分層充填開采煤層瓦斯運(yùn)移方式及涌出規(guī)律研究*

梁 冰，尚 旭，孫維吉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

分層充填開采是1種有效解決厚煤層三下壓煤?jiǎn)栴}的重要技術(shù)手段。使用此方法采煤時(shí)，將厚煤層劃分為若干分層，按照上行或者下行的開采次序，并逐步對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，最終實(shí)現(xiàn)全煤層開采[1]。分層充填開采是充填開采和分層開采相結(jié)合的產(chǎn)物，前人對(duì)采煤過(guò)程中煤層瓦斯的運(yùn)移和涌出情況進(jìn)行了大量研究。

李宗翔[2]對(duì)厚煤層分層開采與綜放開采的瓦斯涌出量進(jìn)行對(duì)比分析，指出厚煤層開采時(shí)，采用分層開采的工作面絕對(duì)瓦斯涌出量遠(yuǎn)高于綜放開采的2～4倍；張延博等[3]基于數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了瓦斯富集區(qū)域的判定，分析了中大槽上分層開采瓦斯運(yùn)移規(guī)律；周廷揚(yáng)等[4]通過(guò)對(duì)白芨溝礦2621區(qū)段2621首分層回采工作面回采期間瓦斯綜合治理的研究，形成了適合高瓦斯厚煤層分層開采的瓦斯綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系；孫維吉[5]，梁冰等[6-8]根據(jù)瓦斯?jié)B流和煤巖體變形相互作用機(jī)理，綜合考慮裂隙瓦斯?jié)B流、煤巖體變形和微孔隙吸附瓦斯的解吸-擴(kuò)散等過(guò)程，建立煤層瓦斯?jié)B流耦合模型；劉彥青[9]在考慮工作面推進(jìn)速度影響下，通過(guò)引入移動(dòng)坐標(biāo)系和采動(dòng)作用下工作面前方煤層滲透率分布模型，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)推采期間工作面煤壁多組分瓦斯涌出數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)回采工作面煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行了模擬計(jì)算。

盡管前人對(duì)工作面掘進(jìn)過(guò)程中煤層瓦斯的涌出規(guī)律做了大量研究，但相較其他開采模式，分層充填開采仍有許多問(wèn)題需要解決。首先，分層充填開采工藝較為復(fù)雜，開采過(guò)程中瓦斯的涌出來(lái)源與綜放開采不同；其次，采空區(qū)內(nèi)充填材料凝固形成的充填體自身性質(zhì)尚不明確，充填體是不是多孔介質(zhì)，內(nèi)部是否存在瓦斯運(yùn)移，充填體會(huì)對(duì)煤體瓦斯涌出造成怎樣的影響等問(wèn)題均不明確。鑒于此，在充分考慮充填體對(duì)煤層瓦斯運(yùn)移影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究分層充填開采動(dòng)態(tài)模式下，煤層瓦斯的壓力分布規(guī)律、滲流場(chǎng)分布規(guī)律以及工作面絕對(duì)瓦斯涌出規(guī)律。

1 工況背景

1.1 回采工作面概況

高河煤礦E1302工作面寬度230 m，推進(jìn)長(zhǎng)度60 m，煤層平均厚度6.4 m，煤層埋藏深度408.29～437.6 m。探測(cè)顯示充填面未發(fā)現(xiàn)陷落柱和斷層，且無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，屬不易自燃煤層。由于3號(hào)煤直接頂泥巖堅(jiān)固性系數(shù)較高，泥巖層完整性更好，根據(jù)礦井的實(shí)際情況，開采時(shí)將煤層分為2層，采用下行的順序進(jìn)行開采。

1.2 礦井瓦斯涌出來(lái)源

煤層開采過(guò)程中，采煤工作面瓦斯涌出來(lái)源通常包括3部分：工作面煤壁瓦斯涌出、采落煤瓦斯涌出、采空區(qū)瓦斯涌出。采空區(qū)瓦斯涌出又包括回采丟煤、圍巖和鄰近層瓦斯涌出，三者混合并隨漏風(fēng)涌入工作面。與分層開采法不同，使用分層充填法采煤時(shí)，采空區(qū)會(huì)注入膏體充填材料，所以采空區(qū)內(nèi)沒(méi)有遺煤，且充填材料凝固后形成的充填體具有一定強(qiáng)度，對(duì)采空區(qū)圍巖具有支撐作用，所以采空區(qū)不存在因垮落帶和斷裂帶漏風(fēng)而涌入的瓦斯，另外，使用分層充填法開采時(shí)，下分層煤體作為采煤直接工作面，賦存在煤層中的瓦斯會(huì)從中解吸，并沿著煤的裂隙及孔隙向工作面涌入，因此，相較于垮落式采煤法，使用分層充填法采煤時(shí)，下分層煤體是瓦斯涌出的直接來(lái)源之一。

