塌陷裂隙漏风规律现场测定与分析.pdf

塌陷裂隙漏风规律现场测定与分析 王建文1， 张辛亥2， 李龙清2 ， 文 虎2 1． 陕煤集团 神木柠条塔矿业有限公司， 陕西 神木 719314; 2． 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054 摘要 通过示踪气体 SF6测定了柠条塔煤矿 N1201 工作面地表漏风通道， 计算出漏风速度分 布， 并且根据裂隙渗流的立方定律计算出裂隙等效水力宽度。研究发现， 采矿塌陷形成裂隙带是 漏风的主要通道， 顺槽附近裂隙漏风相对较大。采空区形成的裂隙很难被完全压实， 采空区深部 漏风也比较严重。塌陷裂隙等效水力宽度基本呈条带状分布， 等效水力度最大的条带正好处于 背斜的轴部， 并且其展布方向与背斜轴部完全一致， 说明其受地质构造控制比较明显。 关键词 采煤; 塌陷裂隙; 示踪气体; 裂隙等效水力宽度 中图分类号 TD728文献标识码 B 文章编号 1003 －496X 2010 11 －0089 －03 基金项目 国家自然科学基金资助项目 10972178 柠条塔煤矿设计生产能力为12． 0 Mt/a， 矿井开 拓方式采用斜井开拓， 综采回采工艺， 工作面均采用 后退式开采。N1201 工作面是柠条塔煤矿的首采工 作面， 工作面走向长度为 2 740 m， 倾斜长度为 300 m， 主采的 2 －2 煤平均厚度 4． 2 m， 为近水平稳定可 采煤层。工作面煤层底板平均标高为 1 120 m。 直接顶为灰色细砂岩， 厚度为 0 ～ 6． 2 m; 老顶多为 粉砂岩， 厚度为 14． 3 ～21． 54 m; 基岩顶部为松散的 黄土层。工作面地表标高一般为 1 282 ～ 1 189 m。2 －2 煤层为不粘煤， 煤层容易自燃， 周边矿井及 煤层露头均有自燃现象。 由于采煤引起塌陷， 使地表形成许多裂缝， 在矿 井通风负压的作用下， 空气从地表渗入采空区， 并从 采煤工作面流出。地表漏风导致采空区氧浓度很 高， 使采空区遗煤自燃危险增加。因此， 研究采空区 漏风规律， 对采空区煤层自燃的预测及防治都有重 要意义 〔1 －2〕。 工程上通常采用连续介质渗流理论研究裂隙中 的渗流。但一些工程实践表明， 这种理论假设与实 践偏差较大。1959 年的法国 Malpasset 拱坝在初次 蓄水溃决及 1963 年意大利的 Vajiont 拱坝库滑坡等 灾难事故， 都表明岩体渗流与土体渗流有着显著的 不同 首先， 裂隙在二维方向上延伸， 其两个方向上 的尺寸比第三个方向上的大得多; 其次， 裂隙的延伸 尺度可以达到整个研究域。这些导致裂隙岩体具有 独特的渗流规律 〔3〕。 近年来， 随着大型岩石工程的兴建， 裂隙性油气 田的开发， 对于裂隙岩体渗流的实验和理论研究得 到了广泛重视。其数学模型方面， 除传统的等效连 续体模型外， 20 世纪 90 年代以来发展起来的离散 裂隙网络模型得到了广泛研究。 煤层开采后， 采空区顶部岩石发生冒落、 平移并 产生裂隙。谢和平、 于广明、 杨伦等 1999 研究认 为， 采动岩体裂隙分布具有分形特征， 用分形维数可 以综合描述采动岩体裂隙化程度 〔4〕; 随着采宽的增 加， 导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象。施 群德、 赵建锋和苏仲杰 2000 从矿山开采沉陷的非 线性机制出发， 研究了采动岩体裂隙分形分布性质 及其演化规律 〔5〕。赵阳升、 杨栋、 郑少河等 1999 给出了岩石裂缝渗透系数测定方法， 并据此在试验 与理论分析的基础上， 给出了反映三维应力和空隙 压作用的岩石裂缝渗流物性规律的方程 〔6 －7〕。 由于塌陷区范围通常比较大， 漏风规律比较复 杂， 实测困难。地面塌陷裂隙漏风规律的现场测试 研究相对比较少。通过漏风现场测试， 实验研究地 表塌陷形成的裂隙介质及其渗流规律。 1柠条塔煤矿地面塌陷形成的裂隙特征 根据现场观测， 采煤过程中直接顶全部冒落， 形 成破碎的岩石堆积在采空区。老顶冒落成大块岩 石， 局部互层会破碎。