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第 23 卷 第 19 期 岩石力学与工程学报 2319 3288～3291 2004 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2004 2003 年 4 月 25 日收到初稿，2003 年 6 月 16 日收到修改稿。 * 陕西省自然科学研究项目2002E219与陕西省教育厅专项科研计划项目00JK220资助课题。 作者 李树刚 简介男，1963 年生，1998 于中国矿业大学获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事安全技术及工程的教学与科研工作。E- mail lisg。 综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究 * 李树刚 林海飞 成连华 西安科技大学能源学院 西安 710054 摘要 富含瓦斯厚煤层综放开采后， 煤岩体中的卸压瓦斯运移规律与其渗透性密切相关， 而支承压力变化又对渗 透性有很大的影响， 即采场卸压瓦斯的运移规律明显受支承压力的影响。 分析了采动影响下煤岩卸压瓦斯的流动 特性，并根据靖远煤业公司魏家地矿110综放面的矿压观测及瓦斯监测结果，分析得到综放采场前方支承压力及 其作用下渗透系数随工作面距离变化的曲线， 进而得出综放面支承压力与卸压瓦斯运移的关系， 为有效防治综放 开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。 关键词 采矿工程，支承压力，卸压瓦斯运移，综放开采 分类号 TD 323，TD 713.31 文献标识码 A 文章编号 1000- 6915200419- 3288- 04 RELATION BETWEEN ABUTMENT PRESSURE AND RELIEVED GAS DELIVERY FOR FULLY- MECHANIZED TOP COAL CAVING Li Shugang，Lin Haifei，Cheng Lianhua School of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology， Xian 710054 China Abstract After mining in methane- rich thick seams，the law of relieved gas delivery in coal and rock mass is closely related to its permeability， which is influenced by the change of abutment pressure. In other words， the law of relieved gas delivery of coal caving is influenced obviously by the abutment pressure. The flow characteristics of relieved gas in coal and rock mass influenced by mining are analyzed. Based on the analysis results of ground pressure measuring and gas monitoring in 110 fully- mechanized top coal caving face in Weijiadi Coal Mine， Jingyuan Mining Company，the variation curve of abutment pressure and permeability coefficient with distance from the working face is obtained，and the theoretical