礦柱，當(dāng)?shù)V井廢棄后，這些礦柱也被廢棄在地下。我國現(xiàn)有的開采率較低，致使一些礦井在關(guān)閉后殘留了一定量的剩余資源，這些礦體內(nèi)賦存了很多易燃?xì)怏w，當(dāng)周圍壓力變動(dòng)時(shí)，這些易燃?xì)怏w解吸并流入采空區(qū)。礦柱及開采剩余資源是采空區(qū)易燃?xì)怏w的重要來源。

1.2.2 鄰近礦層

一些礦井已采礦層附近可能還存在一些未開采的極薄礦層，這些礦層中含有一定量的吸附易燃?xì)怏w。由于開采地層遭到破壞，應(yīng)力狀態(tài)改變，形成大量裂隙，則處于卸壓范圍內(nèi)的鄰近地層應(yīng)力降低，當(dāng)應(yīng)力降低到易燃?xì)怏w解吸范圍時(shí)，鄰近地層中的易燃?xì)怏w解吸，并在與已采礦層形成的壓力差的作用下，沿著縱向裂隙流向采空區(qū)，直至空間內(nèi)的壓力達(dá)到平衡，易燃?xì)怏w才會(huì)減慢流動(dòng)直至趨于穩(wěn)定。而應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)改變的但未達(dá)到易燃?xì)怏w解吸范圍的鄰近礦層，也會(huì)成為采空區(qū)易燃?xì)怏w不可忽視的潛在來源。

1.2.3 圍巖

一些礦井采空區(qū)的周圍巖體中也存在易燃?xì)怏w，易燃?xì)怏w賦存在礦石孔隙和裂隙中，并基本處于游離態(tài)。當(dāng)采空區(qū)圍巖卸壓，產(chǎn)生許多縱向和橫向裂隙，圍巖透氣性系數(shù)增加，這些游離態(tài)易燃?xì)怏w會(huì)沿著裂隙通道流向采空區(qū)，使采空區(qū)易燃?xì)怏w積聚。

1.2.4 生物分解易燃?xì)怏w

在地質(zhì)礦物中可能存在一些微生物，它們經(jīng)過一系列有機(jī)作用源源不斷地釋放甲烷，但這類易燃?xì)怏w所占比例很小，可忽略不計(jì)。

1.3 采空區(qū)易燃?xì)怏w賦存范圍

在抽采易燃?xì)怏w的過程中，需要明確圍巖應(yīng)力場(chǎng)和具體參數(shù)，確定易燃?xì)怏w賦存的范圍，提高易燃?xì)怏w抽采效率。采空區(qū)的上覆巖層根據(jù)裂隙和變形特征通常分為不同的區(qū)域，這種地層分區(qū)模型在我國廣泛應(yīng)用。

在豎直方向，上覆巖層分為I冒落帶、II裂隙帶和III彎曲下沉帶。在開采前進(jìn)方向，分為A支撐區(qū)、B離層區(qū)和C重新壓實(shí)區(qū)。覆巖裂隙帶高度和開采厚度M的存在相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，顯示了在國內(nèi)礦企廣泛應(yīng)用的裂隙帶高度的計(jì)算方法，因?yàn)樵摲椒ú恍枰F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或計(jì)算機(jī)模擬。

易燃?xì)怏w高效抽采應(yīng)該有效地控制其濃度升高，以保證在安全的環(huán)境中最大化地抽采到高質(zhì)量的易燃?xì)怏w，以進(jìn)一步使用。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要清楚兩個(gè)方面：①在多大程度上可以有效抽采易燃?xì)怏w；②采空區(qū)和覆巖裂隙決定易燃?xì)怏w流動(dòng)方向。

在易燃?xì)怏w流動(dòng)裂隙區(qū)內(nèi)，地層充分卸壓，含有豎直和水平方向均貫通的采動(dòng)裂隙。該區(qū)域內(nèi)地層內(nèi)的吸附易燃?xì)怏w由于充分卸壓能夠解吸，易燃?xì)怏w能夠輕易流過裂隙網(wǎng)。該區(qū)域內(nèi)易燃?xì)怏w流動(dòng)速率大于其他區(qū)域。

