高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究(1).pdf

第 37 卷第 9 期煤 炭 学 报Vol. 37 No. 9 2012 年9 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYSep. 2012 文章编号0253-9993201209-1437-07 高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及 瓦斯渗流特性研究 刘洪永1,2,3,程远平1,2,陈海栋1,2,孔胜利1,2,徐 超1,2 1． 中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221116;2． 中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏 徐州 221116;3． 山西焦煤集团 有限责任公司博士后科研工作站,山西 太原 030022 摘 要根据上覆煤岩层的破断和裂隙发育情况,将穿层裂隙通道直径大于 10 -1 mm 的区域定为采 动瓦斯通道发育区。 基于砌体梁理论,研究了关键层控制下的离层断裂带瓦斯通道的发育特征,并 基于 Kozeny-Carman 准则建立了瓦斯通道流态的判定方法,依据其内瓦斯的流动状态将上覆岩瓦 斯通道的发育沿纵向由下到上分为瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,并根据 离层断裂带瓦斯通道的发育规律,构建了以高位瓦抽采巷为主要手段的瓦斯过渡流通道区人工导 流方法。 最后通过以阳泉新景煤矿 80201 工作面卸压瓦斯抽采现场试验,反演得到了工作面上覆 岩采动瓦斯通道的演化规律及其对瓦斯导向流动规律的影响,并对瓦斯过渡流通道区内瓦斯的流 态进行了判定,验证了本文提出的理论计算方法和采动瓦斯通道分区的正确性和可行性。 关键词高强度开采;采动瓦斯通道;瓦斯渗流特性;流态;关键层 中图分类号TD713． 6 文献标志码A 收稿日期2012-05-21 责任编辑常 琛 基金项目国家重点基础研究发展计划973资助项目2011CB201204;国家自然科学基金面上资助项目51074160,50904068;中央高校 基本科研业务费专项资金资助项目2010QNA03 作者简介刘洪永1982,男,山东潍坊人,讲师,博士。 Tel0516-83885948,E-mailLhyeven163． com Characteristics of mining gas channel and gas flow properties of overlying stratum in high intensity mining LIU Hong-yong1,2,3,CHENG Yuan-ping1,2,CHEN Hai-dong1,2,KONG Sheng-li1,2,XU Chao1,2 1． Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2． National Engineering Research Center of Coal Gas Control,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;3． Post-doctoral Scientific Research Station in Shanxi Coking Coal Group Co. , Ltd. ,Taiyuan 030022,China AbstractAccording to the breakage and fracture developing of overlying strata,the layer with fracture diameter of more than 10 -1 mm is the mining gas channels development area. Based on the theory of voussoir beam structure,the characteristic of gas channel development in the overburden under the key stratum was studied,and the identification of the gas pattern were established for gas flow in gas channel based on Kozeny-Carman criterion. Then the overlying rock was divided into turbulent channel area,transitional circulation channel area and seepage channel area, according to