foundation for effective prevention of gas accidents in working face of fully- mechanized top coal caving and reasonable drainage and usage of gas resource are provided. Key words mining engineering，abutment pressure，relieved gas delivery，fully- mechanized top coal caving 1 引 言 矿井瓦斯是危害煤矿安全生产的一大因素，同 时也是可贵的能源资源。如将其安全抽取并加以利 用，既可保障煤炭的安全回采，还可变害为宝，从 而实现新能源供应、矿井安全生产和环境保护。综 放开采过程中，煤层卸压瓦斯涌出极为复杂，涌出 量大小主要决定于煤岩体的渗透系数，而渗透系数 又明显受制于采场围岩支承压力等矿山压力的变 化，即工作面卸压瓦斯运移和采场支承压力存在着 复杂的相互制约、相互影响的变化过程。支承压力 第23卷 第19期 李树刚等. 综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究 3289 通过一定形式作用在采场周围煤岩体上，使煤岩体 渗透系数等力学特性发生变化；同时，综放面不断 推进，煤岩体的渗流场结构也产生相应的变化，此 即所谓的煤岩体与瓦斯共同作用系统的变形与运 动。因此，利用采动支承压力引起的围岩活动规律， 研究煤岩体瓦斯运移形态与支承压力关系及抽取方 法，在煤与瓦斯安全共采中有着重要的作用[1]。 2 采动影响下煤岩卸压瓦斯流动特性 分析 2.1 煤岩瓦斯的力学特性 含瓦斯煤岩体是一种复杂的力学介质，由具有 不规则和复杂的原生孔隙和后生裂隙的煤岩骨架和 瓦斯等固气两相组成，瓦斯以游离状态和物理吸附 状态赋存于煤岩中的孔隙、裂隙中，并在其中运移。 煤岩体相对的两个孔隙、裂隙表面间存在着范德华 Van der Waals力， 当瓦斯含量为零时， 煤岩体瓦斯 便成为单相固体介质，其表面分子受到表面张力的 作用，趋向于使其表面积缩小，此时可认为分子本 身的范德华力使煤岩体处于应变状态。当煤岩体瓦 斯介质中存在吸附和游离瓦斯时， 必然影响该状态， 使范德华引力此时即煤岩体的表面张力下降。为 了达到新的平衡而使煤的应变变小，相对而言表现 为煤岩体体积膨胀。对于煤岩瓦斯，煤岩体的弹性 模量越小，其吸附瓦斯后发生的应变变形量越大， 比表面积越大，瓦斯压力越高，吸附瓦斯的量就越 多，表面张力下降也越多，它所产生的变形也就越 大[2]。在较强外力作用下，煤岩瓦斯介质产生较大 的变形，表面张力也降低得较多，从而迫使瓦斯从 煤岩体中解析。文[3]通过实验得出含瓦斯煤岩体 随着煤岩体对瓦斯的吸附即瓦斯压力的增大，煤 的抗压强度降低，塑性软化增强，弹性模量则呈负 指数关系衰减。 2.2 煤岩瓦斯的渗透特性 煤岩瓦斯渗透性主要指煤岩体对瓦斯流动的阻 力特性，其对瓦斯的渗流、聚集与涌出规律及瓦斯 压力分布等起着重要作用。煤岩瓦斯作为结构复杂 的孔隙、裂隙多孔介质，其渗透特性与矿山压力、 吸附性、瓦斯压力、煤层温度等因素有关，不均匀性 和各向异性是其在渗透特性方面的明显表现。文[4] 通过大量实验，证明煤岩瓦斯的渗透特性与体积应 力T及孔隙压力p有关，并得出渗透系数K与二 者之间的关系为 ]3exp[ 0 pTbpKKα η − 1 式中 0 K为渗透系数初值，η为吸附作用系数， b为体积应力对渗流的影响系数，α为等效孔隙压 系数。文[5]通过实验得出煤岩瓦斯体的渗透性 与地电磁场有关。文[6]指出温度场对煤岩瓦斯体的 渗透性有很大影响。文[7]进行了含瓦斯煤的三轴 压缩实验，研究了其在变形过程中渗透率的变化 规律。文[8]在德国的鲁尔矿区某矿1 060水平东 8区 石门向测量煤层中打平行双孔，以掌握开采煤层回 采时对一定距离的上临近层的瓦斯压力变化和煤层 渗透系数变化。多年开采经验和大量实验表明，采 动过程中，支承压力对煤层透气性变化起决定性作 用，进而导致煤岩瓦斯运移状态发生变化。