綜上可知，使用分層充填法采煤時(shí)，瓦斯涌出來(lái)源主要分為3部分：工作面煤壁瓦斯涌出、采落煤瓦斯涌出、下分層煤體瓦斯涌出。這3部分瓦斯涌出的多少除取決于煤層本身瓦斯含量外，還與開采方式、開采強(qiáng)度密切相關(guān)。

2 充填體滲透率測(cè)試

為探究充填體內(nèi)部是否存在瓦斯運(yùn)移現(xiàn)象，需要對(duì)充填體的滲透率進(jìn)行測(cè)試。滲透率是指在一定壓差下，巖石允許流體通過(guò)的能力，是表征土或巖石本身傳導(dǎo)液體能力的參數(shù)。膏體充填材料種類繁多，不同原料及配比的膏體充填材料凝固后表現(xiàn)的物理學(xué)性質(zhì)不同。對(duì)于矸石膏體充填材料，通常漿料濃度在74%～78%、膠凝劑含量5%～7%時(shí)性能表現(xiàn)最佳[10-12]。其中漿料包含煤矸石和粉煤灰等，煤矸石約占膏體總量的53%，粉煤灰約占膏體總量的20%。為使研究具有普適性，選取4種礦上的矸石膏體充填材料進(jìn)行參數(shù)測(cè)試[13-15]，對(duì)應(yīng)原料及配比見表1。

表1 充填材料配比Table 1 Proportioning ratios of filling materials

為探究煤體及充填體內(nèi)部的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，需分別對(duì)煤體試樣和充填體試樣進(jìn)行滲透率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 滲透率測(cè)試裝置Fig.1 Measuring device of permeability

圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置為遼寧工程技術(shù)大學(xué)滲流力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研制的解吸-應(yīng)力-滲流煤體變形試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)儀器裝置系統(tǒng)包含應(yīng)力加載系統(tǒng)、氣體孔隙壓力加載系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3部分。試驗(yàn)前將煤體以及表1中4種配比的膏體充填材料凝結(jié)形成的充填體統(tǒng)一加工成50 mm×50 mm×100 mm的試件，根據(jù)高河煤礦E1302工作面測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，調(diào)整軸壓為10.375 MPa，圍壓為4 MPa，孔隙壓力取0.32 MPa，分別對(duì)煤樣和4種不同配比充填體試樣的滲透率測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見表2。其中試樣1為E1302工作面采空區(qū)充填所使用的充填體。

表2 煤體和充填體滲透率Table 2 Permeability of coal body and filling body

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在井下煤層瓦斯壓力為0.32 MPa的條件下，煤體的滲透率為0.015 md。4種不同配比的矸石膏體充填材料凝固形成的充填體試樣，其滲透率均遠(yuǎn)大于煤體。其中高河煤礦E1302工作面采空區(qū)所使用的充填體滲透率大小為0.13 md，約為煤體的10倍。說(shuō)明采空區(qū)的充填體內(nèi)部存在瓦斯運(yùn)移通道，且相較于煤體，充填體更易于瓦斯?jié)B流。

3 瓦斯?jié)B流規(guī)律數(shù)值模擬

開采過(guò)程中瓦斯的異常涌出，是導(dǎo)致瓦斯事故產(chǎn)生的主要原因。一般情況下，瓦斯事故的發(fā)生都具有時(shí)間短、危害大的特點(diǎn)，事故一旦發(fā)生就會(huì)造成嚴(yán)重的后果。而瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)當(dāng)下瓦斯量，不能提前預(yù)測(cè)瓦斯涌出量，因此，通過(guò)數(shù)值模擬手段，實(shí)現(xiàn)開采過(guò)程中井下瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)對(duì)煤礦安全開采具有非常重要的意義。

3.1 幾何模型

根據(jù)實(shí)際工況，在數(shù)值模擬中建立幾何模型如圖2～3所示。煤層分布上，工作面寬度為230 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為60 m，上、下煤層厚度均為3.2 m。煤層工作面尺寸為：230 m×10 m×3.2 m(長(zhǎng)×寬×高)，工作面巷道寬5 m；根據(jù)煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況，工作面的平均推進(jìn)速度為2 m/d。開采過(guò)程中隨著工作面的不斷推進(jìn)，上分層煤體逐漸減少，對(duì)應(yīng)采空區(qū)注入膏體充填材料，以“采煤—充填”2班1循環(huán)方式直至上分層煤體開采完成。

圖2 模型整體Fig.2 Overall diagram of model

圖3 模型俯視Fig.3 Top view of model

3.2 基本假設(shè)