the gas pattern in gas channels,and the artificial diversion for transitional circulation channel area was set up by taking high level suction roadway as main means. Finally,the evolution law of gas channel and its influ- ence on gas guidance flow was inversed by field test at working face 80201 in Xinjing Coal Mine of Yangquan Coal In- dustry Group Co. ,Ltd. ,and the gas pattern was classified for transitional circulation channel area,which verified the correction and rationality of the theoretical and the classification for mining gas channel proposed in this paper. Key wordshigh intensity mining;mining gas channel;gas flow characteristics;gas pattern;key stratum 网络出版时间2012-10-30 1615 网络出版地址 煤 炭 学 报 2012 年第 37 卷 多年的开采实践证明,保护层开采及被保护层卸 压瓦斯抽采技术是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济 的区域性措施之一[1-3],该技术不仅可以避免长期与 突出危险煤层短兵相接的状态,而且提高了防治煤与 瓦斯突出措施的安全性和可靠性。 生产实践发现,离层断裂带是邻近层瓦斯汇聚与 人工截留的重点区域,保护层的相关瓦斯抽采措施主 要集中在此区域。 多年的实践发现[4],保护层工作 面及邻近层卸压瓦斯可采用专用瓦斯排放巷配合走 向高位抽采巷,或专用瓦斯排放巷低角度钻孔配合走 向高位抽采巷进行有效治理。 但随着综采及综放开 采、大采高综采、大采高综放开采等高产高效的综合 机械化采煤方法的普遍应用,工作面围岩的堆积结 构、瓦斯通道形态发生变化,采掘空间邻近煤岩层瓦 斯的运移及聚积形态也随之改变,从而导致工作面瓦 斯涌出难以控制,上隅角瓦斯易超限,尤其在高瓦斯 厚煤层和邻近层较多的近距离煤层群开采条件。 为 了提高瓦斯抽采工程的有效性和瓦斯治理的效果,需 要对上覆岩离层断裂带瓦斯通道的发育特征及对卸 压瓦斯流态的影响进行深入研究,以期获得卸压瓦斯 汇聚和富集区的通道特征及瓦斯渗流特性。 但目前国内外许多学者多把研究重点要么集中 在单纯从采场矿压与岩层控制角度研究采动卸压的 影响高度和范围[5-9],要么从仅对采场瓦斯运移、涌 出规律和分布特点进行研究[10-12],而对高强度开采 条件下采动瓦斯通道的发育形态、对瓦斯运移与汇聚 的影响及对应的人工导流方法的研究较少[13-15]。 本文将阳泉矿区新景煤矿大采高综放开采为背 景,研究高强度开采条件下覆岩的结构变化、瓦斯通 道变化形态及渗流特性,为离层断裂带瓦斯人工高效 导流提供理论基础。 1 离层断裂带瓦斯通道特征及发育规律 采场覆岩可视为一系列岩层的有序组合,而层状 组合的覆岩中有一层或几层较为坚硬的厚岩层在整 个上覆岩体的变形与破坏中起主要的控制作用,这种 对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键 层[16],前者称为主关键层,后者称为亚关键层。 采场 覆岩中的关键层未破断失稳前,以弹性地基结构形式 产生挠曲下沉变形,并在关键层下部产生不协调性的 连续变形离层。 主关键层与亚关键层之间、亚关键层 与亚关键层之间变形的不协调将形成岩层移动中的 离层和各种瓦斯通道分布。 因此,关键层在对上覆岩 层的运动起控制作用同时,也控制着采动瓦斯通道的 动态延展。 覆岩采动瓦斯通道随关键层的断裂而跳 跃式向上发展,但最终形态不受关键层的决定,而受 岩层的弯曲程度和软弱岩层的变形控制。 控制覆岩 移动和裂隙动态扩展的关键层必将影响着上覆煤岩 卸压瓦斯的流动与汇聚。 多年的研究发现,采场覆岩周期来压期间,顶板 结构失稳形式一般分为滑落失稳和回转变形失稳,只 有当覆岩断裂块体同时满足不发生滑落失稳和回转 变形失稳两个条件时才能形成平衡结构体[17]。 覆岩 断裂失稳的结构模型如图 1 所示。 图 1 覆岩断裂失稳的结构模型 Fig． 