采动影响下卸压瓦斯渗流规律物理相似模拟实验研究.pdf

2 0 1 3年第2期 煤炭工程 采动影响下卸压瓦斯渗流规律 物理相似模拟实验研 究 潘宏宇，肖 鹏，李树刚，林海飞，张涛伟 西安科技大学 能源学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要利 用 自主研发的固气耦合物理相似模拟实验平台，对开采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 了实验分析 ，得 出了采空区煤层底板支承 压力分布规律及其影响区域的范围，分析 了沿采空区上方横向方向瓦斯渗流速度变化形成的 “ 三带” 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 。 关键词 卸压 瓦斯 ；渗流；应力分布 ；相似模拟 中图分类号T D 7 1 2 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 O 2 - 0 8 7 - I 4 煤炭大规模及不断向纵深方 向的开采，使得工作面煤 层瓦斯涌出量急剧上升 ，回风巷及上隅角瓦斯频频超限， 甚至引发瓦斯燃烧或爆炸等恶性事故 ，严重威胁着矿井安 全生产及可持续性发展，造成了大量的人员伤亡、经济损 失和严重的社会影 响。我国大量学者从瓦斯动力 弥散规 律 及瓦斯升浮一扩散规律 等方面，对采动裂隙带 中卸压瓦斯的运移规律进行了分析研究，在物理相似模拟 实验 中从宏 观和微 观方 面也 进行 了 大量 的实 验研 究 ， 但利用物理相似模拟实验台研究采动过程中卸压瓦斯渗流 规律的成果较少。在此本文将利用 自主研发的固气耦合物 理相似模拟实验台，通过对开采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，进一步研究采动影响 下煤层卸压瓦斯的渗流规律，为现场瓦斯抽采提供技术支 持和实验基础。 1 固气耦合物理相似模拟实验系统研制 1 ． 1 固气耦合物理相似模拟 实验 系统 实验设计的固气耦合相似模拟实验系统由实验台箱体、 充气系统、开采系统和应力、渗透率测试 系统等几部分组 成 ，如 图 1 所示 。 1 ． 1 ． 1 固气耦合物理相似模拟实验台箱体 固气耦合相似模拟实验 台尺寸为 7 00m m6 0 0 m m 1 0 0 m m，模型内部腔体尺寸为 6 0 0 mm5 0 0 mm1 00m m，均 由槽钢焊接制作。实验箱体前后表面及顶部装有 1 2 m m厚 的有机玻璃板，用于观测开采后岩层位移及覆岩裂隙发育 情况 。 图 1 固气耦合相似模拟实验系统 在实验台箱体表面的有机玻璃板上分别布置有直径为 1 0 m m的气孔，作为本次实验采集数据的进气孔和测试孔。 进气孔与测试孔对称分布，实验模型立面图如图 2所示。 板块表 面布置有 1 5个孔，每行 5个，共 3行，行间距 1 0 0 m m，由左向右依次编号为 0 、1 、2 、3 、4 。 ， 。 ， ／ ／ ／ ．／ ／ 。 ，／ ／ ， ， 一1 0 0 ， 0 ，1 ， 2 ， ／3 ， 4 三 第 三 排 ，／ ／／ 第 二 排 r／ ， 、 第一排 0 In 切 眼 煤层 一 ／ ．． 1r _ r一 ，。 {r ／ r／ ， r ／ ， ／ 图 2 相似模拟 实验模型立面 图 m m 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 0 9 基金项 目国家 自然科学基金青年资助项 目 5 1 2 0 4 1 3 4 ，5 1 1 1 1 8 ；国家自然科学基金面上资助项 目 5 1 1 7 4 1 5 8 ；陕 西省教育厅科研计划资助项 目 1 1 J K 0 7 7 4 ；西安科技大学培养基金资助项 目 2 009 0 0 9 作者简介潘红宇 1 9 7 9一 ，男，湖南常德人，博士，2 0 0 9年毕业于西安科技大学安全技术及工程专业，现从事煤矿 瓦斯灾害防治研究。 8 7 煤炭工程 2 0 1 3年第2期 1 ． 1 ． 2 充气系统 实验采用的充气系统以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 气体压力的装置，通过调节平衡阀使充气罐压力达到初始 设定值后 ，穿过模型，用于模拟瓦斯气体。 充气管路采用高压橡胶管与储气罐连接，用截止阀控 制充气孔 口的数量 ，可以实现 1～ 4条管路同时充气 ，高压 橡胶管与进气孔采用直通管连接，由于模型箱体偏小，铺 设模型的比例较大，煤岩层厚度较薄，在此进气孔采用在 橡胶塞中插入直径为5 m m玻璃管作为模型的接口，玻璃管 和充气管路之间用橡胶管连接。充气系统所有接头、接 口 处均有橡胶圈、生胶带、胶体密封。 1 ． 1 ． 3 开采 系统模拟 煤层开采系统由枕木、小铁盒、螺杆三部分组成。实 验铺设模型前 ，先用螺杆将小铁盒顶至模拟煤层的高度， 当保持同一高度稳定后，开始铺设实验模型。在实验开采 过程中，通过螺杆向下旋转引导小铁盒下降，模拟煤层的 开采。枕木在开采系统中用以稳定铁盒。设计煤层开采系 统每次推进距离 2 e m，根据模拟实验需要 ，采高可以进行 调节，最大采高可达 5 c m。 1 ． 1 ． 