礦山采空區資源富集規律及采動壓力研究

杜瑞成

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

礦井實際采掘過程中，經常出現局部區域易燃氣體涌出量突然增大的現象[1]。當對礦層進行開采后，周圍的應力會降低并造成裂隙的擴張和增加。壓力釋放易燃氣體主要由這些裂隙和它自身的壓力梯度造成。礦床的地質條件如結構特性、礦層頂板巖性和水文地質對未經開采的礦層的易燃氣體積聚和富集有很大影響。近年來，對采空區能源富集規律特征和采動壓力研究受到國內外學者廣泛關注[2]。

1 采空區易燃氣體

1.1 采空區易燃氣體賦存狀態

易燃氣體在地層內有三種基本賦存狀態分別為吸附狀態、游離狀態和溶解狀態。三種狀態易燃氣體的含量受空間體積、地層壓力、外界溫度影響。在原始煤體中，由于地質礦物的結構特征，吸附狀態的易燃氣體占大多數，還有一些在大裂隙中游離的易燃氣體，可以隨空氣流動。若地層中存在水，則部分易燃氣體會溶解在水中呈溶解狀態。三種狀態的易燃氣體處于動態平衡，在一定條件上能夠相互轉化，當外界條件變化時，三種狀態的易燃氣體比例會發生變化并最終達到平衡。

1.2 采空區易燃氣體來源

礦井采空區的易燃氣體來源主要包括四個方面：礦柱及開采剩余資源、鄰近礦層、圍巖、生物分解易燃氣體。

1.2.1 礦柱及開采剩余資源

在開采礦產資源過程中，為達到支撐和穩定性要求，會在采空區之間留下一定寬度的礦柱，當礦井廢棄后，這些礦柱也被廢棄在地下。我國現有的開采率較低，致使一些礦井在關閉后殘留了一定量的剩余資源，這些礦體內賦存了很多易燃氣體，當周圍壓力變動時，這些易燃氣體解吸并流入采空區。礦柱及開采剩余資源是采空區易燃氣體的重要來源。

1.2.2 鄰近礦層

一些礦井已采礦層附近可能還存在一些未開采的極薄礦層，這些礦層中含有一定量的吸附易燃氣體。由于開采地層遭到破壞，應力狀態改變，形成大量裂隙，則處于卸壓范圍內的鄰近地層應力降低，當應力降低到易燃氣體解吸范圍時，鄰近地層中的易燃氣體解吸，并在與已采礦層形成的壓力差的作用下，沿著縱向裂隙流向采空區，直至空間內的壓力達到平衡，易燃氣體才會減慢流動直至趨于穩定。而應力狀態已經改變的但未達到易燃氣體解吸范圍的鄰近礦層，也會成為采空區易燃氣體不可忽視的潛在來源。

1.2.3 圍巖

一些礦井采空區的周圍巖體中也存在易燃氣體，易燃氣體賦存在礦石孔隙和裂隙中，并基本處于游離態。當采空區圍巖卸壓，產生許多縱向和橫向裂隙，圍巖透氣性系數增加，這些游離態易燃氣體會沿著裂隙通道流向采空區，使采空區易燃氣體積聚。

1.2.4 生物分解易燃氣體

在地質礦物中可能存在一些微生物，它們經過一系列有機作用源源不斷地釋放甲烷，但這類易燃氣體所占比例很小，可忽略不計。

1.3 采空區易燃氣體賦存范圍

在抽采易燃氣體的過程中，需要明確圍巖應力場和具體參數，確定易燃氣體賦存的范圍，提高易燃氣體抽采效率。采空區的上覆巖層根據裂隙和變形特征通常分為不同的區域，這種地層分區模型在我國廣泛應用。

在豎直方向，上覆巖層分為I冒落帶、II裂隙帶和III彎曲下沉帶。在開采前進方向，分為A支撐區、B離層區和C重新壓實區。覆巖裂隙帶高度和開采厚度M的存在相應的經驗關系，顯示了在國內礦企廣泛應用的裂隙帶高度的計算方法，因為該方法不需要現場測量或計算機模擬。

