采动影响区被保护煤层渗透率分布规律_程斌.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. College of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China Abstract In order to better conduct the gas drainage in a mining-affected zone, a working face and its protected coal seam of a mine in Huainan mining area were used as the research object. Physical similarity simulation, FLAC3D numerical simulation, historical fitting have been used to discuss the variation of the permeability of the protected coal seam on the target working face. The results show that for the protected coal seam in strike section , the length of the pressure relief area in the front of the working face is about 20 m, and the length of the pressure relief area in the back of the working face is about 30 m, the length of the fracture zone is about 30 m, and the rest is the re-compaction area. The permeability in pressure relief area is 15010–3 μm2 to 25010–3 μm2, the permeabil- ity of the fracture zone area is 40010–3 μm2 to 80010–3 μm2, and the permeability of re-compaction area is 16 10–3 μm2 to 10010-3 μm2. The permeability of the protected coal seam in the mining area increased by 321 600 times compared with the original permeability. Keywords mining area; permeability; protective layer mining; gas drainage 煤矿事故大部分由瓦斯引起。 保护层开采是一种 防治瓦斯灾害的有效措施， 通过开采保护煤层， 利用 采动区“卸压增流效应”实现对被保护煤层瓦斯的抽 采。 但此方法机理及抽采过程中瓦斯运移规律、 井位 布置方法等方面研究还不足， 需要进一步对采动区渗 透率分布规律进行研究。 主要涉及采动区覆岩移动及 应力分布规律等方面。 前人在研究中提出了压力拱理 论[1-2]、悬臂梁理论[3-4]、预成裂隙梁理论[1-2]、铰接 岩块理论、砌体梁理论[5-6]、传递岩梁理论、薄岩板 理论[7-11]、关键层理论[12-15]、采动覆岩裂隙分布“区 带”论等，其中最具影响力的是采动覆岩裂隙分布 “区带”理论。M Karmis[16]等对长臂开采工作面进行 了研究并将其划为 3 个移动带，刘天泉[17]、钱鸣高 等[7]提出“横三区”、 “竖三带”的认识并被学界广泛认 同。 相似准则[18]也被应用于采动区渗透规律的研究， 并取得了良好的效果。茹婷[19]采用历史拟合法对煤 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 45 卷 层气排采工艺进行了优化。目前对于采动区渗透率 的研究，常用的方法有实验测定法、理论计算法以 及历史拟合法，目前大多数只使用其中一种方法研 究采动区渗透率，且定量研究较少。另一方面，有 效应力通过控制减小煤储层孔裂隙体积，从而控制 煤岩层中的渗透率分布。据此，笔者以淮南矿区某 矿某工作面为例，首先通过物理相似模拟实验、 FLAC3D 数值模拟研究覆岩移动规律和应力分布规 律，而后通过历史拟合对采动区被保护煤层渗透率 进行定量计算，以期指导研究区瓦斯的高效抽采。 1 工作面地质概况 淮南矿区某矿共有 5 个含煤段，其中 11-2 号煤及 13-1 号煤为本文研究目标煤层。根据矿区井下瓦斯测 定结果，13-1 号煤的瓦斯含量为 8.8215.42 m3/t，11-2 煤的瓦斯含量为 10.715 m3/t。通过线性回归法可得， 13-1 号煤瓦斯含量为 12.43 m3/t，11-2 号煤瓦斯含量为 11.24 m3/t。13-1 号煤层瓦斯中的 CH4质量分数为 78.6893.47，平均 86.74；11-2 号煤层瓦斯中的 CH4质量分数为 52.8086.78，平均 75.93[20]。 为解决主采 13-1 号煤层的瓦斯问题， 采用开采 下部保护层技术， 对其下部的 11-2号煤层进行开采。 此 2 层煤均属于稳定型煤层， 煤层厚度较大， 结构简 单。其中，13-1 号煤层厚 1.708.25 m，平均 4.65 m； 11-2 号煤层厚 0.897.23 m，平均 3.10 m。 淮南矿区某矿东四采区 11-2 号煤层综采工作面 构造简单，其内部仅存在一条正断层，该断层位于工 作面进风巷一侧，对工作面开采影响较小，在此次研 究中忽略。