新維礦區圍巖瓦斯滲透率演化規律研究

彭 博 李 雄 饒 孜 胡 勇

(1.四川省煤炭產業集團有限責任公司技術中心，四川省成都市，610091；2.重慶大學資源及環境科學學院，重慶市沙坪壩區，400044；3.四川芙蓉集團實業有限責任公司，四川省宜賓市，644002)

瓦斯災害是煤礦五大災害之一，又是賦存在煤炭中的清潔能源，如何高效、清潔地抽采瓦斯成為煤炭行業的重點及難點。川煤集團芙蓉公司所轄礦井均屬高瓦斯礦井，瓦斯含量高、地質構造多、抽采難度大是其瓦斯主要賦存特征，本文旨在如何利用開采技術、改進開采方式，提高煤層的滲透系數，從而有利于賦存瓦斯的排放與抽采。

1 工作面應力分布對煤巖體瓦斯影響

由于受到采動影響，在工作面的向前推進過程中，采場的應力呈現規律性重新分布，在原巖應力區，瓦斯滲透率處于初始應力狀態；在彈性變形區，應力出現集中，裂隙開始閉合，瓦斯滲透率出現下降；在塑性變形區，應力開始下降，煤體出現擴容，閉合的裂隙逐漸張開，瓦斯滲透率也穩步上升；在破裂區，應力急劇下降，裂隙出現貫通，瓦斯的滲透系數也急劇攀升至極值。

現場測定和試驗研究表明，對煤層的滲透系數變化起主要作用的是支承壓力，在工作面前方，應力集中點處的滲透率是極低的，而在工作面附近，應力得到極度釋放，裂隙的發育與貫通到了非常成熟的水平，其滲透率也會明顯增大，瓦斯的涌出量隨之上升，即“卸壓增流效應”，為瓦斯抽放位置的布置和人工的導向提供了合理的依據，也為高效煤與瓦斯共采打下了基礎。

對于現場采場前方的應力測定，由于現場的不確定性因素太多而且地質構造的不可預見性，導致測定的不準確系數偏大，目前主要是采用現場觀測、相似模擬和數值模擬方法?，F場實測耗時耗資巨大，儀器的不穩定性以及操作的人為因素會帶來數據上的偏差，而相似模擬過于形象化，對有限元以及邊界元方法來說，其只能針對煤巖體破壞之前的狀態進行模擬分析，要求其處于連續介質的條件下，如果應力達到一定值后出現了位移，那么煤巖體就會出現裂隙的貫通而裂開，這種情況下的模擬假設就不能成立。離散單元法剛好相反，其模擬的原理是假設介質是不連續的，每個單元體有各自的受力和位移，當某個單元體的位移達到一定程度時，會脫離開來，而煤巖體恰恰是一種為眾多節理裂隙等弱面或不連續面所切割的地質體，可以看成是不連續的介質。綜上所述，對受支撐壓力影響而形成眾多不連續煤體的工作面前方，采用離散單元法進行數值計算是合適的。

2 煤巖體瓦斯滲透力學機制

為了方便計算和模擬煤巖體的裂隙發育程度，將現實中的各項異性隨機分布的裂隙假設為等間距、平行、等長、等寬的裂隙組。假定裂隙開度為b，裂隙間距為s，并同時假定裂隙面內和基巖內的滲流都滿足達西定律，即：

式中：qm、qf——基巖和裂隙面內的滲流速度，m/s；

J——沿裂隙面方向的水力坡度；

km、kf——基巖和裂隙的滲透系數，m/s。

由流量疊加原理可導出巖體沿裂隙面的滲透系數K0為：

式中：b——裂隙開度，m；

s——裂隙間距，m。

一般情況下，介質巖體的的滲透系數km很小，為裂隙孔隙等滲透系數的幾十甚至幾百分之一，所以可以忽略不計。此時式(3)可簡化為：

上式為裂隙的等效滲透系數，Levine(1996)得出的經驗公式為：

式中：W——裂隙縫寬，m；

K——絕對滲透率，μm-3。

可以給出一組平行裂隙的等效滲透系數為：

式中：β——連通系數，即裂隙內連通面積與裂隙和基質巖體的總面積之比；

v——平均流速，m/s；

c——裂隙面相對粗糙系數。

當煤巖體所受的應力發生變化時，裂隙受力發生改變，裂隙寬度b發生變化，則修正之后的滲透系數K為：

式中：Δb——應力變化導致的裂隙寬度變化量，m。

三向應力作用下的滲透系數Ks為：

(8)

