1、采动影响下卸压瓦斯渗流规律相似模拟实验研究 1李树刚 肖鹏 赵鹏翔 林海飞 成连华 （西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054）摘要：利用自主研发的固气耦合相似模拟实验台，对采动过程中煤层底板应力分布特征及卸压瓦斯渗流速度随工作面推进的变化规律进行了实验研究，分析了采空区煤层底板支承压力分布规律及影响区域的范围，确定了沿采空区上方横向方向上瓦斯渗流速度变化形成“三带” 的范围，总结了卸压瓦斯的渗流规律。研究结果为现场瓦斯抽采提供了技术支持。关键字：卸压瓦斯；渗流；应力分布；相似模拟The similar simulation experiment studying of pressur
2、e relief gas seepage law under the influence of miningLi shu-gang Xiao peng Zhao pengxiang Lin haifei Cheng lianhua （school of energy ，Xian University of Science and Technology，Xian 710054,China）Abstract: Using self-developed solid gas coupling similar simulation experimental platform, process of st
3、ress distribution of coal floor and discharging pressure gas seepage velocity with the change rule of working face advances by experiments and analysis from coal floor in the goaf abutment pressure distribution rule and influence in the area of goaf, determines the range which is the gas seepage vel
4、ocity change the form of “three zones“ of the transverse direction along the top of goaf, summarizes the seepage rule of discharging pressure gas. Results for the spot gas extraction provides technical support.Keywords：pressure-relief gas; seepage; stress distribution; similar simulation煤炭的大规模开采，使得工
5、作面瓦斯涌出量急剧上升，回风巷和上隅角瓦斯频频超限，甚至发生瓦斯燃烧或爆炸之类的恶性事故，严重威胁着矿井安全生产，造成了重大的人员伤亡、经济损失和不良的社会影响。许多学者从瓦斯动力弥散规律 14及瓦斯升浮-扩散规律 56方面对采动裂隙带中的卸压瓦斯的运移规律开展了大量研究，在物理相似模拟实验从宏观和微观方面也有很多的研究 710，但就利用相似模拟实验台研究采动过程中卸压瓦斯渗流规律的成果不是很多。本文将利用自主研发的固气耦合相似模拟实验台，通过对煤层底板应力分布特征及卸压瓦斯渗流速度变化规律的分析，进一步研究了采动影响下卸压瓦斯的渗流规律，为现场瓦斯抽采提供了技术支持和实验基础。1 实验台研制
6、及过程1.1 实验台研制实验采用的固气耦合相似模拟实验台设计尺寸为 700mm600mm100mm，模型内腔体尺寸为 600mm500mm100mm，由槽钢焊接制作。实验箱体前后表面及顶部装有 12mm厚的有机玻璃板，可用于观测岩层位移及覆岩裂隙发育情况。实验台底座为 300mm 高的支架，用于支撑实验箱体。在实验箱体表面的有机玻璃板上分别打有直径为 10mm 的气孔，作为本次实验采集数据的进气孔和测试孔。进气孔口与测试孔对称分布，尺寸如图 1 所示。每一块板有 15 个孔，基金项目：国家自然科学基金资助项目（50874089） ；教育部博士学科点专项科研基金资助项目（200961211100
7、02） 。作者简介：李树刚(1963)，男，甘肃会宁人，教授，博士生导师。联系方式：02985587007，Email:每行 5 个，分 3 行布置，由左向右依次编号为 1#、2 #、3 #、4 #、5 #，具体位置见表 1 所示。图 1 实验台平面图Fig.1 Bench plans表 1 气孔布置位置Tab.1 position of the holes layout排号 孔数 孔间距 /cm 第 1 孔距切眼 /cm 距 15#煤顶板 /cm1 5 10 10 152 5 10 10 253 5 10 10 351.2 实验过程在铺设模型时，箱体前表面的有机玻璃板不拆，作为可视挡体，观察