易燃氣體高效抽采應該有效地控制其濃度升高，以保證在安全的環境中最大化地抽采到高質量的易燃氣體，以進一步使用。為了實現這些目標，需要清楚兩個方面：①在多大程度上可以有效抽采易燃氣體；②采空區和覆巖裂隙決定易燃氣體流動方向。

在易燃氣體流動裂隙區內，地層充分卸壓，含有豎直和水平方向均貫通的采動裂隙。該區域內地層內的吸附易燃氣體由于充分卸壓能夠解吸，易燃氣體能夠輕易流過裂隙網。該區域內易燃氣體流動速率大于其他區域。

在卸壓易燃氣體解吸區內，覆巖卸壓，發生地層分離和礦石膨脹。該區域內覆巖裂隙幾乎不發育成貫通裂隙，地層中的易燃氣體由于卸壓在一定程度上解吸，并只能在水平方向流動。如果不抽采，解吸的易燃氣體由于孔隙壓力恢復又重新被吸收。

在易燃氣體解吸受限區內，覆巖既沒有卸壓又沒有形成裂隙。該區域內易燃氣體保持在礦石中的吸附狀態。

1.4 采空區易燃氣體運移規律

用顯微鏡觀察地質礦物，在基質中可以看到它是雙重孔隙介質，在礦物節理中可以看到它的孔隙。地層中的大多數氣體最初都吸附在礦物基質表面而不是呈自由狀態。礦物基質在易燃氣體來源中扮演了重要角色。在雙重孔隙地層中，不同的機理控制著易燃氣體運動，在礦物基質中的易燃氣體運移稱為擴散過程，是由菲克定律描述的，在節理中的粘性流動通常由達西定律描述。易燃氣體滲流規律可以用達西定律解釋，達西定律適用于流速不是太高的情況，表示壓力梯度和流動速度的線性關系式。當流速增加時，可以從層流變化到湍流，由于慣性阻力或湍流，這種壓力梯度不遵循這個線性與流速的關系，這種非線性關系被定義為非達西流。非達西流可以用非達西流關系式來表示。易燃氣體擴散是描述分子從高濃度到低濃度自由移動的過程。擴散的規律是流體流動速度和濃度梯度之間的關系。擴散分穩態擴散和非穩態擴散，大多數擴散過程都是在非穩態條件下進行的。當擴散為穩態擴散時是符合菲克第一定律，如果是非穩態擴散遵循菲克第二定律。

2 地層應力與破壞

2.1 地層應力

在礦產資源開采過程中，支護好頂板是保證安全的關鍵，為了保證采空區頂板的穩定性，需要了解采空區上覆巖層應力分布的規律。

地層應力場的形成過程是緩慢的，在各種影響因素下，礦體發生變形并逐漸保持平衡，并不斷重復變形與平衡的過程，它與水平構造運動尤其相關。其中，重力應力場相對簡單些，主要受上覆巖體影響，垂直應力在數值上基本等同于上覆巖層重量，一般小于水平方向應力值，且隨深度線性增加。構造應力場的成因相對復雜得多，它主要是礦石在各種地質活動如：板塊遷移、火山噴發、地標升降等以及地殼運動中長時間所表現出來的力。構造應力是極其不規則的，由于它的常數隨時間變化，幾乎不可能通過精確的分析解描述構造應力。描述構造應力需要明確其方向性。一般在構造運動中，水平運動占主導，因此在地層中尤其是堅硬巖層中主要存在水平構造應力。

通過研究分析，鉆孔周圍應力集中程度與孔的直徑和曲率有關，應力集中程度隨曲率增大而增大，隨直徑增大而減小。且相鄰的兩鉆孔會出現應力疊加的情況，鉆孔間距越小，彼此應力影響越明顯。所以在打鉆孔的過程中要分析可能出現的應力變化情況，以免鉆孔壓裂。

