孤島工作面瓦斯?jié)B透規(guī)律與排放寬度研究

2020-01-17 06:47:30趙志華

煤礦現(xiàn)代化 2020年1期

趙志華

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西高平 048400）

0 引言

孤島工作面回采期間，覆巖活動劇烈，礦壓顯現(xiàn)復雜，出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生煤與瓦斯突出[1]。眾多學者認為煤與瓦斯突出主要是瓦斯、煤的力學性質和地應力三者綜合作用的結果，如何快速、準確地測定突出的相關預測指標，是高突礦井孤島工作面急需解決的問題[2-4]。現(xiàn)場實踐表明，工作面回采期間，其周圍煤體透氣性增強，瓦斯大量排出，在回采巷道兩幫和掘進面會形成卸壓區(qū)，煤與瓦斯突出危險性預測工作，主要是對工作面前方一定范圍的瓦斯壓力和應力狀況進行檢測，根據(jù)卸壓區(qū)域寬度，以此來判斷卸壓帶能否阻止煤與瓦斯突出的發(fā)生[5-7]。本文以伯方煤礦3205孤島工作面為研究對象，分析工作面回采期間煤層滲透性變化特征，并采用理論分析和現(xiàn)場觀測手段確定工作面瓦斯排放寬度，研究成果可為類似礦井起到指導作用。

1 地質與開采條件

伯方煤礦3205工作面井下位于二盤區(qū)左翼，兩側的3207工作面和3203工作面均已完成開采，屬于典型的典型的孤島工作面。工作面長度157m，推進長度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高綜放開采工藝。工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度4.82～5.46m；煤層結構簡單，煤層傾角 2～6°，煤體平均抗壓強度11.4MPa；煤層層理、節(jié)理為中等發(fā)育。工作面直接頂為粉砂巖，厚度約3.51m，抗壓強度15.44MPa；基本頂為中砂巖，厚度4.55m，抗壓強度32.33MPa；直接底為砂質泥巖，厚度1.64m，抗壓強度15.43MPa；基本底為粉砂巖，厚度4.27m，抗壓強度42.55MPa。工作面瓦斯壓力變化范圍在0.18～0.57MPa之間，瓦斯含量變化范圍在1.0128～3.0225m3/t之間。

2 孤島工作面滲透率分布特征

2.1 數(shù)值模型建立

采用COMSOL Multiphysics中的固體力學和PDE自定義模塊，建立的幾何模型和邊界條件，如圖1所示，圖中數(shù)字表示模型的開挖順序。

圖1 模型幾何模型及邊界條件

其中煤層上部載荷為負重巖層重力，頂板上覆巖層深度為5～50m，巖層平均密度為2600kg/m3。模型左右邊界分別為固定邊界和對稱邊界，工作面四周為不透氣邊界，右邊界在開挖后為壓力值是大氣壓的恒壓邊界。模型中所采用的參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

2.2 模擬結果分析

圖2為3205孤島工作面第1次和第2次開挖后應力分布特征。

由圖2（a）可知，受開采擾動影響，煤巖層原始應力狀態(tài)發(fā)生改變，在采掘空間隨后的很短時間內，在采掘空間交界位置出現(xiàn)了一定的應力集中區(qū)域，致使該區(qū)域煤體產(chǎn)生破碎變形，應力集中區(qū)域向煤體后方轉移，最后穩(wěn)定后形成卸壓區(qū)和應力集中區(qū)；其中卸壓區(qū)寬度在3～4m之間，工作面前方的應力集中區(qū)的應力峰值離工作面的距離為8m左右。由圖2（b）可知，第2次開挖后，工作面前方應力狀態(tài)與第1次類似，在離回采面較近區(qū)域也是分為卸壓區(qū)和應力集中區(qū)，應力場向煤體深部轉移。

圖2 3205孤島工作面開挖后應力分布特征

圖2 為3205孤島工作面第1次開挖完成后工作面前方煤體壓碎破壞產(chǎn)生的等效塑性應變和開挖過程中應力張量xy分量分布特征。

圖2 工作面第1次開挖后塑性應變和應力張量分布特征

由圖2（a）可知，孤島工作面中塑性應變大小與離回采面距離呈反比，離采掘面越近，塑性應變越大；而相應的等效塑性應變值呈半弧形分布，且呈逐漸遞減規(guī)律。由圖2（b）可知，工作面受上區(qū)段采空區(qū)的側向支承應力影響比下區(qū)段要大，且與工作面推進方向相比，兩側的支撐壓力影響范圍受工作面推進距離影響較小。