由于煤层埋藏浅 工作面处 煤层底板埋深平均约 80 m ， 采煤引起煤层上部岩 层沉降， 形成周期性地隙缝， 穿透地层直达地表。由 于柠条塔煤矿地表松散堆积物主要为砂土， 其透气 性比较好， 此外由于气候干旱， 形成的缝隙不能及时 闭合， 故形成的缝隙成为良好的漏风通道。 98 问题探讨煤 矿 安 全 2010 －11 柠条塔煤矿采用全负压通风方式， N1201 工作 面进风隅角压力为 88 880 Pa， 回风隅角比进风隅角 压力略小， 约为 p088 850 Pa， 地表大气压力为 pi 88 590 Pa。由于地表各点高度差别不大， 按其平均 距离煤层底板高度为 h 70 m 算。则地表与井下回 风隅角总压力差为 △H pi ρgh － p0625 Pa 1 通过井下风量监量， 发现 N1201 工作面进风和 回风侧风量分别为 1 474 m3/min 和 1 526 m3/min， 即地表漏风约 52 m3/min。 2柠条塔煤矿地表漏风规律测定 为了研究地表漏风， 通过 SF6示踪气体测试地 表漏风通道的分布。自地面释放 SF6， 并从井下工 作面回风隅角检测， 分析地面漏风通道的分布规律、 漏风渗流参数等。2009 年 12 月 22 日， 在地表裂隙 带附近设置释放 SF6点， 并从井下回风隅角检测 SF6到达时间， 据此可计算 SF6渗流速度， 分析各裂 隙的渗流参数。地表释放 SF6后， 电话通知井下检 测人员; 当井下检测到 SF6全部流出其浓度降为 0 后， 电话通知地面人员开始下一个点释放 SF6， 依次 测完各点漏风情况。SF6释放点和测点位置平面图 如图 1。 图 1 N1201 工作面各漏风测点位置及等效裂隙 宽度分布等值线图 假设漏风从释放点沿直线流至工作面回风隅 角， 则释放点至检测点距离 L 可据 2 点的坐标确定 L x2－ x1 2 y2－ y1 2 z2－ z1 槡 2。则 根 据 SF6流过释放点和检测点之间的时间可以计算出漏 风速度 U L/△t 2 式中， △t 为从释放到接收到 SF6的时间。 应该指出， 气体在裂隙岩体中的实际渗流的迹 线为弯弯曲曲的路线， 因此实际 SF6流动速度要大 于据式 2 计算的值。 3柠条塔煤矿地表漏风参数分析 煤矿开采塌陷形成气体流动的裂隙是主要渗流 通道， 裂隙的渗透性比其周围岩石基质通常大几个 数量级。单裂隙水流运动规律是研究裂隙岩体渗流 的基础。单裂隙中的渗流通常可以用立方定律来预 测 〔7 －8〕。立方定律所依赖的模型为光滑平行板模 型， 此模型将裂隙假定为一对相隔一定距离的平行 板。在稳定的均衡的水力梯度作用下， 一维渗流量 Q 的计算表达式如下 Q WbU － b3 Wρ 12μ △H L 3 式中， U 为上下板之间的平均速度; 平行板间距 离为裂隙的开度 b; △H 为施加于渗流边界的平均 总水头差; W 和 L 为平行板的宽度和长度; μ 为空气 粘性系数， 取常温下 μ 1． 789 4 10 －5kg/ ms ; ρ 是空气密度， 常温常压下 ρ 12． 687 kg/m3。 采空区塌陷形成的单裂隙并不是光滑的平行 板， 而是具有粗糙的表面， 在局部是非平面的、 非平 行的， 并有可能是接触在一起的。用立方定律来描 述粗糙裂隙中的渗流， 需要对立方定律进行修正。 可以通过实验直接得出等效水力隙宽， 以使其能反 映粗糙裂隙的渗流特性。粗糙裂隙的等效水力隙宽 定义为一个等效的光滑平行板开度， 根据这个开度， 粗糙裂隙在给定的水头差、 裂隙尺寸和渗流量下满 足立方定律。在线性渗流场条件下， 等效水力隙宽 可以写为 bH〔 12μU ρ L △H〕 1/2 4 根据煤矿现场观测， 地表漏风裂隙带可分二类 第一类是工作面 2 个顺槽附近的裂缝基本上与顺槽 平行， 透气性较强; 第二类为平行工作面的裂隙带， 其中工作面附近的裂隙透气性较好， 随着工作面推 进， 裂隙宽度减小， 透气性降低。 将实验测得的漏风速度等数据代入式 4 ， 可 得到地表裂隙的等效水力裂隙宽度如表 1。 从表 1 可以看出， 其地表漏风有如下几个特点 1 几乎裂隙带上所有的测点都存在漏风， 而 地表漏风速度可达 0． 