4 应力及渗透率测试系统 本次实验的煤层底板应力数据通过小型压力传感器采 集，研究底板应力的分布规律。传感器尺寸为 l O O m m l O m ml O m m的长方体，量程为 l O k g ，数据线从传感器的 底板中部引出。模型铺设时，将传感器布置在煤层底板中， 通过数据采集系统直接与电脑连接，进行实时压力数据 采集。 渗透率测试设备包括空气压缩机、皂泡流量计 、高压 橡胶管、橡胶软管、压力表等 ，测定进气孔气体的压力和 出气孔气体流过规定量程的时间。出气孔直接与皂泡流量 计相连，皂泡流量计量程为5 0 m L ，除测试孔以外的其余各 孔 口采用橡胶塞封闭。 1 ． 2 实验模型的建立 主关键层的断裂将导致上覆岩层发生整体运动，影响 裂隙场发育的高度和范围，从而影响岩层渗透率的变化。 为研究主关键层的位置对裂隙演化及气体渗流速度的影响， 本次实验将主关键层布置在距离煤层顶板 3 0 m处。由于该 模型箱体尺寸较小，按实验要求选择确定模型几何相似 比 为1 2 0 0，则时间相似常数、容重相似常数、应力相似常数 与强度相似常数根据相似定理进行计算确定，见表 2 ，岩层 物理力学性质见表 3 。 表 2 模型相似常数 1 ． 3实验 过程 模型铺设时，箱体前表面的有机玻璃板不拆，以观察 88 模型材料铺设时的平整度。利用槽钢作为后表面 的挡体， 确保模型在铺设过程中不发生膨胀变形。模型制作完成后， 晾晒2 4 h ，拆除箱体后表面的槽钢，安装有机玻璃板 ，然后 再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，以增加模型的气密性，经充气测试，效果 良好。 表 3 模 型煤岩层 的物理力学性质 当各实验测试仪器连接测试完成后，开始进行实验。 实验过程中，除当前进气孔和测试孔以外的其余气孔均用 橡胶塞密封，以免漏气。 煤层开采时，从模型左边开切眼开始。开采方式为旋 转模型下方的螺柱，让铁盒缓慢均匀下降，以达到煤层开 采的效果。当开采一定的距离后，开始对进气孔进行充气 ， 测试各测试孔的渗流速度。当开采影响范围内有两个进气 孔时，在同一推进距离下，分别对两个进气孔充气 ，测量 各测试孔的渗流速度。 固气耦合模拟实验的渗透率测试系统主要测试各进气 孔的压力和出气孑 L 气体的流速。每次模型充气前，预先打 开储气罐，连接相应的截止阀，等储气罐内气体压力达到 预设值后，开始对模型充气，并调节气泵阀，使储气罐内 的气体压力保持恒定，依次按照设定的压力等级进行测试 并记录数据。压力表选用 0 ． 2 5级 1 MP a 精密压力表。 为 了较好地反应 工作 面不 同推进距对 卸压 瓦斯渗流 速 度变化的影响 ，实验过程 中选取 0 ． 4 MP a的压力气体进行 定 孔分析测试 。 2 采动覆岩应力分布规律分析 随着煤层不断开采，采空区内的覆岩在不同的推进距 离下逐渐发生离层、弯曲下沉、垮落等现象，使得工作面 前方一定范围内应力不断发生变化 ，在一定范围内出现了 应力集中区和卸压区。根据工作面底板测点开挖前后应力 值和距切眼的距离 ，得到不同推进距离下煤层底板应力分 布情况 ，如图3 6所示。 从图3～6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前方 2 5 m范围内，该区域内受采 2 0 1 3年第2期 煤炭工程 壬 籁 导 籁 1 岳 一6 0 6 l 2 l 8 2 4 30 36 42 48 5 4 6 0 6 6 7 2 7 8 距切眼距离／ m 图3 工作面推进8 2 4 m底板应力分布 4 ． 0 2 ． 0 1 ． 5 1 ． 0 O． 5 0 6 0 6 l 2 1 8 2 4 3 O 36 42 48 5 4 6 0 6 6 7 2 7 8 距切眼距离／ m 图 4 工作面推进 2 8 4 2 m底板应力分布 一6 0 6 1 2 l 8 2 4 30 3 6 42 4 8 5 4 6 0 6 6 7 2 78 距切眼距离／ m 图 5 工作面推进 4 8～ 6 4 m底板应力分布 一6 0 6 1 2 l 8 24 3 0 36 42 48 5 4 6 O 6 6 7 2 78 距切眼距离／ m 图 6工作 面推 进 6 8 8 0 m时底板应力分布 动影响剧烈，在工作面前方 0～6 m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 0 6 m至 2 5 m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 2 5～4 5 m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 4 5 m以远，此区域受采动影响较小，煤体孔隙、裂隙 基本不变，钻孑 L 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 ． 3 5 ，初次来压时煤壁的应力集中 系数为 1 ． 8 5 ，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 5 6 m时，采空区底板的 支承压力集中系数最大值为 1 ． 