8、模型材料铺设时的平整度。利用槽钢作为后表面的挡体，以保证模型在铺设过程中不发生膨胀变形。待模型制作完成，晾晒 24h 后，拆除箱体后表面的槽钢，安装有机玻璃板，最后在安装顶部的钢化玻璃板，密封整个模型箱体。有机玻璃板和模型框架之间均采用密封垫通过螺栓加不锈钢垫板紧固增加模型的气密性，效果良好。实验采用空气压缩机作为动力气源，将具有一定压力的压缩空气充入储气罐内，储气罐作为平衡气体压力装置，通过调节平衡阀使充气罐压力恒定初设值后，再穿过模型，用于模拟高压瓦斯气体，如图 2 所示。1 箱体；2 空气压缩泵；3 截止阀；4 压力表；5 充气罐；6 平衡阀；7 流量计；8 模拟岩层；9 压力传感器；1
9、0 模拟煤层；11 有机玻璃板。图 2 固气耦合相似模拟实验台Fig.2 solid-gas coupling similar-simulation test-bed由于实验箱体较小，铺设的模型比例较大，岩层厚度较小，因此，进气孔采用在橡胶塞中插入直径为 5mm 的玻璃管作为与模型的接口，玻璃管和充气管路之间用橡胶管连接。整个充气系统所有的接头、接口处均有橡胶圈、生胶带、胶体密封。为了更好地反应工作面不同推进距对卸压瓦斯渗流速度变化的影响，在实验过程中选取 0.5Mpa 的压力气体进行定孔测试分析。2 采动覆岩应力分布规律分析在煤层开采过程中，采空区内的覆岩随着推进距的不同自下而上发生离层、弯
10、曲下沉、垮落等现象，使得工作面前方一定范围内应力发生变化，在一定范围内的出现了应力集中区域和卸压区域。根据工作面底板测点开挖前后应力值和距切眼的距离，得到不同推进距下煤层底板应力分布情况，如图 34 所示。00.30.60.91.21.51.8-6 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78距 切 眼 距 离 /m应力集中系数推 进 8m 推 进 12m 推 进 16m 推 进 20m 推 进 24m00.511.522.533.5-6 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78距 切 眼 距 离 /m应力集中系数推 进
11、48m 推 进 52m 推 进 56m 推 进 60m 推 进 64m图 3 工作面推进 824m 底板应力分布 图 4 工作面推进 4864m 底板应力分布Fig.3 bottom stress distribution of the face forward Fig.4 bottom stress distribution of the face forwardfrom 8m to 24m from 8m to 24m从图 34 中可以看出，随着采煤工作面不断推进，在煤壁前方形成了不断前移的超前支承压力，其影响范围分为采动影响剧烈区、采动影响区、未受采动影响区。采动影响剧烈区位于工作面至
12、25m 范围内，该区域内受采动影响剧烈，在工作面前方 06m 的范围内形成一个应力降低区域，在该区域内煤体破碎、裂隙发育，产生“卸压增流效应”；在工作面前 06m 至 25m 范围形成明显应力集中区，该区煤岩体裂隙和孔隙受挤压而收缩、封闭，瓦斯流量减小。采动影响区位于工作面前 25m45m 的范围内，该区域支承压力逐渐趋于下降，煤体孔隙、裂隙趋于封闭、收缩，瓦斯流量也有减小趋势。未受采动影响区位于工作面前 45m 以远，此区域受采动影响较小，煤体孔隙、裂隙基本不变，钻孔瓦斯涌出量按负指数规律自然衰减。在工作面煤壁前方形成的支承压力峰值是逐渐增加的，直接顶垮落时应力集中系数为 1.35，初次来压
13、时煤壁的应力集中系数为 1.85，且支承压力的极值点位置随工作面推进不断前移。在切眼附近支承压力峰值的位置变化量较小，但其值随着工作面的推进也在逐渐增加。同时，采空区底板上的支承压力明显降低，卸压区域随工作面的推进不断扩大，初次来压前底板支承压力近似为零，当上覆岩层破断垮落后，采空区重新被充填和压实，从而使采空区的支承压力有所回升，但上升速度较为缓慢，这是由于松散的岩石在自重等作用下慢慢的被重新压实。从图中可以看出，当工作面推进至 56m 时，采空区底板的支承压力集中系数最大值为 1.12，推进至 70 时，发生第 3 次周期来压，覆岩未发生垮落，推进至 80m 时，采空区底板的支承压力集中系
14、数最大值仍未发生变化，这主要是受主关键层影响，主关键层控制着下方岩层，成组弯曲下沉，岩梁长度不够，未达到岩层破断的屈服极限。采空区底板上的支承压力分布规律大致可归纳为 3 个区域： 卸压波动区，工作面附近大约-414m 的范围，此区随着工作面的推进、覆岩的不断垮落，支承压力呈波动变化，由于该区垮落岩体只受较小支承压力，空隙空间较大，工作面漏风量较大，区内瓦斯的稀释和运移程度较大； 卸压增大区，距离工作面 22m 至距离切眼 28m 的中间区域里的范围，破碎岩体压实程度几乎相当，各处支承压力值比较接近，该区空隙空间被严重压缩，工作面漏风很难影响到这个区域，瓦斯运移较为困难； 卸压缓慢变化区，在距
15、离切眼-328m 的范围内，在煤壁支撑作用下，形成一个支承压力较小的区域，此区裂隙同样较为发育，但距离工作面较远，漏风影响较小。3 采动覆岩渗透率分布规律分析随着工作面不断推进，原始岩层的应力平衡状态被破坏，导致岩层的渗透率发生改变。通过整理实验测试数据，得到如图 57 所示的气体渗流速度变化曲线。00.511.5212 16 20 24 36 40 42 48 52 56距 切 眼 距 离 （ m）渗流速度（ml/s）0.5MPa图 5 1#孔渗流速率随工作面推进距的变化曲线Fig.5 different distances from the cut in face the gas flow
