孤岛工作面瓦斯渗透规律与排放宽度研究_赵志华.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 0引言 孤岛工作面回采期间， 覆岩活动剧烈， 矿压显现 复杂， 出现明显的应力集中现象， 容易发生煤与瓦斯 突出[1]。众多学者认为煤与瓦斯突出主要是瓦斯、 煤 的力学性质和地应力三者综合作用的结果，如何快 速、 准确地测定突出的相关预测指标， 是高突矿井孤 岛工作面急需解决的问题[2-4]。 现场实践表明， 工作面 回采期间， 其周围煤体透气性增强， 瓦斯大量排出， 在回采巷道两帮和掘进面会形成卸压区，煤与瓦斯 突出危险性预测工作，主要是对工作面前方一定范 围的瓦斯压力和应力状况进行检测，根据卸压区域 宽度，以此来判断卸压带能否阻止煤与瓦斯突出的 发生[5-7]。 本文以伯方煤矿 3205 孤岛工作面为研究对 象， 分析工作面回采期间煤层渗透性变化特征， 并采 用理论分析和现场观测手段确定工作面瓦斯排放宽 度， 研究成果可为类似矿井起到指导作用。 1地质与开采条件 伯方煤矿 3205 工作面井下位于二盘区左翼， 两 侧的 3207 工作面和 3203 工作面均已完成开采， 属于 典型的典型的孤岛工作面。 工作面长度 157m， 推进长 度 1384m， 埋深 209～341m， 采用一次采全高综放开采 工 艺 。 工 作 面 主 采 煤 层 3 煤 层 ， 煤 层 厚 度 4.82～5.46m； 煤层结构简单， 煤层倾角 2～6， 煤体平 均抗压强度 11.4MPa； 煤层层理、 节理为中等发育。工 作面直接顶为粉砂岩，厚度约 3.51m，抗压强度 15.44MPa；基本顶为中砂岩，厚度 4.55m，抗压强度 32.33MPa； 直接底为砂质泥岩， 厚度 1.64m， 抗压强度 15.43MPa；基本底为粉砂岩，厚度 4.27m，抗压强度 42.55MPa。 工作面瓦斯压力变化范围在 0.18～0.57MPa 之间， 瓦斯含量变化范围在1.0128～3.0225m3/t 之间。 孤岛工作面瓦斯渗透规律与排放宽度研究 赵 志 华 （山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司 ，山西 高平 048400 ） 摘要 孤岛工作面的开采对煤炭资源的利用， 在经济层面和国家资源战略方面都有重要的意义。 本 文以伯方煤矿 3205 孤岛工作面为研究对象， 采用数值模拟、 理论分析和现场观测手段， 分析研究了孤 岛工作面回采期间煤层渗透性变化特征， 并确定了工作面瓦斯排放宽度。 研究表明 3205 孤岛工作面 回采期间， 工作面塑性应变大小与离回采面距离呈反比， 等效塑性应变值呈半弧形分布， 前方煤体渗 透性分布呈现渗透骤增、 部分增加、 降低明显以及原始渗透四个阶段， 瓦斯卸压区宽度为 3～4m， 工作 面前方应力峰值距工作面 8m左右； 工作面瓦斯排放宽度随着煤巷暴露时间的增大而增大， 当煤巷暴 露时间为 180d 时， 瓦斯排放宽度为 26m。 关键词 孤岛工作面 ； 渗透规律 ； 瓦斯排放宽度 ； 卸压范围 中图分类号 TD712.5文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0061- 04 Study on Gas Permeation Law and Discharge Width of Isolated Island Face ZHAO Zhihua （Shanxi Lanhua TechnologyVenture Co., Ltd. BofangCoal Mine Branch , Gaoping 048400 ， China ） Abstract The exploitation ofisolated island working face is ofgreat significance to the utilization ofcoal resources in economic level and na- tional resource strategy. In this paper, taking the 3205 island working face of Bofang Coal Mine as the research object, using numerical simulation, theoretical analysis and field observation, the change characteristics of coal seam permeability during the mining period