工作面标高–700–750 m，走向长 857 m， 倾向长 220 m。工作面内煤层平均倾角 7，煤层平 均厚度 1.7 m，工作面采高 3 m，推进速度 6.8 m/d。 工作面上覆岩层由砂质泥岩、粗砂岩、中砂岩、细砂 岩及泥岩构成，其煤岩层的物理力学性质见表 1。 表 1 11-2 号煤层煤岩物理力学性质 Table 1 Physical and mechanical properties of No. 11-2 coal seam 岩性 密度/ gcm-3 抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 弹性模量/ MPa 泊松比 砂质泥岩 2.64 45.4 7.2 5 677 0.278 粗砂岩 2.67 71.3 4.1 5 834 0.290 中砂岩 2.66 67.5 4.0 5 043 0.280 石灰岩 2.71 73.6 4.2 4 396 0.230 细砂岩 2.65 58.8 3.8 4 302 0.260 泥岩 2.08 26.6 5.0 2 002 0.195 煤 1.46 13.5 3.2 1 484 0.275 2 采动区渗透率变化边界的划分 2.1 采动影响区覆岩应变规律 采用物理相似模拟技术对覆岩移动及裂隙分布 规律进行研究。按照相似准则搭建物理相似模型， 并对搭建好的模型进行开挖，记录开挖时的现象并 分析实验结果。实验共进行 6 个来压步距，观测到 6 次周期来压，通过对实验过程的观测，根据采动 区“三带”划分的力学特征，对研究工作面进行“三 带”划分图 1a，图 1b。 图 1 “三带”划分 Fig.1 The “three zones“ division of the dip section 实验结果表明，13-1 号煤层自第 1 次周期来压 之后，始终处于弯曲下沉带内，直至第 4 次周期来 压后，裂隙带发育至 13-1 号煤层底板附近，但该煤 层主要区域仍处于弯曲下沉带中。走向方向该采面 采动影响角为 67；倾向方向其倾角决定了采动影 响区两边的不对称性。经过分析倾向方向模型垮落 形态， 认为其采动影响线与煤层底板夹角分别为 54 和 68，与水平方向的夹角均为 60。 对13-1 号煤层下沉情况设置百分表进行观测。 4 个 百分表分别位于距离试验台左端50 cm、80 cm、124 cm 和 152 cm 处。对百分表数据进行分析可得 13-1 号煤 层下沉趋势。对数据进行处理，可得煤层下沉增量与 工作面距测点水平距离间的关系图 2。从图中可知， 当工作面推进至测点前 2040 m 时，煤层开始出现下 沉；当工作面推过测点 2040 m 时，煤层下沉增量达 到峰值，说明此时煤层裂隙变化较快；当工作面推过 测点 60 m 后，煤层底板下沉增量减小。 在物理相似模型背面放置 1 组观测点，共设置 7 排，每排设 17 个观测点，在实验结束后对观测点 位置进行测量并分析，结果见图 3。 ChaoXing 第 3 期 程斌等 采动影响区被保护煤层渗透率分布规律 79 图 2 13-1 号煤层底板下沉增量 Fig.2 Sinking increment of the floor of seam 13-1 图 3 模型测点下沉量 Fig.3 Sinking amount at measurement points of the model 结合百分表所测得的数据进行分析认为，当工 作面推进至观测点时，其后方岩层开始下沉，产生 裂隙； 当工作面推过测点 60 m 后， 岩层下沉量减小， 位置趋于稳定，应是岩层弯曲下沉导致地层裂隙闭 合、2 次压实所致。综上所述，在走向方向上，覆 岩移动及较为明显的区域应在工作面前方 20 m 至 工作面后方 60 m 处。 2.2 采动区应力分布规律 使用 FLAC3D 数值模拟软件对采动区应力分布 规律进行模拟。为更好地进行数值模拟实验，对实 际条件进行简化假设煤岩层为各向同性均一且符 合摩尔–库仑弹塑性模型的介质；按照 11-2 号煤层 工作面真实几何参数建立模型进行模拟；工作面走 向上以 30 m 为回采步距，每回采 30 m 对卸压规律 进行分析；不同地层之间存在可以滑移的接触面； 不考虑与时间相关的物理量。 随着工作面的推进，采空区上覆岩层开始卸压， 卸压范围随着工作面的推进而向上发展。在此区域地 层压力降低，裂隙发育并扩张。为直观地表现上覆被 保护层 13-1 号煤层的应力分布情况， 截取模型中 13-1 号煤层俯瞰应力分布云图图 4a图 4d。 图 4 方框为对应 11-2 号煤层开挖区域，由图中 可以看出，随着开挖区域的扩大，开挖范围内呈现 出明显的卸压区域且卸压区域范围与开挖区域范围 相近。卸压区域，压力由外到内呈逐渐降低趋势。 图 4 推进不同距离 13-1 号煤层应力分布云图 Fig.4 The stress distribution of coal seam 13-1 at different advance distance 在上覆被保护层 13-1 号煤层中设置 35 个测点， 倾向方向为 x 轴，以煤层倾斜为正方向；以走向方向 为 y 轴， 工作面推进方向为正方向。 其中在 x 方向上， 从 x50250 m，每间隔 50 m 设置一排测点，共设置 5 排测点。每排测点在 y 方向上，从 y100400 m， 每间隔 50 m 设置一列测点。每次进行开挖后，读取 各测点的应力值并计算应力集中系数， 应力集中系数 是测量应力与原始应力的比值图 5a图 5e。 在走向剖面上，当工作面推进至距离测点约 100 m 时，测点开始出现应力集中现象。当工作面 推进至距测点约 50 m 时，应力出现峰值。当工作面 推进至距离测点 20 m 以内时，测点应力急剧降低。 