在矿井 采掘工程影响下，采掘工作面周围煤岩体中的应力 场会发生变化，形成卸压带和应力集中带，其渗透 性在卸压带增加，在集中应力带则降低。 3 综放采场支承压力对煤层卸压瓦斯 运移的作用 工作面前方支承压力的动态变化，用巷道内两 帮移近量、顶底板移近量和支柱载荷的变化来反 映，而与此同时进行的瓦斯涌出量监测或检测，能 得出支承压力对煤层瓦斯涌出量的作用[9]。图 1为 魏家地矿110 综放面及其巷道的矿压观测与瓦斯监 测的结果。 煤壁前方的支承压力 1 σ[9]为         − ϕ ϕ σ sin1 sin12 exp 1 01 m xf p 2 式中 0 p为支架对煤壁的反力，单位为MPa； 1 f为 图 1 110 综放面支承压力与瓦斯涌出的关系 Fig.1 Abutment pressure vs gas emission in 110 face 3290 岩石力学与工程学报 2004年 煤层与顶底板接触面间内摩擦系数；x为距离煤壁 的距离， 单位为m；m为开采厚度， 单位为m；ϕ为 煤体内摩擦角，单位为 。 综放面在推进过程中，前方煤体的支承压力的 几个区段处在交替变化中，这就决定了前方煤体瓦 斯渗透系数也处于交替变化之中，而煤层渗透系数 K 与煤体状态有直接关系，即 exp 121 σAAK− 3 式中 1 A， 2 A为实验回归系数。 将式2代入式3得               − − ϕ ϕ sin1 sin12 expexp 1 021 m xf pAAK 4 据此得出综放采场前方煤体支承压力及其作用 下渗透系数随工作面距离变化的曲线，如图 2 所示。 图 2 综放面前方煤体渗透系数变化曲线 Fig.2 Variation curves of permeability coefficient in front of coal face 从图1，2 中可以得出以下结论 1 综放支架上方及掩护梁顶部，支承压力趋 于零，顶煤处于松动、离散状态，其内瓦斯自由放 散，并有高浓度聚集，如图 2 中的Ⅰ区，称为无压 瓦斯自由放散区。 2 开采工作面距煤壁前方 0～5 m 的范围，为 应力降低区，如图 2 中的Ⅱ区。该区煤层承受的压 力不断减小，煤体产生膨胀变形，使煤体破碎、强 度降低和裂隙发育，渗透性急剧增高；同时，煤层 中瓦斯解析加强， 流量增大， 产生 “卸压增流效应” ， 瓦斯运移通道畅通，在开采中随煤体涌入工作面。 作者观测到在该区内瓦斯的流量是正常情况的3～4 倍。 3 开采工作面距煤壁前方 5～25 m为应力急 剧增高区，如图 2 中的Ⅲ区。该区因支承压力作用， 使煤岩体裂隙和孔隙受挤压而收缩、封闭，煤岩体 透气性降低，且变化梯度很大，改变了瓦斯正常涌 出特性，导致瓦斯流量逐渐减小。值得注意的是， 由于本综放面采放比较大2.5∶9.5和煤体硬度较 小0.5～1.0，所以支承压力的峰值出现在煤壁前方 的 20～30 m 处，作用范围也达到了15 m 左右，但应 力集中系数不高。 4 工作面前方 25～70 m 范围为应力缓慢降 低区，如图 2 中的Ⅳ区。在该区内支承压力达到峰 值以后，逐渐趋于下降，煤体裂隙和孔隙封闭、收 缩，渗透系数变化梯度逐渐减小，改变了瓦斯正常 涌出特性使瓦斯流量趋于减小。 5 距煤壁前方70 m以远的范围为应力稳定 区，如图 2 中的Ⅴ区。该区煤岩体未受采动影响， 承受正常压力，渗透系数变化趋于平稳。瓦斯动力 参数不变，钻孔瓦斯涌出量按负指数规律自然衰 减。 由此可知，不论原始渗透系数怎样低的煤层， 采动影响煤层卸压后，在支承压力的作用下，综放 面前方不同位置煤体渗透系数变化很大，表现为矿 压显现对煤岩体中卸压瓦斯的运移有很大影响。这 是因为工作面前方的支承压力使煤体中的瓦斯压 力、孔隙率、 渗透率等力学性质发生了很大的变化， 从而使得其瓦斯涌出呈不均衡性。 4 综放采场周期来压对煤层卸压瓦斯 涌出的影响 魏家地矿 110 综放面及巷道矿压观测和实时瓦 斯监测期间，综放面共发生 4 次周期来压，来压前 后瓦斯涌出量如表 1 所示。 