of the island working face are analyzed and studied, and the gas emission width of the working face is determined. The results showthat during the mining period of 3205 isolated island working face, the plastic strain of working face is inversely proportional to the distance from the mining face, and the equivalent plastic strain value is semi- arc distribution. The permeability distribution of coal body in front of 3205 isolated island working face presents four stages soaring permeability, increasing permeability, decreasing permeability, and original permeability. The width of gas pressure relief zone is 3- 4 m, and the stress peak value in front of working face is about 8 m away from the working face. The width of gas emission increases with the increase of exposure time of coal roadway. When the exposure time of coal roadway is 180 days, the width of gas emission is 26 meters. Keywords isolated workingface ; permeation law; gas emission width ; pressure reliefrange 61 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 2孤岛工作面渗透率分布特征 2.1数值模型建立 采 用 COMSOL Multiphysics 中 的 固 体 力 学 和 PDE 自定义模块， 建立的几何模型和边界条件， 如图 1 所示， 图中数字表示模型的开挖顺序。 图 1模型几何模型及边界条件 其中煤层上部载荷为负重岩层重力， 顶板上覆岩 层深度为 5～50m， 岩层平均密度为 2600kg/m3。 模型左 右边界分别为固定边界和对称边界， 工作面四周为不 透气边界， 右边界在开挖后为压力值是大气压的恒压 边界。模型中所采用的参数见表 1。 表 1模型参数 2.2模拟结果分析 图 2 为 3205 孤岛工作面第 1 次和第 2 次开挖后 应力分布特征。 由图 2 （a ） 可知， 受开采扰动影响， 煤岩层原始应 力状态发生改变，在采掘空间随后的很短时间内， 在 采掘空间交界位置出现了一定的应力集中区域， 致使 该区域煤体产生破碎变形， 应力集中区域向煤体后方 转移， 最后稳定后形成卸压区和应力集中区； 其中卸 压区宽度在 3～4m之间， 工作面前方的应力集中区的 应力峰值离工作面的距离为 8m左右。由图 2（b ） 可 知， 第 2 次开挖后， 工作面前方应力状态与第 1 次类 似， 在离回采面较近区域也是分为卸压区和应力集中 区， 应力场向煤体深部转移。 （a） 第 1 次开挖（b） 第 2 次开挖 图 23205 孤岛工作面开挖后应力分布特征 图 2 为 3205 孤岛工作面第 1 次开挖完成后工作 面前方煤体压碎破坏产生的等效塑性应变和开挖过 程中应力张量 xy分量分布特征。 （a ）工作面前方等效塑性（b）应力张量 xy 分量 应变分布情况 图 2工作面第 1 次开挖后塑性应变和应力张量分布特征 由图 2 （a ） 可知， 孤岛工作面中塑性应变大小与 离回采面距离呈反比， 离采掘面越近， 塑性应变越大； 而相应的等效塑性应变值呈半弧形分布， 且呈逐渐递 减规律。 由图 2 （b ） 可知， 工作面受上区段采空区的侧 向支承应力影响比下区段要大， 且与工作面推进方向 相比， 两侧的支撑压力影响范围受工作面推进距离影 响较小。 采掘面前方煤体渗透性分析结果如图 3 所示。 