在倾向剖面上，由于地层倾角对应力分布造成的影 响，沿倾向向下方向应力值相比沿倾向向上方向较 大。同时，开挖部分两翼应力值大于采空区中央， 这是由于下保护层开采造成的上覆被保护层卸压效 ChaoXing 80 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 5 不同测点位置应力集中系数变化规律 Fig.5 Variation of stress concentration factor at different distance 应在采空区中央更为明显。 2.3 采动影响下抽采有效范围划分 根据 FLAC3D 数值模拟结果，当工作面推进至 距离测点 20 m 以内时，测点应力急剧降低，据此将 工作面前方 20 m 以内定义为工作面前方卸压区。 根 据物理相似模拟实验结论，目标工作面走向剖面采 动影响角为 67，11-2 号煤层顶板至 13-1 号煤层底 板间平均距离约为 69 m，计算可知，13-1 号煤层受 采动影响形成的裂隙在工作面后方约 30 m 处开始 明显发育。同时由物理相似模拟结果工作面后方 30 m 内定义为工作面后方卸压区，工作面后方 3060 m 定义为裂隙发育区。由此可知，采动影响 下抽采效果较好的范围为工作面前方 20 m 至工作 面后方 60 m，共计 80 m 范围，此范围之后为重新 压实区。目标工作面采动影响区划分见图 6，并以 此为依据进行历史拟合。 图 6 走向剖面采动影响区示意图 Fig.6 Schematic diagram of mining- affected area 3 采动区渗透率分布规律 3.1 历史拟合参数设定 以目标工作面11-2 号煤层4 口采动区煤层气 井产气曲线为依据，通过历史拟合的方法，研究渗 透率分布规律。 为方便网格划分及凸显规律性，本次历史拟合 按照研究工作面的真实尺寸的近似值设置。设定历 史拟合模型在 x 方向长 1 000 m，y 方向长 300 m，z 方向高度与 13-1 号煤层平均高度相同， 设置为 6 m。 网格划分的原则应当是单个网格越小越好，但考虑 到手动修改网格渗透率工作量较大，因此设定单个 网格大小为 10 m10 m，即走向方向 100 个网格， 倾向方向 30 个网格，共计 3 000 个网格。 历史拟合的主要参数包括煤的原始储层压力、煤 层含气量、Langmuir 体积、Langmuir 压力以及煤层气 初始解吸压力等。根据该矿矿井瓦斯地质图编制说 明书 ， 13-1 号煤层含气量为 12.43 m3/t， 煤层厚度 6 m， 煤层原始渗透率 0.510–3μm2，煤层原始储层压力 9.63 MPa，煤的 Langmuir 体积 12.66 m3/t，煤的 Langmuir ChaoXing 第 3 期 程斌等 采动影响区被保护煤层渗透率分布规律 81 压力 5.0 MPa，煤的临界解吸压力 2.5 MPa。 3.2 历史拟合及结果分析 根据抽采有效范围划分结果图 6，对 CBM SIM 模型进行网格划分，将整个模型按工作面前卸压 区、工作面后卸压区、裂隙张开区及重新压实区 4 部 分进行渗透率赋值。 使用CBMSIM软件模拟1号4 号井日产气量，工作面不同推进长度下各井实际日产 气量变化规律及历史拟合的渗透率分布规律见图 7。 图 7 日产气量历史拟合曲线 Fig.7 Historic fitting curve of daily production ① 实际产气曲线与拟合曲线吻合度较高，历史 拟合效果良好， 实验结果可靠； 对不同区域赋渗透率 值的划分决定了历史拟合的成败， 历史拟合结果较好 也证明了图 6 中对走向剖面结构划分的正确性。 ② 工作面前方卸压区及工作面后方卸压区渗 透率为15025010–3 μm2，裂隙张开区渗透率为 40080010–3 μm2，重新压实区渗透率为1510 10–3 μm2。采动影响区被保护煤层渗透率在采动过 后，较原始渗透率0.510–3 μm2增大 321 600 倍， 其中，工作面前方卸压区渗透率增大 300 500 倍， 裂隙张开区渗透率增大 8001 600 倍，重新压实区 渗透率增大 32200 倍。 4 结 论 a. 明确了采动区被保护煤层的区域划分。将被 保护煤层划分为工作面前卸压区、 工作面后卸压区、 裂隙张开区及重新压实区 4 部分，其中，走向剖面 工作面前方卸压区长度为 20 m，工作面后方卸压区 长度为 30 m，裂隙张开区长度为 30 m，其余采动影 响后的区域为重新压实区。 b. 采动区被保护煤层不同区域的渗透率变化 范围是工作面前方卸压区及工作面后方卸压区渗 透率为15025010–3 μm2，裂隙张开区渗透率为 40080010–3 μm2， 重新压实区渗透率为15100 10–3 μm2。采动区被保护煤层渗透率在采动过后，较 原始渗透率增大 321 600 倍。 参考文献 [1] 钱鸣高，石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州中国矿业 大学出版社，2003 [2] 宋振骐. 实用矿山压力控制[M]. 徐州 中国矿业大学出版社， 1988. [3] 侯忠杰. 采场老顶断裂岩块失稳类型判断曲线讨论[J]. 矿山 压力与顶板管理，200221–3. HOU Zhongjie. Discussion on judgment curve of instability type of broken rock mass in upper roof[J]. Ground Pressure and Strata Control，200221–3. [4] 黄庆享， 钱鸣高， 石平五. 浅埋煤层采场老顶周期来压的结构 分析[J]. 