為研究分層充填法采煤時(shí)下分層煤體和充填體內(nèi)部的瓦斯涌出規(guī)律，采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件，在考慮井下煤層及充填體初始溫度的情況下，對(duì)煤層瓦斯?jié)B流過(guò)程進(jìn)行模擬。建立數(shù)學(xué)方程之前，結(jié)合研究的具體內(nèi)容對(duì)模型做出如下假設(shè)：

1)含瓦斯煤是均質(zhì)的且是各向同性的彈性體。

2)瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律。

3)煤體在受力加載的過(guò)程中屬于小變形，煤體處于壓密階段和線彈性階段，遵循廣義胡克定律。

4)煤層和瓦斯氣體之間處于熱平衡狀態(tài)，即任意時(shí)刻瓦斯氣體和煤層溫度相同。

5)煤對(duì)煤層氣的吸附作用遵守Langmuir吸附方程。

6)孔隙介質(zhì)中的氣體為理想氣體，其動(dòng)力黏滯系數(shù)為常數(shù)。

模型邊界為：煤體內(nèi)部瓦斯初始?jí)毫?.32 MPa，充填體內(nèi)部初始瓦斯壓力與工作面瓦斯壓力一致，均為0.1 MPa。充填體初始溫度為42 ℃，煤層初始溫度為20 ℃。

3.3 模型控制方程

模型三場(chǎng)控制方程的設(shè)定如下所示：

1)應(yīng)力場(chǎng)控制方程[16]如式(1)：

(1)

式中：G為剪切模量，Pa；ui,jj和uj,ji為位移分量；υ為煤的泊松比；α為Biot系數(shù)；β為煤體熱膨脹系數(shù)，K-1；T為溫度，K；K為煤體的體積模量，Pa；P是游離瓦斯壓力，Pa；εi,j是應(yīng)變張量分量；Fi為體積力，N/m3。

2)滲流場(chǎng)控制方程[16]如式(2)：

(2)

式中：a為單位質(zhì)量煤在參考?jí)毫ο碌臉O限吸附量，m3/t；b為煤的吸附平衡常數(shù)，MPa-1；P為瓦斯壓力，Pa；ρs為煤體的密度，kg/m3；Mg為氣體分子摩爾質(zhì)量，mol；R是普適氣體常數(shù)，J/(mol·K)；φ為孔隙率；k為滲透率，m2；μ是氣體的黏滯系數(shù)，Pas。

3)溫度場(chǎng)控制方程[17]如式(3)：

(3)

式中：ρs為煤巖體密度，kg/m3；εv為煤巖應(yīng)變；η為煤體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；qv為煤解吸瓦斯的微分熱能；Cv為煤體骨架熱容，J/(kg·K)；λ為第一拉梅常數(shù)；T0為初始溫度，K；Vm為瓦斯吸附量，cm3/g。

4)叉耦合方程

煤巖體孔隙率如式(4)：

(4)

煤巖體滲透率如式(5)：

(5)

式中：K為煤體體積模量，Pa；k0為初始滲透率，m2；φ0為煤的初始孔隙度。

4 煤層瓦斯運(yùn)移方式涌出規(guī)律

4.1 瓦斯壓力分布規(guī)律

在COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件中導(dǎo)入模型的三場(chǎng)控制方程、模型邊界條件，計(jì)算得到分層充填開采30 d內(nèi)，煤層及充填體內(nèi)部瓦斯壓力變化如圖4所示。

圖4 煤層瓦斯壓力隨開采時(shí)間的變化Fig.4 Variation of coal seam gas pressure with mining time

由圖4可知，使用分層充填法采煤時(shí)，工作面煤壁和下分層煤體都會(huì)向工作面涌出瓦斯。觀察開采過(guò)程中煤層瓦斯的運(yùn)移方式可知，部分下分層煤體解吸產(chǎn)生的瓦斯會(huì)在壓差的作用下直接涌入工作面。而充填體滲透率較高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許瓦斯流動(dòng)，因此，另外一部分瓦斯在壓差的作用下以充填體為媒介向工作面及巷道涌入。

觀察工作面掘進(jìn)過(guò)程中煤層瓦斯壓力隨時(shí)間的變化情況可知，瓦斯壓力的影響范圍隨著時(shí)間的推移不斷延伸，下分層煤體內(nèi)部瓦斯壓力隨開采時(shí)間的延長(zhǎng)下降顯著。開采初期，煤層初始瓦斯壓力為0.32 MPa，遠(yuǎn)大于工作面及巷道瓦斯壓力，煤層內(nèi)部瓦斯在壓差的作用下不斷向工作面涌入。開采30 d后，工作面正下方煤層瓦斯壓力影響范圍達(dá)3.2 m，煤層最大瓦斯壓力為0.26 MPa，相比煤層初始?jí)毫ν认陆盗?8.75%。上分層煤體在工作面推進(jìn)方向瓦斯壓力影響范圍為4 m，雖然靠近煤層工作面部分的煤體瓦斯壓力略有下降，但上分層煤體整體瓦斯壓力未發(fā)生明顯變化。