8 m/s 左右 ， 可见 N1201 工作 09 煤 矿 安 全 Total 433问题探讨 表 1柠条塔煤矿地表漏风测试分析表 测点 编号 释放点至测 点的距离/m 检测到的 时间/min 漏风流速 /ms －1 等效水力裂 隙宽/mm 备注 1144． 5630． 8030．003 14 2210． 7050． 7020．004 01 3287． 7260． 7990．006 23 4145． 0140． 6040．002 37 5249． 85140． 2970．002 01河沟内 6427． 4980． 8910． 010 3 7213． 190． 00纵向裂隙 8359． 23110． 5440．005 29 9387． 6380． 8080．008 48 10337． 22150． 3750．003 42纵向裂隙 11460． 1690． 8520． 010 6 12587． 37170． 5760．009 16 13741． 40410． 3010．006 04纵向裂隙 面采空区的地面漏风还是相当畅通的， 地表漏风成 为煤层自燃的重要影响因素。 2 布置在工作面以外约 40 m 处的 6 号测点 处的漏风速度仍然很大， 该测点处于采空区冒塌陷 区边缘的大裂隙上。该处高度为距离工煤层底板约 80 m， 据此可估算出采空区两侧塌陷角为 120。 3 靠近顺槽及工作面顶部附近的地表漏风速 度比较大， 而采空区中间位置的漏风比较小。说明 采空区中间的裂隙空隙率相对较小。 4 最远到距离工作面 600 m 的地表裂隙还存 在向井下的漏风， 说明采空区形成的裂隙很难被完 全压实， 采空区深部漏风也比较严重。 根据各点等效水力裂隙宽度， 可以绘出柠条塔 煤矿 N1201 工作面地表裂隙等效水力宽度等值线 图 图 1 。从图 1 可以看出， 裂隙等效水力宽度较 大的位置基本呈条带状分布。 将裂隙等效水力宽度等值线与煤层底板等高线 进行对比可以看出， 测漏风的区域有一背斜， 等效裂 隙宽度最大的条带正好处于背斜的轴部， 并且其展 布方向与背斜轴部完全一致。因此， 柠条塔煤矿塌 陷裂隙渗透性受地质构造控制比较明显。 4结语 1 柠条塔煤矿 N1201 工作面地表漏风严重， 而采矿塌陷形成裂隙带是漏风的主要通道， 没有裂 隙的位置漏风很小。采空区中间的裂隙漏风相对较 小， 顺槽附近裂隙漏风相对较大。采空区形成的裂 隙很难被完全压实， 采空区深部漏风也比较严重。 2 根据裂隙带的分布规律及其漏风情况， 可 以估算出采空区两侧塌陷角为 120。 3 N1201 工作面地表裂隙等效水力宽度基本 呈条带状分布， 等效水力度最大的条带正好处于背 斜的轴部， 并且其展布方向与背斜轴部完全一致， 说 明柠条塔煤矿塌陷裂隙渗透性受地质构造控制比较 明显。 参考文献 〔1〕 邓军， 徐精彩． 国内外煤炭自然发火预测预报技术 综述 〔J〕 ． 西安科技学院学报， 2000， 20 4 1 －5． 〔2〕 张辛亥， 刘灿， 周金生． 综放面采空区流场模拟及自 燃危险区域划分〔J〕 ． 西安科技大学学报， 2006， 26 1 6 －9 〔3〕 宋晓晨． 裂隙岩体渗流非连续介质数值模型研究及工 程应用 〔D〕 ． 南京 河海大学， 2004． 〔4〕 谢和平， 于广明， 杨伦． 采动岩体分形裂隙网络研究 〔J〕 ． 岩石力学与工程学， 1999， 18 2 148 －151． 〔5〕 施群德， 赵建锋， 苏仲杰． 矿山开采沉陷中的裂隙分形 分布问题研究进展与展望〔J〕 ． 工程地质学报， 2000， 8 3 342 －344 〔6〕 赵阳升， 杨栋， 郑少河． 三维应力作用下岩石裂缝水 渗流物性规律的实验研究〔J〕 ． 中国科学， 1999， 29 1 82 －86． 〔7〕 周创兵， 熊文林． 岩石节理的渗流广义立方定理〔J〕 ． 岩土力学， 1996， 17 4 l －7． 作者简介 王建文 1965 － ， 男， 陕西乾县人， 学士， 高 级工程师， 1989 年毕业于西安矿业学院， 现任陕煤集团神木 柠条塔矿业有限公司总工程师， 硕士研究生在读， ， 主要从事 矿井生产技术管理工作。 收稿日期 2010 －07 －26; 责任编辑 王福厚 19 问题探讨煤 矿 安 全 2010 －11