1 Structure failure model of mining overburden ΔS离层量;θ回转角;L关键层周期断裂步距;β岩 层破断裂缝的张开角度;a破断裂隙在层厚方向的长度 根据砌体梁全结构中的力学分析,岩层内部第 i 关键层结构上下位岩层的不协调离层量[18]为 ΔS m -∑hiKi - 1 []e - X 2Li1 - e - X 2Li 1 式中,∑hi为第 i 组关键层结构到煤层顶板的垂 距,m,其中 hi为第 i 组关键层的厚度,m;Ki为第 i 组 关键层内岩层的残余碎胀系数, 一般取 1． 15 1． 33[19-20];m 为煤层的采高,m;X 为以工作面的位置 为原点的走向距离,m;Li为第 i 组关键层结构的周 期断裂步距,m, Li h i σT 3q ,其中 σT为第 i 组关键层 的抗拉强度,MPa,q 为第 i 组关键层的自重及其上覆 岩层的载荷,MPa。 由图 1 可知,当关键岩层弯曲下沉而未完全破断 时,岩层的破断通道长度小于该岩层的厚度aihi, 此时瓦斯通道尚未形成,瓦斯导流能力较差;当岩层 破断面的切应力超过其剪切强度时,岩层完全破断 ai h i,此时瓦斯通道形成,瓦斯导流能力迅速提 升。 由直径大于 10 -1 mm 的可见孔或裂隙组成的瓦 斯通道是构成层流及紊流混合渗透的区间,并决定了 煤的宏观破坏面[21],卸压瓦斯可沿此通道全部或部 分自然排放。 因此可以将覆岩断裂通道直径大于 10 -1 mm 的区域称为采动瓦斯通道发育区下称“通 道发育区”,通道发育高度以外区域内的卸压瓦斯 是不能实现自然排放的。 8341 第 9 期刘洪永等高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究 2 离层断裂带瓦斯渗流特性 瓦斯在采动瓦斯通道内的流态判别准则可由 Kozeny-Carman 准则[22]表达 Re ρVe 1 2 μ Ve 1 2 ν 2 式中,ρ 为流体密度,kg/ m3;V 为当地渗流速度,m/ s; μ 为流动的动力黏性系数,kg/ ms;ν 为流体的运 动黏性系数,m2/ s;e 为渗流场的当地渗透系数,m2, e D2 mφ -2 1801 - φ -2,其中 Dm 为离层断裂带内破断岩块 的平均粒度,m, φ - 为当地平均孔隙率,, φ - 1 - m - ∑hiKi - 1 e - X 2Li1 - e - X 2Li ∑hi h i 。 根据 Kozeny-Carman 准则[22],瓦斯在采动瓦斯 通道的流态依据雷诺数可分为 3 个区域层流区、过 渡区和紊流区,如图 2 所示。 图 2 采动瓦斯通道瓦斯流态的分类 Fig． 2 Classification of gas pattern in mining gas channel 对比实验室相似模拟试验和现场观察结果,可将 上覆岩瓦斯通道按瓦斯流态进行纵向分区图 3,由 下到上依次为 1瓦斯紊流通道区。 瓦斯紊流通道区位于工作面顶板垮落带内,瓦斯 紊流通道的分布具有很强的随机性,与工作面采高、 垮落带岩块大小和排列状况、顶板岩性及原始应力等 因素有关。 瓦斯紊流通道区渗透性大,瓦斯运移状态 以紊流为主,其高度与垮落带相同,一般为采高的 6 10 倍。 此区域雷诺数 Re10,由图 2 可知,过渡流通道区瓦 斯的流态为非线性层流。 这验证了本文提出的采动 瓦斯通道分区的正确性和合理性。 5 结 论 1覆岩采动瓦斯通道随关键层的断裂而跳跃 式向上发展,但最终形态不受关键层的决定,而受岩 层的弯曲程度和软弱岩层的变形控制。 控制覆岩移 动和裂隙动态扩展的关键层必将影响着上覆煤岩卸 压瓦斯的流动与汇聚。 根据上覆煤岩层的移动、变形 和破断发育情况,将穿层裂隙通道直径大于 10 -1 mm 的区域定为采动瓦斯通道发育区。 2基于砌体梁理论,研究了关键层控制下的离 层断裂带瓦斯通道的发育特征, 并基于 Kozeny- Carman 准则建立了瓦斯通道流态的判定方法,并依 据其内瓦斯的流动状态将上覆岩瓦斯通道的发育沿 纵向由下到上分为瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道 区和瓦斯渗流通道区。 3根据离层断裂带瓦斯通道的发育规律,构建 了以高位瓦抽采巷为主要手段的瓦斯过渡流通道区 人工导流方法,并以阳泉矿区新景煤矿地质条件为背 景,研究了高强度开采条件下上覆煤岩采动瓦斯通道 的扩展特征并确定了瓦斯人工导流的具体方法和参 数。 通过卸压瓦斯抽采现场试验效果的分析,反演得 到了工作面上覆岩采动瓦斯通道的演化规律及其对 瓦斯导向流动规律的影响,并对瓦斯过渡流通道区内 1441 煤 炭 学 报 2012 年第 37 卷 瓦斯的流态进行了判定,验证了本文提出的理论计算 方法和采动瓦斯通道分区的正确性和可行性,为离层 断裂带瓦斯人工高效导流提供了理论基础。 参考文献 [1] 俞启香,程远平,蒋承林,等. 高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共 采原理及实践[J]. 中国矿业大学学报,2004,332127-131. 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