2.2 礦石的破壞機制

仿真實驗表明了礦石失效過程，隨著礦石斷裂，可以測試到應力峰值和彈性模量。為了研究礦石的力學行為，設置一系列的不同圍壓的三軸壓縮實驗，如圖1所示。三軸壓縮實驗模擬了礦石的破壞過程，包括損壞指數都在實驗中詳細的呈現出來，且地層應力會對礦石的破壞模式產生重大影響。當圍壓較小時，礦石會呈現混合張力和剪切破壞模式，可明顯觀察到裂隙。隨著圍壓增大，礦石產生剪切破壞，形成許多不連續的裂縫，最后圍壓增大到礦石徹底沿剪切面斷裂。圍壓垂直于最大主應力方向。該方法可用于預測和分析礦石的破壞狀態。

圖1 礦石在不同圍壓下的三軸壓縮實驗結果圖

圖1（a）顯示了礦石在不同圍壓下的全應力-應變曲線。從圖中我們可以看到，變形過程中，該曲線包括三個不同的階段，分別是：微觀裂隙閉合區域、線性彈性區域、裂縫產生延伸區域。線性增加的部分的斜率不是定值，它隨著地層應力的增加而增加。通過將該斜率作為材料的初始彈性模量，可以計算出不同圍壓下的彈性模量和泊松比的值。彈性模量隨圍壓增大而增大，而泊松比呈無規律變化。

3 地層滲透率的影響因素

由于多次構造運動，變質程度高的地質礦物在其基質孔隙度、裂隙、巖性、易燃氣體吸附/解吸、滲透率和地質方面有自己的特點。地層滲透率是一個指示礦層易燃氣體流動的重要的指標，是易燃氣體儲存的關鍵參數，是一個影響鉆井抽采易燃氣體量的主要因素，它在時間和空間上的變化會對易燃氣體抽采有顯著的影響。地層滲透率可以用滲透系數表示，通常受多方面因素的影響，如：地應力、地質構造、埋藏深度、礦石結構、巖相特征、裂縫發育程度等等，其中，裂隙和地應力的大小、方向對地層滲透率的影響最大。

3.1 地應力-裂隙-滲透率關系

易燃氣體儲層的滲透率很低，氣體吸附能力很強，在雙重孔隙系統中，礦物基質被認為是低滲透率、高儲存能力在原生孔隙；孔隙被認為是具有高滲透率、低儲存能力的次生孔隙。原生孔隙主要由礦物沉積形成，而次生孔隙由孔隙度和裂隙決定。中深部地層開采覆巖損傷變形影響下含水層“側向直接與垂向滲漏”復合失水模式,以COMSOL多物理場耦合數值分析軟件為平臺，提出了中深層開采覆巖變形損傷與含水層失水數值分析模型。然而，由于缺乏易燃氣體儲存壓力和滲透率數據，還沒有廣泛展開地應力對易燃氣體儲層滲透率影響的研究。因此，對易燃氣體開發和發展階段的滲透率變化的理解還比較欠缺。易燃氣體儲層的滲透率在不同應力狀態下會變化很大。

通過三軸壓縮實驗研究礦石破壞過程的三個階段中，根據初始裂隙密度、裂隙形狀以及隨著存在裂隙的閉合導致的滲透率降低可知，微觀裂隙閉合區域的微裂隙有不存在的可能性。一旦現有的裂隙閉合，礦石則能被視為一個線性、均勻的彈性材料，裂隙的體積應變和滲透率基本不變。隨著負載的增加，主要裂隙發育并產生了許多次生裂隙，裂隙體應變的再次增加標志著壓縮過程第三階段的開始，相應地，礦石滲透率急劇增加。各類礦石和地層滲透率變化均符合該過程。壓縮載荷不僅對滲透率影響顯著，而且影響礦石的主要裂隙發育。所以，滲透率的變化與裂隙體應變呈線性相關。在微觀裂隙閉合區域，滲透率隨裂隙體應變的減小而線性減小，在裂縫產生延伸區域，滲透率隨裂隙體應變的增大而線性增大。