采掘面前方煤體滲透性分析結果如圖3所示。

圖3 工作面前方煤體應力、滲透性分區(qū)特點

由圖3可知，工作面回采過程中前方煤體的滲透性分布特征可大致劃分為滲透驟增、部分增加、降低明顯以及原始滲透四個階段，相應的可以分為四個區(qū)域：①滲透I區(qū)：卸壓帶煤體受采動應力影響后，煤體產(chǎn)生屈服破壞，所受應力載荷降低，裂隙發(fā)育，滲透性驟增；②滲透II區(qū)：在集中應力帶，應力屈服區(qū)部分煤體產(chǎn)生屈服損傷，帶來裂隙擴展發(fā)育，致使煤體滲透性比原始煤體滲透性相比有部分增長；③滲透Ⅲ區(qū)：應力集中帶后方，由于集中應力的存在，致使煤體的裂隙率及孔隙率大大降低，相應地其滲透性也降低明顯；④IV區(qū)：滲透離采掘面較遠的原始煤體區(qū)域，煤體應力和滲透性均未發(fā)生變化。

3 孤島工作面瓦斯排放寬度的確定

3.1 理論分析

瓦斯從巷道周圍煤層開始向巷道內涌出時，隨著時間的增長，其巷道兩幫瓦斯壓力呈逐漸減小的規(guī)律。巷道兩幫絕對瓦斯壓力的關系可采用公式（1）進行表示。

式中：b為常數(shù)，r為距煤壁的距離，m；t為瓦斯流動時間，d；P、P1、P0分別為巷道兩幫絕對瓦斯壓力、煤層原始瓦斯壓力、巷道大氣壓力，MPa。

瓦斯從煤壁向巷道涌出時，隨著煤體內的瓦斯不斷解吸出來，在瓦斯壓力梯度作用下向巷道內流動，煤體總的瓦斯含量為瓦斯涌出量與相應的殘余瓦斯量之和，可用公式（2）表示。

將上式進一步簡化，可得到：

式中：L為卸壓瓦斯排放帶寬度，m；x為所分析煤體沿巷道方向的長度，m；r為煤體內某點距煤壁的距離，m；a為瓦斯含量系數(shù)；B1、B2為常數(shù)；m 為煤層厚度，m。

聯(lián)立公式（1）、（3），并對結果進行積分可得：

將公式（4）代入（3）有：

從公式（5）可知，只有當r為無窮時，巷道兩幫絕對瓦斯壓力才可能達到原始煤層瓦斯壓力，但考慮到在r=L處的瓦斯壓力與煤層的原始瓦斯壓力相差很小，所以可以（，其中 A為定系數(shù)，大小接近于1，將該式代入公式（5）并進一步簡化，可得到卸壓瓦斯排放寬度L的計算表達式：

公式（6）中 B1、B2取值與巷道的寬度、煤層的瓦斯含量等參數(shù)有關，可以根據(jù)實際測出的瓦斯涌出數(shù)據(jù)進行線性回歸之后求得。當以上參數(shù)及巷道的大氣壓力、瓦斯含量系數(shù)、原始煤層瓦斯壓力確定后，即可求出L隨時間t的變化規(guī)律。

對于本文的研究對象工作面，現(xiàn)場測試煤層瓦斯含量與壓力確定的有關參數(shù)的取值如下：P1平均為0.45MPa，P0為 0.1MPa，瓦斯含量系數(shù)為 17.8MPa0.5，A可取0.95，B1為5.6，B2為0.70，瓦斯排放時間取180d，則理論計算得到的瓦斯排放寬度L=27.4m。

3.2 沿空瓦斯排放寬度現(xiàn)場觀測

圖4 煤巷不同暴露時間下，不同深度的瓦斯含量

為考察孤島工作面煤巷的極限排放寬度，在工作面機巷和風巷內，暴露時間分別為10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d位置，沿垂直工作面走向分別施工30m深度的鉆孔，并在6m到30m范圍內每隔2m取一次煤樣，進行瓦斯含量的測定工作，測定結果如圖4所示。

由圖4可知，排放帶寬度隨煤巷暴露時間增加而增大，當暴露時間增加到某種程度后趨近于某一具體值。究其原因：在煤巷初始暴露時，由于煤層破壞區(qū)內的瞬間形成瓦斯壓力梯度，致使瓦斯迅速開始解吸。隨著時間的增加，產(chǎn)生應力增高區(qū)，且隨著應力增高區(qū)前移，排放帶寬度增加迅速;煤體上覆巖層壓力重新穩(wěn)定后，排放帶寬度增加變緩，直至進入原巖應力區(qū)后，在很小的瓦斯壓力梯度下排放帶寬度緩慢增長，直至瓦斯壓力梯度為0時達到煤巷極限排放帶寬度。

當煤巷暴露時間為l0d時，瓦斯排放寬度大約8m；暴露時間為30d時，瓦斯排放寬度大約10m；暴露時間為60d時，瓦斯排放寬度大約12m；暴露時間為90d時；瓦斯排放寬度大約16m；暴露時間為120d時，瓦斯排放寬度大約為18m；暴露時間為150d時，瓦斯排放寬度大約為22m；暴露時間為180d時，瓦斯排放寬度大約為26m，這與煤巷暴露180d時理論計算得到的煤巷瓦斯排放寬度27.4m大致相等。