采動卸壓區域瓦斯解吸規律研究

李堯斌，李重情，劉 健

(1.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

瓦斯在煤層中的賦存以游離與吸附方式存在，游離瓦斯主要賦存在裂隙、大孔、中孔中，而吸附瓦斯主要賦存在微孔隙和微裂紋表面[1]。在礦井生產過程中，采掘工程破壞了原巖應力場的平衡和原始瓦斯壓力的平衡，形成了采掘周圍巖體的應力重新分布和瓦斯運移[2]。受采動卸壓影響，裂紋發生擴展，形成新的孔隙結構，在此過程中瓦斯會發生解吸，增加瓦斯壓力。一般情況是，在瓦斯壓力和煤體應力相互作用的過程中煤和瓦斯發生運移，并重新達到平衡，嚴重情況則是發生強運移過程，即出現煤與瓦斯突出等瓦斯動力現象。可見，了解卸壓煤體解吸規律，掌握瓦斯壓力變化情況，對減小煤體瓦斯壓力梯度，控制瓦斯動力災害有著重要意義。

針對瓦斯解吸規律，很多學者開展了一系列研究工作。曹垚林等[3]對不同粒度煤樣進行了瓦斯解吸規律實驗研究，發現隨著煤樣粒度增大，前5min內解吸量呈逐漸減小趨勢，其中6mm以下粒度表現最為明顯；5min后解吸強度趨于穩定，與粒度關系不明顯。李云波[4]利用自制的瓦斯解吸試驗裝置對不同壓力、不同粒度條件下的煤樣進行了實驗，發現在其他條件相同的情況下，瓦斯解吸初速度隨粒度的減小而增大。由于煤礦煤層中多含有水分，李曉華等[5]對煤在相同吸附平衡壓力和解吸時間條件下的瓦斯解吸量進行了研究，發現煤樣水分含量越大，瓦斯解吸量越小。進而，張國華、趙東等[6-7]利用自制的瓦斯解吸試驗裝置進行了不同條件下的高壓注水解吸試驗，發現高壓注水后瓦斯解吸量會大大減少，可降至自然解吸量的50%～70%，且瓦斯解吸的終止時間提前。許江等[8]通過自主研發的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置進行的相關實驗研究，發現煤體滲透率是隨溫度升高而逐漸降低的。目前對瓦斯解吸規律研究主要是采用實驗研究的方法進行的，筆者通過數理分析和現場試驗相結合的方法對采動卸壓條件下瓦斯解吸規律進行研究，找到瓦斯壓力與采動卸壓后煤體應力之間的關系。

1 采動卸壓瓦斯解吸理論分析

采動卸壓前瓦斯處于解吸和吸附的平衡共生態，在工作面前方一定體積煤體內所含瓦斯總量是恒定的，并由吸附瓦斯和游離瓦斯共同組成。假設：①煤體變形是微小的，且忽略孔隙煤體骨架解吸收縮變形；②含瓦斯煤體為均質各向同性材料；③煤體在采動卸壓運動過程中溫度保持不變。

采動前，單位體積煤體瓦斯氣體符合氣體狀態方程，見式(1)。

(1)

式中：P1為采動前游離瓦斯氣體壓力，Pa；V1為采動前單位煤體內游離瓦斯體積，m3；n1為采動前單位煤體游離瓦斯物質的量，moL；Z為壓縮系數，表示實際氣體與理想氣體間的偏差；R為摩爾氣體常數，取8.314J/(K·moL)；T為熱力學溫度，k。

由于卸壓影響，單位煤體在卸壓前后體積應變會發生變化，且突出煤和非突出煤的全應力-應變在力學實驗過程中變形總體規律基本一致[9]。假設單位體積煤體的三個邊長分別為dx、dy、dz，變形后分別為dx(1+εx)、dy(1+εy)、dz(1+εz) ，由假設①可得單位體積煤體的變化量ε即為游離瓦斯的增加量，見式(2)。

(2)

根據假設②并結合廣義胡克定律[10]有式(3)。

(3)

式中：E為彈性模量，MPa；ν為泊松比，為常數；σx,σy,σz為分別為煤體在X，Y，Z方向上的應力分量，MPa。

受卸壓作用影響，卸壓區域瓦斯吸附和解吸之間的平衡共生態被打破，瓦斯壓力發生變化。設由吸附態瓦斯解吸出的游離瓦斯物質的量為△n，采動卸壓煤體變形后的瓦斯壓力為P2，根據假設③可得式(4)。

(4)

將游離瓦斯增加量ε代入到式(4)中可得式(5)。

(5)

所以，可得采動卸壓區域煤體變形后的瓦斯壓力見式(6)。

(6)

煤體在卸壓前的游離瓦斯體積V1為單位煤體體積減去煤體骨架體積，可通過實驗確定。△n為解吸出瓦斯物質的量，當煤體初始瓦斯壓力確定，一定體積煤體內所含瓦斯總量是恒定的。假若在卸壓變形后游離瓦斯量不變，即△n為零，此時瓦斯壓力為瓦斯壓力極限小值Pmin，見式(7)。