式中：K0——圍巖應力變化前的滲透系數，m/s；

Kn——法向剛度，Pa/m；

E——彈性模量，N/m2；

Δσ2、Δσ3、Δσ1——垂向、水平橫向、水平縱向的應力增量(取張應力為正)，MPa。

從式(1)～式(8)可以看出，圍巖滲透系數與其應力狀態及應力變化量有關，且隨著垂直于裂隙的張應力的增加而增加。

3 煤巖體滲透率分析

3.1 煤巖體應力與滲透率分布

在煤炭開采過程中，隨工作面采動，地應力隨之發生變化，煤巖體受力改變，導致煤巖體裂隙發生擴縮，進而對瓦斯滲透進行一個導向。因此研究煤巖體裂隙與應力之間的關系，是科學指導瓦斯抽采的核心與關鍵。

煤礦井下開采從力學的角度來說就是一個加卸載過程，不同的開采條件產生的加卸載效果是不同的。保護層開采的主要目的是利用保護層開采產生的卸壓釋放作用促使煤層應力狀態、內部結構發生變化，進而使煤巖體微裂隙發育、發展與貫通，宏觀上的斷裂形成瓦斯流動通道，釋放煤巖體地應力，降低煤巖體內的瓦斯壓力，最終降低煤層開采過程中瓦斯災害發生的風險。保護層開采后，煤巖體所處應力環境發生了周期性變化，其變化規律如圖1和圖2所示。

圖1 覆巖應力分布示意圖

圖2 保護層覆巖應力分布示意圖

由圖1和圖2可知，各階段煤巖體內部結構的變化過程為：在原巖應力區，煤層賦存穩定，應力變化不大；在應力上升區，煤巖體受力增大，煤巖體產生彈塑性變形，出現裂隙；在應力卸載區，應力陡然降低，煤巖體裂隙突然發育；在原巖應力區，地應力逐漸恢復到穩定值，煤巖體裂隙也隨之趨于穩定。被保護層應力及滲透率分布如圖3所示。

3.2 煤巖體不同狀態下的滲透率演化規律

3.2.1 原巖應力區煤巖體滲透演化規律分析

在原巖應力區，應力處于一個穩定狀態，煤巖體裂隙及滲透率也不會出現變化波動。

圖3 被保護層應力及滲透率分布示意圖

3.2.2 彈性變形區煤巖體滲透演化規律分析

在煤礦開采過程中，采動煤體均歷經加載卸載過程，卸荷后，滲透率按照如圖4所示路徑演化，試樣中的裂隙、孔隙未發生變化，也未出現新的裂隙，煤體僅僅發生可逆的彈性變形，屬于彈性滲透率模型。

彈性變形區的滲透率k1和有效體積應力為負指數關系。即：

k1=ak0e-bσ(9)

式中：k0——初始滲透率，mD；

a，b——材料參數；

σ——有效應力，MPa。

圖4 彈性模型下滲透率k1與有效應力的關系

3.2.3 塑性變形區煤巖體滲透演化規律分析

當應力超過煤巖體的屈服極限，煤巖體發生破壞，煤巖體產生永久性不可逆的裂隙，使煤巖體裂隙迅速發育。

煤體裂隙發生塑性損傷后，煤體(包括基質和裂隙)在卸載過程中應力應變仍處于彈性范疇，但是塑性損傷，使煤體滲透率同比損失了一部分。引入一個滲透率損傷因子Dk對滲透率進行修正。即：

kD=DkkL(10)