依據軸向應力、應變、滲透率的關系建立“地應力-裂隙-滲透率”本構模型。在礦石中存在大量原生裂隙，當應力變大則垂直于應力方向的裂隙收縮變形，應力降低則垂直于應力方向的裂隙膨脹變形。裂隙的閉合或擴張受到正向應力的顯著影響，但是礦物孔隙系統在壓縮和塑性變形的情況下壓實閉合且不能恢復，從而滲透率不能恢復。應力和裂隙的存在一定的函數關系，無因次滲透率和初始正應力的倍數呈反比的關系。滲透率隨壓力的增大而減小。因此地層的卸壓可以提高滲透率。隨著開采深度的增加，高易燃氣體、高地應力和低滲透率的特點也逐漸明顯。減壓和增大滲透率對于易燃氣體抽采非常重要。

隨著在早期階段易燃氣體抽采時的礦石收縮引起鉆井壓力減小，有效應力增加，進而造成了鉆井抽采過程中滲透率的改變。鉆井的完工和操作不可避免地造成地應力局部集中，甚至鉆井附近的巖體失效。為了增加鉆井抽采易燃氣體的能力和效率，有必要增加鉆井周圍的卸壓范圍。基于方程分析和描述卸壓對滲透率的影響是可行的。

3.2 地層滲透率的其他影響因素

3.2.1 礦物性質

除了有效壓力，礦物性質也會影響地層滲透率。礦物性質可能影響裂隙。礦物等級高的顯微組分主要是鏡質體，與低變質礦物和中等變質礦物的組分有很大不同。鏡質組含量越高，礦物裂隙發育越充分，滲透率越高。

3.2.2 含水量

礦產資源通常都會含水，在礦井易燃氣體開發過程中，地下水也會影響地層應力敏感性，且礦物樣品濕度越大，礦層對應力的敏感性越強，地層滲透率會隨著有效應力的增加降低更快。也就是說，對于較濕的地質礦物速增長的有效應力會造成更大的滲透率損失。在有機質，水使礦石內部分子更為活躍，在裂隙系統產生孔隙水/氣體壓力?？紫秹毫ο陆禃鄳鹩行Φ脑黾?。水/氣壓力會抵消一部分煤體全壓，減少彈性極限和剪切強度，礦產資源就更容易發生彈性和塑性變形。

3.2.3 礦產資源的等級劃分

不同等級的地質礦物具有不同的紋理，它們在多變的有效應力下的行為就不同。由于礦化程度低，裂隙和孔隙不完全發育，強度低，基質等級低的礦物容易壓實，導致了滲透率急劇降低。在實際環境中，形成易燃氣體儲層壓力的敏感因素是復雜多變的，很難定量描述個別因素對滲透率的影響。

4 總結

（1）明確了易燃氣體在采空區內的三種基本賦存狀態和采空區礦產資源賦存范圍。當儲層壓力下降到一定程度時，易燃氣體就開始解吸，由吸附狀態轉化成游離狀態，并沿著裂隙向外部擴散、運移。

（2）礦井采空區可劃分為礦柱及開采剩余開采礦體、鄰近地層、圍巖、生物分解易燃氣體。揭示了礦層內易燃氣體運動是包含了滲透和擴散的混合流動過程。

（3）分析了原巖應力的構成及分布特征，三向應力隨深度線性增加。水平應力普遍大于垂直應力。鉆孔周圍礦體出現局部應力集中現象，且表現為壓縮應力。描述了礦石破壞機制，將巖石應力-應變曲線分為三個階段：微觀裂隙閉合區域、線性彈性區域、裂縫產生延伸區域。

（4）從地層滲透率受地應力、裂隙、礦物性質、含水量、礦產資源等級等因素的影響。依據軸向應力、應變、滲透率的關系建立了“地應力-裂隙-滲透率”本構模型。易燃氣體流動受到地層滲透率的影響，而滲透率取決于裂隙的閉合或擴張，滲透率隨正向應力的增大而減小，地層應力分布規律可以指導圍巖滲透率的研究。

（5）進而為研究卸壓易燃氣體沿不同方向的流動規律，采空區礦產資源儲存空間分布特征，地面鉆井抽采方法的實際應用，地面鉆井的位置的合理選擇，控制采空區易燃氣體的抽采，統一井位布置，可提高抽采量以及利用率提供了理論指導。