在卸壓易燃?xì)怏w解吸區(qū)內(nèi)，覆巖卸壓，發(fā)生地層分離和礦石膨脹。該區(qū)域內(nèi)覆巖裂隙幾乎不發(fā)育成貫通裂隙，地層中的易燃?xì)怏w由于卸壓在一定程度上解吸，并只能在水平方向流動(dòng)。如果不抽采，解吸的易燃?xì)怏w由于孔隙壓力恢復(fù)又重新被吸收。

在易燃?xì)怏w解吸受限區(qū)內(nèi)，覆巖既沒有卸壓又沒有形成裂隙。該區(qū)域內(nèi)易燃?xì)怏w保持在礦石中的吸附狀態(tài)。

1.4 采空區(qū)易燃?xì)怏w運(yùn)移規(guī)律

用顯微鏡觀察地質(zhì)礦物，在基質(zhì)中可以看到它是雙重孔隙介質(zhì)，在礦物節(jié)理中可以看到它的孔隙。地層中的大多數(shù)氣體最初都吸附在礦物基質(zhì)表面而不是呈自由狀態(tài)。礦物基質(zhì)在易燃?xì)怏w來源中扮演了重要角色。在雙重孔隙地層中，不同的機(jī)理控制著易燃?xì)怏w運(yùn)動(dòng)，在礦物基質(zhì)中的易燃?xì)怏w運(yùn)移稱為擴(kuò)散過程，是由菲克定律描述的，在節(jié)理中的粘性流動(dòng)通常由達(dá)西定律描述。易燃?xì)怏w滲流規(guī)律可以用達(dá)西定律解釋，達(dá)西定律適用于流速不是太高的情況，表示壓力梯度和流動(dòng)速度的線性關(guān)系式。當(dāng)流速增加時(shí)，可以從層流變化到湍流，由于慣性阻力或湍流，這種壓力梯度不遵循這個(gè)線性與流速的關(guān)系，這種非線性關(guān)系被定義為非達(dá)西流。非達(dá)西流可以用非達(dá)西流關(guān)系式來表示。易燃?xì)怏w擴(kuò)散是描述分子從高濃度到低濃度自由移動(dòng)的過程。擴(kuò)散的規(guī)律是流體流動(dòng)速度和濃度梯度之間的關(guān)系。擴(kuò)散分穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，大多數(shù)擴(kuò)散過程都是在非穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的。當(dāng)擴(kuò)散為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)是符合菲克第一定律，如果是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散遵循菲克第二定律。

2 地層應(yīng)力與破壞

2.1 地層應(yīng)力

在礦產(chǎn)資源開采過程中，支護(hù)好頂板是保證安全的關(guān)鍵，為了保證采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，需要了解采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布的規(guī)律。

地層應(yīng)力場(chǎng)的形成過程是緩慢的，在各種影響因素下，礦體發(fā)生變形并逐漸保持平衡，并不斷重復(fù)變形與平衡的過程，它與水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)尤其相關(guān)。其中，重力應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)簡單些，主要受上覆巖體影響，垂直應(yīng)力在數(shù)值上基本等同于上覆巖層重量，一般小于水平方向應(yīng)力值，且隨深度線性增加。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的成因相對(duì)復(fù)雜得多，它主要是礦石在各種地質(zhì)活動(dòng)如：板塊遷移、火山噴發(fā)、地標(biāo)升降等以及地殼運(yùn)動(dòng)中長時(shí)間所表現(xiàn)出來的力。構(gòu)造應(yīng)力是極其不規(guī)則的，由于它的常數(shù)隨時(shí)間變化，幾乎不可能通過精確的分析解描述構(gòu)造應(yīng)力。描述構(gòu)造應(yīng)力需要明確其方向性。一般在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，水平運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，因此在地層中尤其是堅(jiān)硬巖層中主要存在水平構(gòu)造應(yīng)力。