(7)

則可得采動卸壓前瓦斯壓力和極限小值Pmin間的壓力降ΔP1，見式(8)。

(8)

此值就是實際產生瓦斯解吸的等效負壓驅動力，在此驅動力作用下吸附瓦斯進行解吸，進而達到新的動態平衡，稱之為等效負壓驅動效應。張洪良等[11]在自制的負壓環境瓦斯解吸模擬測定裝置上進行了相關研究，研究表明隨著負壓的升高，累積瓦斯解吸量越大。

假若全部吸附瓦斯都解吸為游離瓦斯，且煤體變形量保持不變，則瓦斯壓力達到最大，其作用力也相應達到最大，即得瓦斯壓力極限大值Pmax，見式(9)。

(9)

式中：n2為采動前單位煤體吸附瓦斯物質的量。

此極限大值是瓦斯壓力破壞的最大作用力，是一個理論極大值，因為隨著瓦斯解吸量不斷增加，瓦斯壓力會進一步增大(安豐華等[12]對瓦斯解吸規律進行了分析總結，并提出了瓦斯解吸量與瓦斯壓力的關系式)，將超過煤體施于的有效應力作用，煤體變形量就不可能保持不變，這與公式(9)的前提相矛盾，即實際煤體在瓦斯壓力達此極限值之前一定變形。也就是說，在瓦斯壓力逐漸增達靠近此值的過程中，煤體會發生新的變形，在瓦斯壓力作用下，孔隙和裂紋進一步發育，煤體瓦斯運移會達到新的平衡，甚者將發生煤與瓦斯突出等瓦斯動力現象。

2 工程現場試驗分析研究

為探明在采動卸壓作用下的瓦斯解吸規律，對淮南礦業集團潘一東煤礦1252(1)工作面進行了現場試驗研究，分別在工作面軌道順槽和運輸順槽安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計和瓦斯壓力表，對煤層應力和瓦斯壓力進行實測，測得結果如圖1至圖4所示。

圖1 軌道順槽測點1應力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖2 運輸順槽測點1應力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖3 軌道順槽測點2應力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖4 運輸順槽測點2應力和瓦斯壓力變化曲線圖

由圖1～4，可見1252(1)工作面瓦斯壓力與采動煤體應力存在密切的對應關系。軌道順槽的最大瓦斯壓力達到0.32MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內出現；最大峰值應力達到24MPa左右，應力峰值區域在距工作面15～25m處。運輸順槽的最大瓦斯壓力達到0.68MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內出現；最大峰值應力達到17MPa左右，應力峰值區域在距工作面10～30m處。在工作面推進過程中，軌道順槽的最大瓦斯壓力為0.14MPa左右，最大峰值應力為22MPa左右，其影響范圍約有80m；運輸順槽的最大瓦斯壓力為0.22MPa左右，最大峰值應力為18MPa左右，其影響范圍約有70m。

由理論分析可知，煤體采動應力變化是影響瓦斯壓力的主要因素，瓦斯壓力隨采動卸壓后應力變化而變化。在工作面推進方向應力出現集中，瓦斯壓力也隨出現集中，但在應力峰值之后一小段范圍內，瓦斯壓力進一步在增大，這就是相當于ΔP1的推動作用，所以呈現了工作面前方瓦斯壓力峰值略落后于應力峰值現象。從另一個角度，由于瓦斯壓力增加，阻礙了煤體的收縮程度，促進煤體內部裂紋發生[13]。所以，隨著煤體的孔隙和裂紋進一步發育，煤體的透氣性增大，提供給游離瓦斯的空間增加，致使瓦斯壓力升至一定值后逐漸降低，且此值必小于Pmax。

此外，對圖2與圖3、圖4與圖5的比較發現，軌道順槽煤體應力大于運輸順槽煤體應力，但瓦斯壓力卻是軌道順槽的小于對應運輸順槽的，這似乎與應力主導瓦斯壓力的對應關系相矛盾。據實際生產情況分析，應該是軌道順槽側臨近上一工作面采空區，為受其卸壓瓦斯滲流釋放影響所致。

3 結論

1)采動應力變化是導致瓦斯解吸的原始驅動力，是瓦斯解吸背后的動因，在距工作面10～30m范圍內出現集中。

2)受采動卸壓影響，瓦斯隨之發生解吸，并由于等效負壓驅動效應，瓦斯壓力的峰值落后于煤體應力峰值，在距工作面距離20～30m范圍間達到最大值，且峰值小于理論極大值Pmax。

3)軌道順槽應力峰值及其影響范圍大于運輸順槽。

4)由于瓦斯解吸影響因素復雜，如煤的性質、地質條件、溫度、透氣性、含水率、應力狀態等，針對采動卸壓后瓦斯解吸規律有待進一步考慮多因素同時交叉作用情況下的細化研究。

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