由表 1 可知，来压前绝对瓦斯涌出量平均为2.54 m 3min－1，相对瓦斯涌出量平均为3.08 m3t－1，来压 时绝对瓦斯与相对瓦斯的均值分别为 3.66 m3min －1 和 4.47 m3t －1， 来压时绝对瓦斯涌出量是来压前的 1.44倍，相对瓦斯涌出量是来压前的 1.54 倍。 邢台矿本是一个低瓦斯矿井，但在23310综放 面开采过程中也出现了瓦斯涌出异常现象[10]，当周 期来压时，瓦斯绝对涌出量增加了25左右，该矿 周期来压前后的瓦斯涌出变化如表 2 所示。 周期来压前后，煤岩体的孔隙裂隙及其渗透性 等均发生了显著的变化，这一系列变化存在于相互 制约、相互影响的统一体中，它们影响着位于工作 面上方老顶的垮落和煤岩体中瓦斯的吸附状态，并 决定着煤岩体中的卸压瓦斯流动。进一步研究表 第23卷 第19期 李树刚等. 综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究 3291 表 1 110综放面瓦斯涌出与周期来压的关系 Table 1 Gas emission vs periodic weighting in 110 face Q/ m3min －1 q /m3t －1 来压次数 来压前 来压时 倍数 来压前 来压时 倍数 1 2.8 3.0 1.07 4.49 5.76 1.17 2 2.4 3.25 1.35 2.82 5.73 2.03 3 2.2 5.16 2.53 1.83 4.60 2.51 4 2.76 3.24 1.17 2.74 2.85 1.04 平均 2.54 3.66 1.44 3.08 4.47 1.54 表 2 22310综放面瓦斯涌出与周期来压的关系 Table 2 Gas emission vs periodic weighting in 22310 face 来压次数 来压前/ m3min －1 来压时/ m3min －1 倍数 1 0.73 1.05 1.44 2 0.86 0.98 1.14 3 0.82 1.04 1.27 4 0.93 1.10 1.18 平均 0.835 1.041 5 1.25 明，综放工作面瓦斯涌出量的不均衡系数在很大程 度上受到开采过程中上覆岩层活动规律的影响。正 如表1所示，110 综放面当有周期来压时，工作面的 瓦斯绝对涌出量比来压前增加了44，相对瓦斯涌 出量则增加了54。可见，上覆岩层的活动规律不 仅影响瓦斯绝对涌出量，而且也影响瓦斯相对涌出 量。若此时工作面的风量稳定，上隅角瓦斯必然超 限。这说明综放面瓦斯大量快速涌出是矿山压力的 一种显现。 周期压力增大，使工作面前方煤体渗透容积减 小，煤层瓦斯压力增高，在应力集中带，裂隙和孔 隙受压而缩小、闭合，导致煤岩体透气性降低，从 而使瓦斯涌出量相对减小；同时，覆岩关键层周期 性破断失稳后，使顶板破碎度的周期增大，导致煤 体支承压力向深部转移，煤壁前方减压区范围扩 大，煤体中原有裂隙张开、扩大，新裂隙相伴而生， 使煤体透气性急剧增高，部分吸附瓦斯解析并同游 离瓦斯一起快速大量涌向采场。因此，从时间上来 看，首先测到的是周期来压，而综放面瓦斯涌出量 的剧增通常发生在 1～2 d 之后。 5 结 论 1 综放开采时，支承压力变化对煤岩透气性 的改变起决定性作用，采掘工作面周围煤岩体中的 应力场发生变化，形成卸压带和应力集中带，其渗 透性在卸压带增加，在应力集中带则降低。 2 实测表明，综放面前方应力降低区、增高 区及稳定区内卸压瓦斯运移特征不同，支承压力使 煤岩体中的瓦斯压力、孔隙率、渗透率等力学性质 发生了很大的变化，从而使得其瓦斯涌出呈不均衡 性。 3 上覆岩层的活动规律不仅影响瓦斯绝对涌 出量，而且也影响瓦斯相对涌出量。可见，综放面 瓦斯大量快速涌出是矿山压力的一种显现。 4 从时间上来看，综放面周期来压比瓦斯涌 出量的剧增早1～2 d 被测知。因此，可以通过综放 面的周期来压预测瓦斯涌出量的剧增。 参 考 文 献 1 Li Shugang. 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