4.2 瓦斯?jié)B流場(chǎng)分布規(guī)律

為探究分層充填開采過(guò)程中煤層瓦斯?jié)B流場(chǎng)的變化規(guī)律，在工作面的中心位置做切面圖，得到分層充填開采30 d內(nèi)煤層瓦斯?jié)B流速度的變化情況如圖5所示。

圖5 煤層瓦斯?jié)B流速度隨開采的時(shí)間變化Fig.5 Variation of gas seepage velocity in coal seam with mining time

由圖5可知，煤層最大瓦斯?jié)B流速度隨著時(shí)間的推移先升高后下降。觀察開采30 d內(nèi)煤層瓦斯?jié)B流速度的變化規(guī)律可知，越靠近工作面，瓦斯?jié)B流速度越大，瓦斯最大滲流速度始終位于充填體、工作面、下分層煤體交界處。

4.3 煤層瓦斯涌出量計(jì)算

通過(guò)對(duì)分層充填開采過(guò)程煤層瓦斯涌出來(lái)源的分析可知，使用分層充填法采煤時(shí)，下分層煤體也是煤層瓦斯涌出的直接來(lái)源之一。所以計(jì)算分層充填開采過(guò)程中工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量時(shí)，除考慮工作面煤壁瓦斯涌出外，還需要考慮下分層煤體對(duì)瓦斯涌出量的影響。絕對(duì)瓦斯涌出量是指采煤過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯體積，但煤層開采的不同時(shí)刻，煤壁瓦斯的涌出速度是不斷變化的。因此，使用開采過(guò)程中某一時(shí)間的瓦斯?jié)B流速度代替絕對(duì)瓦斯涌出量并不準(zhǔn)確。所以通過(guò)對(duì)面積積分的方法計(jì)算工作面煤壁和下分層煤體的瓦斯涌出總量，再用單日瓦斯涌出量除以開采時(shí)間，得到開采過(guò)程中工作面煤壁和下分層煤體絕對(duì)瓦斯涌出量的平均值，計(jì)算方法如式(6)：

(6)

式(6)中Q1計(jì)算如式(7)：

(7)

式中：Q為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Q1是單日煤體的瓦斯涌出總量，m3；t為開采時(shí)間，min；U為達(dá)西速度，m/s；A為下分層煤體和巷道總面積，m2。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 煤層絕對(duì)瓦斯涌出量變化Fig.6 Change in absolute gas emission rate of coal seam

觀察圖6可知，煤層開采初期，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為3.4 m3/min，隨著開采的進(jìn)行，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量呈波動(dòng)式下降。開采30 d后，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大小為3.26 m3/min，比開采初期降低了4.03%。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：開采初期，煤層內(nèi)部瓦斯壓力較大，瓦斯涌出明顯，隨著開采的進(jìn)行，煤層內(nèi)部瓦斯壓力降低，內(nèi)外壓差逐漸減少，瓦斯?jié)B流速度降低。且隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)，煤層整體可解吸瓦斯含量逐漸降低，煤層絕對(duì)瓦斯涌出量隨開采時(shí)間的推移逐漸降低。

5 結(jié)論

1)對(duì)常見的矸石膏體充填材料凝固形成的充填體進(jìn)行滲透率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許瓦斯流動(dòng)，其滲透率遠(yuǎn)高于煤體。使用分層充填法采煤過(guò)程中，下分層煤體中的瓦斯會(huì)以充填體為媒介向工作面涌入。

2)使用分層充填法采煤過(guò)程中，煤層最大瓦斯?jié)B流速度隨著時(shí)間的推移先升高后下降。越靠近工作面，瓦斯?jié)B流速度越大，煤層瓦斯最大滲流速度始終位于充填體、工作面、下分層煤體交界處。

3)使用分層充填法采煤時(shí)，煤層整體瓦斯壓力隨開采時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。開采30 d后，工作面正下方煤層受瓦斯壓力影響范圍達(dá)3.2 m，最大瓦斯壓力為0.26 MPa，相比煤層開采前下降了18.75%。通過(guò)面積積分的方法對(duì)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示：使用分層充填法采煤時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨開采的進(jìn)行呈波動(dòng)式下降。開采30 d后，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量比開采初期下降了4.03%。