煤炭学报，1999，246581–585. HUANG Qingxiang，QIAN Minggao，SHI Pingwu. Structural analysis of the upper roof of the shallow coal seam[J]. Journal of China Coal Society，1999，246581–585. [5] 钱鸣高，缪协兴，何富连. 采场砌体梁结构的关键块分析[J]. 煤炭学报，1994，196557–563. QIAN Minggao， MIU Xiexing， HE Fulian. Key block analysis of masonry beam structure[J]. Journal of China Coal Society， 1994， 196557–563. [6] 侯忠杰. 老顶断裂岩块回转端角接触面尺寸[J]. 矿山压力与 顶板管理，19993/429–31. HOU Zhongjie. The size of the angular contact surface of the ridge of the upper roof[J]. Ground Pressure and Strata Control， 19993/429–31. [7] 钱鸣高， 朱德仁. 老顶断裂模式及其对采面来压的影响[J]. 中 国矿业大学学报，1986，1429–16. QIAN Minggao， ZHU Deren. The upper roof fracture pattern and its influence on the face pressure[J]. Journal of China University of Mining Technology，1986，1429–16. [8] 贾喜荣. 矿山岩层力学[M]. 北京煤炭工业出版社，1997. [9] 蒋金泉. 长壁工作面老顶初次断裂步距及类型研究[J]. 山东 矿业学院学报，1991423–30. JIANG Jinquan. Study on the initial rupture step and type of the first breakout of the upper roof of longwall working face[J]. Journal of Shandong Mining Institute，1991423–30. 下转第 86 页 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第45卷 LYU Wei，HU Ronghua. Influence of erosive ion on the strength of cement-soil pile based on analytic hierarchy process AHP[J]. Coal Geology Exploration，2014，42365–67. [4] 于雯琪，钱家忠，马雷，等. 基于 GIS 和 AHP 的谢桥煤矿 13-1 煤顶板突水危险性评价[J]. 煤田地质与勘探，2016， 44169–73. YU Wenqi， QIAN Jiazhong， MA Lei， et al. The water inrush risk assessment of roof of seam 13-1 in Xieqiao mine based on GIS and AHP[J]. Coal Geology Exploration，2016，44169–73. [5] 刘少军，张京红，何政伟，等. 改进的物元可拓模型在台风灾 害预评估中的应用[J]. 自然灾害学报，2012，212135–141. LIU Shaojun，ZHANG Jinghong，HE Zhengwei，et al. Appli- cation of improved matter-element extension model to typhoon disaster pre-assessment[J]. Journal of Natural Disasters，2012， 212135–141. [6] 刘维，吕品，刘晓洁，等. 基于熵权物元可拓模型的化工工艺 本质安全评价[J]. 中国安全生产科学技术，2013，93 150–156. LIU Wei， LYU Pin， LIU Xiaojie， et al. Inherent safety uation of chemical process based on entropy-weight and matter-element model[J]. Journal of Safety Science and Technology， 2013， 93 150–156. [7] 朱爽，林黎阳，吴衍，等. 基于物元可拓法的湿地生态系统健 康评价以衡水湖国家湿地自然保护区为例[J]. 安全与环 境学报，2016，161348–353. ZHU Shuang，LIN Liyang，WU Yan，et al. Application of the matter-element extension to the ecosystem health as- sessment of the wetland-A case study on Hengshui lake wetland national natural reserve[J]. Journal of Safety and Environment， 2016，161348–353. [8] 贺言言，孙世国. 基于物元可拓模型边坡稳定性综合评价[J]. 