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第 32 卷第 5 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2013 年 5 月 Vol.32 No.5 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） May 2013 收稿日期2012-12-13 基金项目国家自然科学基金资助项目（51174157，51104118） 作者简介张少龙（1985-），男，陕西 凤翔人，硕士，助理工程师，主要从事煤矿开采方面的研究. 本文编校史庆华 文章编号1008-0562201305-0587-05 doi10.3969/j.issn.1008-0562.2013.05.003 开采不同厚度上保护层对下伏煤层 卸压瓦斯渗流特性的影响 张少龙 1，李树刚2，宁建民1，林海飞2 （1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054） 摘 要为解决开采不同厚度上保护层对下伏煤体卸压瓦斯渗流特性影响的问题.利用自主研制的固气耦合物理 相似模拟实验台，对不同条件下上保护层开采时，被保护层卸压瓦斯渗流规律进行了研究.实验结果表明随着 工作面的推进，瓦斯渗流速度的变化趋势经历了由原始渗透性先降低、后升高、再降低、再升高、最后保持不变 的过程，采空区瓦斯渗流性最终大于原始渗透性.通过对实验数据整理并拟合曲线，当上保护层开采完毕后，被 保护层沿走向方向其渗透率变化曲线呈马鞍形.在保护层间距一定时，采高越大，下伏煤层在采动平衡后相对于 原始的瓦斯渗透率增高就越明显，且对下伏煤层的影响范围也越大. 关键词固气耦合；相似模拟；不同厚度；上保护层开采；下伏煤体；卸压瓦斯；瓦斯渗流；渗流规律 中图分类号TD 315 文献标志码A Influence of pressure-relief gas seepage of underlying coal seam with mining different thicknesses of the upper protective layer ZHANG Shaolong1, LI Shugang2, NING Jianmin1, LIN Haifei2 （（1.China Coal Xi’an Design Engineering Co. Ltd, Xi’an 710054, China; 2. College of Energy and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China）） Abstract To solve problems regarding the influence of pressure-relief gas seepage of underlying coal seam caused by mining different thicknesses of upper protective layer, this paper studied the rules of pressure-relief gas seepage under different conditions of mining upper protective layer. An independently developed solid-gas coupling, physical resemblance simulation plat was used in this study. The experimental result shows that with the working face advance, the gas seepage velocity variation trend first decrease from the original permeability, then increase, then decrease and increase again, then remain the same. The permeability in the gob area eventually is greater than the original one. The result from data processing and curve fitting shows that when the upper protective layer is completely mined out, the permeability change curve along the strike direction of protective layer is in a shape of saddle. With a fixed thickness of the protective layer, the greater the mining height is, the more obviously is the increment of gas permeability relative to the original value after the underlying coal seam reaches a balance state of mining, and the influence area of underlying seam is also larger. Key words solid-gas coupling; similar simulation; different thickness; upper protective layer mining; underlying coal seam; relief gas; gas seepage; seepage law 0 引 言 煤炭的大规模开采，使煤层开采深度不断加 深，煤层中瓦斯压力急剧增大，导致工作面瓦斯涌 出量急剧上升，严重的瓦斯动力现象频频出现，甚 至发生瓦斯燃烧、爆炸及煤与瓦斯突出之类的恶性 事故，严重威胁着矿井安全生产，造成了重大的人 员伤亡、 经济损失和不良的社会影响.