通過研究分析，鉆孔周圍應(yīng)力集中程度與孔的直徑和曲率有關(guān)，應(yīng)力集中程度隨曲率增大而增大，隨直徑增大而減小。且相鄰的兩鉆孔會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力疊加的情況，鉆孔間距越小，彼此應(yīng)力影響越明顯。所以在打鉆孔的過程中要分析可能出現(xiàn)的應(yīng)力變化情況，以免鉆孔壓裂。

2.2 礦石的破壞機(jī)制

仿真實(shí)驗(yàn)表明了礦石失效過程，隨著礦石斷裂，可以測(cè)試到應(yīng)力峰值和彈性模量。為了研究礦石的力學(xué)行為，設(shè)置一系列的不同圍壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M了礦石的破壞過程，包括損壞指數(shù)都在實(shí)驗(yàn)中詳細(xì)的呈現(xiàn)出來，且地層應(yīng)力會(huì)對(duì)礦石的破壞模式產(chǎn)生重大影響。當(dāng)圍壓較小時(shí)，礦石會(huì)呈現(xiàn)混合張力和剪切破壞模式，可明顯觀察到裂隙。隨著圍壓增大，礦石產(chǎn)生剪切破壞，形成許多不連續(xù)的裂縫，最后圍壓增大到礦石徹底沿剪切面斷裂。圍壓垂直于最大主應(yīng)力方向。該方法可用于預(yù)測(cè)和分析礦石的破壞狀態(tài)。

圖1 礦石在不同圍壓下的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖1（a）顯示了礦石在不同圍壓下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中我們可以看到，變形過程中，該曲線包括三個(gè)不同的階段，分別是：微觀裂隙閉合區(qū)域、線性彈性區(qū)域、裂縫產(chǎn)生延伸區(qū)域。線性增加的部分的斜率不是定值，它隨著地層應(yīng)力的增加而增加。通過將該斜率作為材料的初始彈性模量，可以計(jì)算出不同圍壓下的彈性模量和泊松比的值。彈性模量隨圍壓增大而增大，而泊松比呈無規(guī)律變化。

3 地層滲透率的影響因素

由于多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，變質(zhì)程度高的地質(zhì)礦物在其基質(zhì)孔隙度、裂隙、巖性、易燃?xì)怏w吸附/解吸、滲透率和地質(zhì)方面有自己的特點(diǎn)。地層滲透率是一個(gè)指示礦層易燃?xì)怏w流動(dòng)的重要的指標(biāo)，是易燃?xì)怏w儲(chǔ)存的關(guān)鍵參數(shù)，是一個(gè)影響鉆井抽采易燃?xì)怏w量的主要因素，它在時(shí)間和空間上的變化會(huì)對(duì)易燃?xì)怏w抽采有顯著的影響。地層滲透率可以用滲透系數(shù)表示，通常受多方面因素的影響，如：地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、埋藏深度、礦石結(jié)構(gòu)、巖相特征、裂縫發(fā)育程度等等，其中，裂隙和地應(yīng)力的大小、方向?qū)Φ貙訚B透率的影響最大。