图 3工作面前方煤体应力、 渗透性分区特点 由图 3 可知， 工作面回采过程中前方煤体的渗透 性分布特征可大致划分为渗透骤增、 部分增加、 降低 明显以及原始渗透四个阶段， 相应的可以分为四个区 域 ①渗透 I 区 卸压带煤体受采动应力影响后， 煤体 产生屈服破坏， 所受应力载荷降低， 裂隙发育， 渗透性 骤增； ②渗透 II 区 在集中应力带， 应力屈服区部分 煤体产生屈服损伤， 带来裂隙扩展发育， 致使煤体渗 模型参数数值模型参数数值模型参数数值 裂隙孔隙率/0.009 煤体弹性模量 /GPa 4 煤体体积密度 /kg/m3 1400 基质孔隙率/5.6 煤体泊松比0.4 岩层体积密度 /kg/m3 2550 CH4 Langmuir 体积/m3/t 19 煤颗粒体积模量/ GPa 7.6 岩层弹性模量 /GPa 29 CH4 Langmuir 压力/MPa 1 煤固体骨架体积 模量/ GPa 8.5岩层粘结力/MPa19 煤基质吸附时间 /d 12 煤体原始粘结力/ MPa 1.2岩层内摩擦角/40 体积应力对渗透 率影响系数 0.26渗透性突变系数20煤层温度/k294 煤体塑性流动阶 段粘结力/MPa 0.9煤体内摩擦角/40 CH4 最大吸附变 形量/ 1.2 煤体损伤变量临 界值/ 0.09 62 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 透性比原始煤体渗透性相比有部分增长；③渗透Ⅲ 区 应力集中带后方， 由于集中应力的存在， 致使煤体 的裂隙率及孔隙率大大降低， 相应地其渗透性也降低 明显； ④IV 区 渗透离采掘面较远的原始煤体区域， 煤体应力和渗透性均未发生变化。 3孤岛工作面瓦斯排放宽度的确定 3.1理论分析 瓦斯从巷道周围煤层开始向巷道内涌出时， 随着 时间的增长，其巷道两帮瓦斯压力呈逐渐减小的规 律。巷道两帮绝对瓦斯压力的关系可采用公式 （1 ） 进 行表示。 P （P1- P0） 1- e - b r t （） ■ P0（1 ） 式中 b 为常数， r 为距煤壁的距离， m； t 为瓦斯 流动时间， d； P、 P1、 P0分别为巷道两帮绝对瓦斯压力、 煤层原始瓦斯压力、 巷道大气压力， MPa。 瓦斯从煤壁向巷道涌出时， 随着煤体内的瓦斯不 断解吸出来，在瓦斯压力梯度作用下向巷道内流动， 煤体总的瓦斯含量为瓦斯涌出量与相应的残余瓦斯 量之和， 可用公式 （2 ） 表示。 mxLαP1■ L 0 ∫xmdra P ■ L 0 ∫B1t B2xmdt （2 ） 将上式进一步简化， 可得到 L 0 ∫ P ■ drLP1 ■ - B1 αB21 t B21 （3 ） 式中 L 为卸压瓦斯排放带宽度， m； x 为所分析 煤体沿巷道方向的长度， m； r 为煤体内某点距煤壁的 距离， m； a 为瓦斯含量系数； B1、 B2为常数； m 为煤层 厚度， m。 联立公式 （1 ） 、（3 ） ， 并对结果进行积分可得 L 0 ∫ P ■ dr 2tP1- P0 ■ b - 21- e - bL/t ■■ - 1 2 （ In 1-1- e - bL/t ■■ 1- e - bL/t ■■ 1 arctan1- e - bL/t ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （4 ） 将公式 （4 ） 代入 （3 ） 有 LP1 ■ B1 α （B21 ） tB21 2t （P1- P0） ■ b - 21- e-bL/t ■■ - 1 2 Im 1-1- e-bL/t ■■ 1- e-bL/t ■■ 1 arctan 1- e-bL/t ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （5 ） 从公式 （5 ） 可知， 只有当 r 为无穷时， 巷道两帮绝 对瓦斯压力才可能达到原始煤层瓦斯压力， 但考虑到 在 rL 处的瓦斯压力与煤层的原始瓦斯压力相差很 小， 所以可以 （P1- P0） 1- e - bL t （） ■ P0AP1， 其中 A 为 定系数， 大小接近于 1， 将该式代入公式 （5 ） 并进一步 简化， 可得到卸压瓦斯排放宽度 L的计算表达式 L B1 α （B21）tB 21 P1 ■ 2 （P1-P0） ■ In 1- AP1-P0 P1-P0 （）（） 2 - 2 AP1-P0 P1-P0■ （） - 1 2 In 1- AP1-P0 P1-P0 （） 1 AP1-P0 P1-P0 （） arctan AP1-P0 P1-P0■ （6 ） 公式 （6 ） 中 B1、 B2取值与巷道的宽度、 煤层的瓦 斯含量等参数有关， 可以根据实际测出的瓦斯涌出数 据进行线性回归之后求得。 