式中：kD,kL——相同應力卸載和加載時的煤體滲透率，mD。

卸荷后，滲透率按照圖5所示路徑演化，卸荷過程的滲透率小于加載過程的滲透率，表明試件發生損傷，裂隙、孔隙或裂隙寬度發生了改變，煤體發生了彈塑性變化，屬于塑性滲透率模型。

圖5 塑性模型下滲透率k2與有效應力的關系

3.2.4 破壞變形區煤巖體滲透演化規律分析

應力繼續增大，達到煤巖體破壞極限，煤巖體極度發育，可以將現階段的煤巖體破壞分為彈性變形、塑性變形、破壞變形，則煤體破裂后滲透率k3可以描述為：

k3=kD+kr(11)

式中：kr——煤巖體破裂后新增裂隙產生的煤體滲透率。

由于煤體產生大量的新生裂隙，裂隙的體積和連通性等空間分布特征發生重大改變，流體的滲透通道發生顯著改變。因此卸載圍壓過程中煤體滲透率的描述關鍵在于對煤體裂隙空間特征(體積和連通性等)的描述。在此基礎上建立卸載煤巖體滲透率變化描述方程。

卸荷后，滲透率按照圖6所示路徑演化，卸荷到一定程度后滲透率大于加載過程的滲透率，滲透率出現突變，可建立裂隙滲透率模型。

圖6 破裂模型下滲透率k3與有效應力的關系

4 新維煤礦8104風巷圍巖滲透率演化規律

4.1 新維煤礦8104風巷建模

新維煤礦為川煤集團芙蓉公司下屬煤礦，8104工作面所采煤層為8#煤層，位于新場井一盤區東翼+420～+508 m，走向長120 m，傾斜長430 m，回采面積51600 m2，工作面工業儲量264192 t,可采儲量(按采高3.2 m計算)為235296 t。埋深548 m，最小埋深492 m，8104工作面瓦斯涌出量5.37 m3/min。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況表

根據8104風巷的頂底板情況，建立60 m×60 m×40 m的數值模擬模型，風巷埋深按照500 m計算，對模型頂部施加10 MPa的垂向應力，模型x和y水平方向分別施加13 MPa的水平應力，并對模型的底部以及四周進行位移矢量固定。給模型賦值見表2。

表2 模型巖層參數賦值表

4.2 新維煤礦8104風巷圍巖滲透率演化規律

針對新維煤礦8104風巷的地質資料，查閱相關文獻，得到風巷的初始滲透率為1.07 mD，取圍巖滲透率的經驗公式：

k=4.52k0e-0.109σ(12)

帶入滲透率演化曲線得到新維煤礦8104風巷滲透率演化公式為：

式中：k0——原巖應力區滲透系數；

k1——彈性變形區滲透系數；

k2——塑性變形區滲透系數；

k3——破壞變形區滲透系數。

新維煤礦8104風巷滲透率演化曲線如圖7所示。

圖7 新維煤礦8104風巷滲透率演化曲線

將滲透率演化曲線公式利用fish語言帶入FLAC3D進行計算，得出8104風巷掘進15 m、25 m、45 m時圍巖滲透率變化值，如圖8所示。

圖8 8104風巷在不同掘進距離條件下的k值分布云圖

由圖8可知，隨著8104風巷掘進，滲透率值在圍巖中的變化情況不大，最大值皆為3.51 mD，皆出現在頂底板內1.6 m左右范圍內。

由此得出結論：煤巖體的瓦斯滲透系數不隨巷道掘進變化而變化，滲透率數值和分布范圍相對頂底板較為固定。針對新維煤礦8104風巷滲透率分析模擬來看，其滲透系數最大值為3.51 mD，大于3 mD，滿足瓦斯自主解析要求。

5 結論

(1)按照應力分區，得出不同應力狀態下滲透率隨有效應力變化的演化曲線。

(2)煤巖體的瓦斯滲透系數不隨巷道掘進變化而變化，滲透率數值和分布范圍相對頂底板較為固定。

(3)新維煤礦8104風巷滲透率分析模擬來看，其滲透系數最大值為3.51 mD，大于3 mD，滿足瓦斯自主解析要求。