3.1 地應(yīng)力-裂隙-滲透率關(guān)系

易燃?xì)怏w儲(chǔ)層的滲透率很低，氣體吸附能力很強(qiáng)，在雙重孔隙系統(tǒng)中，礦物基質(zhì)被認(rèn)為是低滲透率、高儲(chǔ)存能力在原生孔隙；孔隙被認(rèn)為是具有高滲透率、低儲(chǔ)存能力的次生孔隙。原生孔隙主要由礦物沉積形成，而次生孔隙由孔隙度和裂隙決定。中深部地層開采覆巖損傷變形影響下含水層“側(cè)向直接與垂向滲漏”復(fù)合失水模式,以COMSOL多物理場(chǎng)耦合數(shù)值分析軟件為平臺(tái)，提出了中深層開采覆巖變形損傷與含水層失水?dāng)?shù)值分析模型。然而，由于缺乏易燃?xì)怏w儲(chǔ)存壓力和滲透率數(shù)據(jù)，還沒有廣泛展開地應(yīng)力對(duì)易燃?xì)怏w儲(chǔ)層滲透率影響的研究。因此，對(duì)易燃?xì)怏w開發(fā)和發(fā)展階段的滲透率變化的理解還比較欠缺。易燃?xì)怏w儲(chǔ)層的滲透率在不同應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)變化很大。

通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究礦石破壞過程的三個(gè)階段中，根據(jù)初始裂隙密度、裂隙形狀以及隨著存在裂隙的閉合導(dǎo)致的滲透率降低可知，微觀裂隙閉合區(qū)域的微裂隙有不存在的可能性。一旦現(xiàn)有的裂隙閉合，礦石則能被視為一個(gè)線性、均勻的彈性材料，裂隙的體積應(yīng)變和滲透率基本不變。隨著負(fù)載的增加，主要裂隙發(fā)育并產(chǎn)生了許多次生裂隙，裂隙體應(yīng)變的再次增加標(biāo)志著壓縮過程第三階段的開始，相應(yīng)地，礦石滲透率急劇增加。各類礦石和地層滲透率變化均符合該過程。壓縮載荷不僅對(duì)滲透率影響顯著，而且影響礦石的主要裂隙發(fā)育。所以，滲透率的變化與裂隙體應(yīng)變呈線性相關(guān)。在微觀裂隙閉合區(qū)域，滲透率隨裂隙體應(yīng)變的減小而線性減小，在裂縫產(chǎn)生延伸區(qū)域，滲透率隨裂隙體應(yīng)變的增大而線性增大。

依據(jù)軸向應(yīng)力、應(yīng)變、滲透率的關(guān)系建立“地應(yīng)力-裂隙-滲透率”本構(gòu)模型。在礦石中存在大量原生裂隙，當(dāng)應(yīng)力變大則垂直于應(yīng)力方向的裂隙收縮變形，應(yīng)力降低則垂直于應(yīng)力方向的裂隙膨脹變形。裂隙的閉合或擴(kuò)張受到正向應(yīng)力的顯著影響，但是礦物孔隙系統(tǒng)在壓縮和塑性變形的情況下壓實(shí)閉合且不能恢復(fù)，從而滲透率不能恢復(fù)。應(yīng)力和裂隙的存在一定的函數(shù)關(guān)系，無因次滲透率和初始正應(yīng)力的倍數(shù)呈反比的關(guān)系。滲透率隨壓力的增大而減小。因此地層的卸壓可以提高滲透率。隨著開采深度的增加，高易燃?xì)怏w、高地應(yīng)力和低滲透率的特點(diǎn)也逐漸明顯。減壓和增大滲透率對(duì)于易燃?xì)怏w抽采非常重要。

隨著在早期階段易燃?xì)怏w抽采時(shí)的礦石收縮引起鉆井壓力減小，有效應(yīng)力增加，進(jìn)而造成了鉆井抽采過程中滲透率的改變。鉆井的完工和操作不可避免地造成地應(yīng)力局部集中，甚至鉆井附近的巖體失效。為了增加鉆井抽采易燃?xì)怏w的能力和效率，有必要增加鉆井周圍的卸壓范圍?；诜匠谭治龊兔枋鲂秹簩?duì)滲透率的影響是可行的。

3.2 地層滲透率的其他影響因素

3.2.1 礦物性質(zhì)

除了有效壓力，礦物性質(zhì)也會(huì)影響地層滲透率。礦物性質(zhì)可能影響裂隙。礦物等級(jí)高的顯微組分主要是鏡質(zhì)體，與低變質(zhì)礦物和中等變質(zhì)礦物的組分有很大不同。鏡質(zhì)組含量越高，礦物裂隙發(fā)育越充分，滲透率越高。