当以上参数及巷道的大气 压力、 瓦斯含量系数、 原始煤层瓦斯压力确定后， 即可 求出 L随时间 t 的变化规律。 对于本文的研究对象工作面， 现场测试煤层瓦斯 含量与压力确定的有关参数的取值如下 P1平均为 0.45MPa， P0为 0.1MPa， 瓦斯含量系数为 17.8MPa0.5， A 可取 0.95， B1为 5.6， B2为 0.70，瓦斯排放时间取 180d， 则理论计算得到的瓦斯排放宽度 L27.4m。 3.2沿空瓦斯排放宽度现场观测 图 4煤巷不同暴露时间下， 不同深度的瓦斯含量 为考察孤岛工作面煤巷的极限排放宽度， 在工作 面机巷和风巷内，暴露时间分别为 10d， 30d， 60d， 90d， 120d， 150d， 180d 位置，沿垂直工作面走向分别 施工 30m 深度的钻孔，并在 6m 到 30m 范围内每隔 2m取一次煤样， 进行瓦斯含量的测定工作， 测定结果 如图 4 所示。 由图 4 可知， 排放带宽度随煤巷暴露时间增加而 增大， 当暴露时间增加到某种程度后趋近于某一具体 值。究其原因在煤巷初始暴露时， 由于煤层破坏区内 63 ChaoXing （上接第 60 页 ） 图 4工作面后方瓦斯浓度观测 4结论 1 ） 高水材料柔模充填体存在较为严重的漏风问 题， 留巷内瓦斯浓度超高， 严重影响留巷安全。 2 ）从顶板条件、 模板支设、 柔模袋下坠、 充填工 艺分析了漏风原因。 3 ）从顶板平整、 加固模板、 柔模袋吊环改进、 加 快材料凝固速度、 材料膨胀 5 个方面提出了防漏风技 术， 现场效果考察表明， 工作面后方 200m 瓦斯浓度 由 2以上降低到 0.8， 效果显著。 参考文献 [1] 张红军， 丁可可.突出矿井高水材料沿空留巷技术研究与 应用[J].煤矿开采， 2017， 22 （1） 77- 80. [2] 胡黎明， 张耀辉， 熊祖强， 等.成庄矿 4311 综放工作面沿 空留巷技术[J].煤矿安全， 2015， 46 （9） 144- 148. 作者简介 蒋冬生 （1990-） ， 男， 山西霍州人，2015 年毕业于安徽理 工大学， 工学学士， 目前在霍州煤电吕临能化公司庞庞塔煤 矿开拓一队工作， 从事采掘和安全管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 1- 17 ） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 的瞬间形成瓦斯压力梯度，致使瓦斯迅速开始解吸。 随着时间的增加， 产生应力增高区， 且随着应力增高 区前移， 排放带宽度增加迅速;煤体上覆岩层压力重新 稳定后， 排放带宽度增加变缓， 直至进入原岩应力区 后，在很小的瓦斯压力梯度下排放带宽度缓慢增长， 直至瓦斯压力梯度为 0 时达到煤巷极限排放带宽度。 当煤巷暴露时间为 l0d 时，瓦斯排放宽度大约 8m； 暴露时间为 30d 时， 瓦斯排放宽度大约 10m； 暴 露时间为 60d 时， 瓦斯排放宽度大约 12m； 暴露时间 为 90d 时； 瓦斯排放宽度大约 16m； 暴露时间为 120d 时， 瓦斯排放宽度大约为 18m； 暴露时间为 150d 时， 瓦斯排放宽度大约为 22m； 暴露时间为 180d 时， 瓦斯 排放宽度大约为 26m，这与煤巷暴露 180d 时理论计 算得到的煤巷瓦斯排放宽度 27.4m大致相等。 4结论 1 ）3205 孤岛工作面回采期间，随工作面向前推 进， 应力集中区域不断向煤体深部转移， 卸压区宽度 在 3～4m之间， 工作面前方的应力集中区的应力峰值 离工作面的距离为 8m左右； 2 ）在孤岛工作面回采期间，工作面塑性应变大 小与离回采面距离呈反比， 离采掘面越近， 塑性应变 越大； 而相应的等效塑性应变值呈半弧形分布， 且呈 逐渐递减规律； 3 ） 孤岛工作面回采过程中前方煤体渗透性分布 大致可以划分为渗透骤增、 部分增加、 降低明显以及 原始渗透四个阶段； 4 ） 孤岛工作面瓦斯排放宽度随着煤巷暴露时间 的增大而增大， 当增加到某一阶段后逐渐趋于稳定， 3205工 作 面 煤 巷 暴 露 时 间 分 别 为 10d， 30d， 60d， 90d，120d， 150d， 180d 时， 瓦斯排放宽 度分别为 8m， 10m，12m， 16m， 18m， 22m 和 26m， 与 理论计算结果误差较小。 参考文献 [1] 张科学, 郝云新, 张军亮, 等. 孤岛工作面回采巷道围岩 稳定性机理及控制技术[J]. 煤矿安全, 2010, 4111. 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