煤矿安全，2014，453206–208. HE Yanyan，SUN Shiguo. Comprehensive uation of slope stability based on matter element and extension model[J]. Safety in Coal Mine，2014，453206–208. [9] 郑自宽， 孙亚玲. 物元可拓法在黄土高原水源地水质评价中的 应用[J]. 人民黄河，2016，38167–70. ZHENG Zikuan，SUN Yaling. Application of matter element analysis to water quality uation of the loess plateau water source region[J]. Yellow River，2016，38167–70. [10] 蔡文，杨春燕，林伟初. 可拓工程方法[M]. 北京科学出版 社，2000207–209. [11] 陈守煜，伏广涛，周惠成，等. 含水层脆弱性模糊分析评价 模型与方法[J]. 水利学报，2002723–30. CHEN Shouyu，FU Guangtao，ZHOU Huicheng，et al. Fuzzy analysis model and ology for aquifer vulnerability uation[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 20027 23–30. [12] 王正林. 精通 MATLAB 科学计算[M]. 北京电子工业出版 社，2009. 责任编辑 张宏 上接第 81 页 [10] 吴洪词. 长壁工作面基础板结构模型及其来压规律[J]. 煤炭 学报，1997，223259–264. WU Hongci. Structural model of base slab of longwall face and its pressure regulation[J]. Journal of China Coal Society，1997， 223259–264. [11] 陈忠辉， 谢和平. 长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研 究[J]. 煤炭学报，2005，302172–176. CHEN Zhonghui， XIE Heping， Study on plate group mechanical model ain roof of longwall face[J]. Journal of China Coal Society，2005，302172–176. [12] 钱鸣高，缪协兴，许家林. 岩层控制中的关键层理论研究[J]. 煤炭学报，1996，213225–230. QIAN Minggao， MIU Xiexing， XU Jialin. Research on key layer theory in rock stratum control[J]. Journal of China Coal Society， 1996，213225–230. [13] 许家林， 钱鸣高. 覆岩关键层位置的判断方法[J]. 中国矿业大 学学报，2000，305463–467. XU Jialin，QIAN Minggao. The judgment of key strata position[J]. Journal of China University of Mining Technol- ogy，2000，305463–467. [14] 钱鸣高， 茅献彪， 缪协兴. 采场覆岩中关键层上载荷的变化规 律[J]，煤炭学报，1998，232135–150. QIAN Minggao，MAO Xianbiao，MIU Xiexing. Variation of load on key layer in overlying strata of stope[J]. Journal of China University of Mining Technology，1998，232 135–150. [15] 侯忠杰. 浅埋煤层关键层研究[J]. 煤炭学报，1999，244 359–363. HOU Zhongjie. Study on key layer of shallow buried coal seam[J]. Journal of China Coal Society，1999，244 359–363. [16] KARMIS M，TRIPLETT T，HAYCOCKS C，et al. Mining subsidence and its prediction in the appalachian coalfield[J]. U S Symposium on Rock Mechanics，19831665–675. [17] 刘天泉. 矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J]. 煤炭 学报，1995，2011–5. LIU Tianquan. Influence of mining rock mass mining and control engineering and its application[J]. Journal of China Coal Soci- ety，1995，2011–5. [18] 李志梁. 采高及关键层层位对覆岩裂隙演化影响的实验研 究[D]. 西安西安科技大学，2014. [19] 茹婷，王晶，刘娜娜，等. 煤层气数值模拟与排采工艺技 术研究[R]. 西安中煤科工集团西安研究院有限公司， 201451. [20] 赵龙. 采动条件下被保护煤层渗透率变化规律研究以潘 三煤矿为例[D]. 西安西安科技大学，201446–47. 责任编辑 范章群 ChaoXing