3.2.2 含水量

礦產(chǎn)資源通常都會(huì)含水，在礦井易燃?xì)怏w開發(fā)過程中，地下水也會(huì)影響地層應(yīng)力敏感性，且礦物樣品濕度越大，礦層對(duì)應(yīng)力的敏感性越強(qiáng)，地層滲透率會(huì)隨著有效應(yīng)力的增加降低更快。也就是說，對(duì)于較濕的地質(zhì)礦物速增長的有效應(yīng)力會(huì)造成更大的滲透率損失。在有機(jī)質(zhì)，水使礦石內(nèi)部分子更為活躍，在裂隙系統(tǒng)產(chǎn)生孔隙水/氣體壓力?？紫秹毫ο陆禃?huì)相應(yīng)引起有效應(yīng)力的增加。水/氣壓力會(huì)抵消一部分煤體全壓，減少彈性極限和剪切強(qiáng)度，礦產(chǎn)資源就更容易發(fā)生彈性和塑性變形。

3.2.3 礦產(chǎn)資源的等級(jí)劃分

不同等級(jí)的地質(zhì)礦物具有不同的紋理，它們?cè)诙嘧兊挠行?yīng)力下的行為就不同。由于礦化程度低，裂隙和孔隙不完全發(fā)育，強(qiáng)度低，基質(zhì)等級(jí)低的礦物容易壓實(shí)，導(dǎo)致了滲透率急劇降低。在實(shí)際環(huán)境中，形成易燃?xì)怏w儲(chǔ)層壓力的敏感因素是復(fù)雜多變的，很難定量描述個(gè)別因素對(duì)滲透率的影響。

4 總結(jié)

（1）明確了易燃?xì)怏w在采空區(qū)內(nèi)的三種基本賦存狀態(tài)和采空區(qū)礦產(chǎn)資源賦存范圍。當(dāng)儲(chǔ)層壓力下降到一定程度時(shí)，易燃?xì)怏w就開始解吸，由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化成游離狀態(tài)，并沿著裂隙向外部擴(kuò)散、運(yùn)移。

（2）礦井采空區(qū)可劃分為礦柱及開采剩余開采礦體、鄰近地層、圍巖、生物分解易燃?xì)怏w。揭示了礦層內(nèi)易燃?xì)怏w運(yùn)動(dòng)是包含了滲透和擴(kuò)散的混合流動(dòng)過程。

（3）分析了原巖應(yīng)力的構(gòu)成及分布特征，三向應(yīng)力隨深度線性增加。水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。鉆孔周圍礦體出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力。描述了礦石破壞機(jī)制，將巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段：微觀裂隙閉合區(qū)域、線性彈性區(qū)域、裂縫產(chǎn)生延伸區(qū)域。

（4）從地層滲透率受地應(yīng)力、裂隙、礦物性質(zhì)、含水量、礦產(chǎn)資源等級(jí)等因素的影響。依據(jù)軸向應(yīng)力、應(yīng)變、滲透率的關(guān)系建立了“地應(yīng)力-裂隙-滲透率”本構(gòu)模型。易燃?xì)怏w流動(dòng)受到地層滲透率的影響，而滲透率取決于裂隙的閉合或擴(kuò)張，滲透率隨正向應(yīng)力的增大而減小，地層應(yīng)力分布規(guī)律可以指導(dǎo)圍巖滲透率的研究。

（5）進(jìn)而為研究卸壓易燃?xì)怏w沿不同方向的流動(dòng)規(guī)律，采空區(qū)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)存空間分布特征，地面鉆井抽采方法的實(shí)際應(yīng)用，地面鉆井的位置的合理選擇，控制采空區(qū)易燃?xì)怏w的抽采，統(tǒng)一井位布置，可提高抽采量以及利用率提供了理論指導(dǎo)。