16、 rate of the 1st hole 选用 0.5Mpa 下岩层中气体渗流速度的变化曲线进行分析。从图 5 中可以看出，1 #孔岩层的渗流速度是一个增大，降低，再增大，再降低，然后逐渐平稳的过程。这是由于 1#孔位于煤层切眼上方，距煤层顶板 30m，在切眼形成后，上覆岩层卸压，受采动影响岩层渗流速度增加，随着工作面推进，切眼附近的岩层逐渐被压实，渗流速度开始下降，在工作面推进至 28m 时，基本顶初次来压，上覆岩层发生垮落，对切眼附近的岩层产生影响，应力降低，裂隙有了一定的发育，渗流速度升高，但变化幅度不大。工作面推进至 38m 过程中，由于切眼上方的岩层逐渐被压实，覆岩渗流速度将至最低
17、点，但总体比原始岩层的渗流速度要高，当工作面推进至 42m 时，基本顶发生周期垮落，第 1 次周期来压，对切眼上方的覆岩产生影响，渗流速度再次升高，随着工作面不断推进，基本顶周期垮落，但是由于距离切眼原来越远，对 1#孔处的岩层影响较小，因此，1 #孔处的覆岩渗流速度趋于平缓。00.20.40.60.811.216 20 24 28 36 40 42 48 52 56距 切 眼 距 离 （ m）渗流速度（ml/s）0.5MPa图 6 2#孔渗流速率随工作面推进距的变化曲线线Fig.6 different distances from the cut in face the gas flow r
18、ate of the 2nd hole 2#孔位于距切眼水平距离 20m 处。从图 6 中可以看出，在工作面推进到距切眼 20m 范围内，2 #孔处的岩层渗流速度有所下降。这是由于 2#孔一直处于未开挖煤层上方，工作面推进至距离切眼 1620m 范围时， 2#孔处于应力集中区内，附近的岩层应力逐渐升高， 2#孔从工作面前方的未受采动影响区变化到采动影响剧烈区，岩层的渗流速度逐渐减低，当工作面推过 20m 后，2 #孔处的覆岩开始卸压，岩层应力降低，渗流速度开始增加。工作面从24m 推进到 40m 的过程中，2 #孔位于采空区上方，由于形成了岩梁的而能承载上覆岩层所施加的力，岩层处于逐步压实区域
19、，使得 2#孔处的岩层范围在不断的被压实，岩层的渗流速度在不断地下降。当工作面推进到 42m 时，顶板发生第 1 次周期来压，使得上覆岩层的应力分布发生变化，离层裂隙高度升高，进一步发育，使得 2#孔处的岩层渗流速度有所升高。随着工作面的推进，裂隙不断向上发育，2 #处的岩层渗流速度逐渐升高，当采空区岩梁达到一定距离后，上覆岩层开始弯曲下沉，裂隙逐渐被压实，2 #孔中气体渗流速度再一次下降。00.20.40.60.836 40 42 48 52 56距 切 眼 距 离 （ m）渗流速度（ml/s）0.5MPa图 7 3#孔渗流速率随工作面推进距的变化曲线Fig.7 different dist
20、ances from the cut in face the gas flow rate of the 3rd hole at 0.5MPa3#孔距离切眼水平距离 40m，在工作面推过 40m 后，3 #孔附近的岩层渗流速度随着工作面的推进不断升高，且在 42m、56m 周期来压处渗流速度发生突变。从上述三幅图中可以发现，在工作面前方 012m 和距切眼 024m 的范围内，覆岩裂隙发育，形成了卸压充分高透高流带和卸压增透增流带，气体在岩层中的渗流速度较大。在距切眼 24m 至工作面前方 12m 范围内的，由于上覆岩层裂隙收缩、闭合，整个过程中产生了地压恢复减透减流带，导致气体渗流速度逐渐下降
21、，且随着工作面的推进， “三带”也在不断前移，地压恢复减透减流带的范围逐渐扩大。如当工作面推进到距切眼 5256m 范围内，顶板发生第二次周期来压，对上覆岩层再一次扰动，对于 1#孔和 2#孔而言，已不如顶板压实作用影响显著，地压恢复减透减流带已经覆盖了 1#孔和 2#孔的范围，而对 3#孔而言，其正处于来压显著影响范围内，即为卸压增透增流带中，其覆岩渗透性显著改变，渗流速度增大。4 结论（1）通过相似模拟实验，采空区底板上的支承压力分布规律大致可归纳为三个区域，即：卸压波动区、卸压增大区和卸压缓慢变化区，并通过实验确定了三个区域的大致范围。（2）从卸压流动的观点看，采动过程中采空区上方的横向
22、方向上产生了三带，可划分为：卸压增透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带，通过实验大致确定了“三带”的范围。（3）分析瓦斯渗流速度与工作面推进之间的关系，发现随工作面推进瓦斯渗流速度会出现在来压点前后先增大后减小的趋势变化，且在来压点处增大非常明显。（4）结合应力峰值对卸压瓦斯渗流规律进行了分析，随着应力峰值从临近-到达- 离开的过程中，岩层的渗流速度的变化规律呈先升高后降低，再升高最终稳定的变化趋势。参考文献1 章梦涛,潘一山,梁冰.煤岩流体力学M.北京:科学出版社，19952 曹树刚，郭平，李勇等.瓦斯压力对原煤渗透特性的影响J.煤炭学报，2010，35（4）：5955993 李
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