1 2 ，推进至7 0 m时，发生第 3次周期来压 ，覆岩未发生垮落 ，推进至 8 0 m时，采空区 底板的支承压力集中系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①卸压波动区，工作面附近大约 一 4～1 4 m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；②卸压增大区，距离工作面2 2 m至距离切眼 2 8 m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；③卸压缓慢变 化区，在距离切眼 一3～2 8 m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， 选用 0 ． 4 MP a下岩层中气体渗流速度变化曲线进行分析，如 图 78所示 。 1 ． 4 1 ． 2 1 ．0 O 8 O ． 6 0 ． 4 0 ． 2 O 距切眼距离／ m 图7 1 孔与2 孔渗流速率 随工作 面推进距 的变化 曲线 从图7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 3 0 m，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 2 8 m时，基本顶初次来压，上覆岩层发生 8 9 一 ． ∞ _ r l L u 、 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 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3 8 m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点，但总体比原始岩层的 渗流速度要高，当工作面推进至 4 2 m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， 但是由于距离切眼越来越远，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。 2 孔位于距切眼水平距离 2 0 m处。从图7中可以看出， 在工作面推进到距切眼 2 0 m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 1 6～2 0 m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 2 0 m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 2 4 m推进到 4 0 m的过程中，2 孔位于采空区上方 ，由于形成 了岩梁而 能承载上覆岩层所施加的力，岩层处于逐步压实区域 ，使 得 2 孔处的岩层范围在不断地被压实，岩层的渗流速度在 不断地下降。当工作面推进到4 2 m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。 3 孔距离切眼水平距离 4 0 m，在工作面推过 4 0 m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 4 2 m、5 6 m周期来压处渗流速度发生突变 ，如图8所示。 距切眼距离／ m 图 8 3 孑 L 渗流速率随工作 面推进距 的变化 曲线 从图7 、图 8中可以发现 ，在工作面前方 01 2 m和距 切眼0～ 2 4 m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2 4 m至工作面前方 1 2 m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，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。当工作面推进到距切眼5 25 6 m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 l 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 孑 L 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 利用自主研究相似模拟实验台试验分析得出，采空 区底板上的支承压 力分布规 律可归 纳为 三个区域 卸 压波 动区、卸压增大区和卸压缓慢变化区，并通过实验分析 了 三个区域的大致范围。 2 采动过程中采空区上方的横向方向上产生了三带， 可划分为卸压增透增流带、卸压充分高透高流带及地压 恢复减透减流带，通过实验分析了 “ 三带”的范围。通过 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出现在来压点前后先增后减的变化趋 势，来压点处增大显著。 3 对应力峰值与卸压瓦斯渗流规律进行了关联分析， 得出在应力峰值从临近一到达一离开的过程中，岩层渗流 速度的变化规律呈先升后降，再升高及最终趋于稳定的变 化趋势 。 参考文献 章梦涛，潘一山，梁冰．煤岩流体力学 [ M] ．北京 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