许多学者从现 场实践出发，对上保护层开采过程中下伏煤岩体变 性特征做了研究[1-4].对于采动影响下卸压瓦斯的运 移规律， 学者们在瓦斯动力弥散规律[5-8]及瓦斯升浮 -扩散规律[9-10]方面对采动裂隙带中的卸压瓦斯的 运移规律开展了大量研究，而且在物理相似模拟实 验从宏观和微观方面也有很多的研究[11-14].但就利 用相似模拟实验台研究上保护层开采过程中被保 护层瓦斯渗流规律的成果不是很多.利用自主研发 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 32 卷 588 的上保护层开采物理相似模拟实验台，通过对上保 护层开采过程中被保护层卸压瓦斯渗流速度变化 规律的分析，进一步研究了上保护层开采时，被保 护层瓦斯的渗流规律，为现场瓦斯抽采提供了技术 支持和实验基础. 1 上保护层开采卸压瓦斯渗流模拟 上保护层开采后，周围的煤岩体向采空区移 动，采空区上覆岩体形成垮落和裂隙，采空区下方 岩体向采空区膨胀、凸起，并伴生大量的裂隙，使 得采空区下方岩体的原岩应力重新分布，被保护煤 层的透气性增大.然而， 不同保护层的开采高度对被 保护层卸压瓦斯的渗流影响是不同的，实验通过自 主开发的固气耦合物理相似模拟实验台来研究保 护层不同采高条件下，被保护层的卸压瓦斯渗流规 律. 本实验台包括充气系统、实验箱体、开采装置 和测试系统.充气系统由空气压缩机、平衡阀、导气 管、充气罐和压力表组成.实验箱体前后为有机玻璃 板，便于实验观察和拆卸，箱体和有机玻璃板中间 用橡胶片，起密封作用.实验台可人为控制和改变实 验条件，从而可确定单因素或多因素对矿山压力、 瓦斯运移规律的影响.被保护层位置上，前后玻璃板 均打有 8 个孔，由左向右依次编号为 1、 2、3、 4、 5、6、7、8，气孔布置见图 1 和表 1. 图 1 实验台平面图 Fig.1 bench plans 表 1 各测孔布置位置 Tab.1 position of the holes layout 测孔 距离切眼/m 测孔 距离切眼/m 1 -14 5 40 2 0 6 56 3 14 7 72 4 24 8 86 根据某矿地层实际情况及岩层间岩性建立物 理模型.保护层为上保护层，煤层厚度分别 3 m 和 4 m，煤层倾角 0，被保护层为下伏煤层，煤层厚 度为 4 m， 保护层和被保护层间距 14 m.在相似理论 及渗流理论的基础上，利用自行研制的固气耦合相 似材料开展模拟开采不同厚度被保护层对下伏煤 体渗透性影响的相似模拟实验. 2 实验结果分析 2.1 采高为 3 m 时的实验分析 1孔位于保护煤柱上方，工作面推进时其上覆 岩层在此处形成了应力集中现象.切眼形成后，1孔 处受到扰动，并出现了微小的卸压，致使此处煤层 的渗透性相应提高，当工作面推进 4 m 时，由于直 接顶仍未垮落，原本应由采出煤层所承担的上覆岩 层的重量，有一部分被 1孔处煤柱所承担，致使 1 孔处的煤柱被压实，使其渗透率下降.当工作面推进 到 16 m 时，直接顶出现垮落，上覆岩层给 1孔处施 加的压力有所减缓，从而使得 1孔处的煤层由原来 的高压状态转变为压力释放状态，故煤柱渗透率有 微小升高.当工作面推进至 28 m 时， 上覆岩层发生初 次来压，此时 1孔处煤柱受到了剧烈挤压，使其渗 透率出现明显的下降.而后随着工作面的进一步推 进，1孔处煤柱的渗透率基本保持平衡.最终 1孔处 煤层的渗透率是原始渗透率的 0.95 倍，见图 2（a）. 渗流速度比例系数 渗流速度比例系数 （a）1孔气体渗流速率变化 （b）3孔气体渗流速率变化 图 2 不同推进距 1、3孔气体渗流速率变化 Fig.2 gas flow rate of the 1 and 3 hole with working face impelling distance 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8 第 5 期 张少龙，等开采不同厚度上保护层对下伏煤层卸压瓦斯渗流特性的影响 589 3孔位于距保护层切眼 14 m 下方， 距被保护层 14 m.当工作面推进 14 m 的时候，恰好到达 3孔上 方，此时在工作面处形成了对下伏煤岩体的应力集 中，使得 3孔处的煤层被压实，从而能使得 3孔处 煤层的渗透性在原来的基础上有所下降.直到工作 面推进到 16 m 时，煤层上覆岩层直接顶垮落，从 图 2b中可以看出，其渗透速度比例系数出现了快 速的增长，说明在此时 3孔所处被保护煤层发生了 卸压，在此过程中，3孔处的煤层完全卸压，其渗 透率达到最大值. 当工作面推进至 28 m 时，上覆岩层发生了初 次来压，上覆岩层的垮落给原本处于卸压的 3孔处 的煤层施加了外力使其压实，致使 3孔处的煤层渗 透率出现下降，随着工作面的继续推进，3孔处煤 层的渗透率逐渐恢复， 直至平衡为止.最终 3孔处煤 层的渗透率是原始渗透率的 1.16 倍，见图 2（b）. 2.2 采高为 4 m 时的实验分析 1孔位于保护煤柱上方，工作面推进时其上覆岩 层在此处形成了应力集中现象.切眼形成后， 1孔处受 到扰动，并出现了微小的卸压，致使此处煤层的渗透 性相应提高，当工作面推进 4 m 时，由于直接顶仍未 垮落，原本应由采出煤层所承担的上覆岩层的重量， 有一部分被 1孔处煤柱所承担， 致使 1孔处的煤柱被 压实，使其渗透率下降.当工作面推进到 12 m 时，直 接顶出现垮落， 上覆岩层给 1孔处施加的压力有所减 缓， 从而使得 1孔处的煤层由原来的高压状态转变为 压力释放状态， 故煤柱渗透率有微小升高.当工作面推 进至24 m 时，上覆岩层发生初次来压，此时 1孔处 煤柱受到了剧烈挤压， 使其渗透率出现明显下降.随着 工作面的进一步推进，1孔处煤柱的渗透率基本保持 平衡.最终 1孔处煤层的渗透率是原始渗透率的 0.96 倍，见图 3（a）. （a）1孔气体渗流速率曲线 （b）3孔气体渗流速率曲线 图 3 不同推进距 1、3孔气体渗流速率曲线 Fig.3 gas flow rate of the 1 and 3 hole with working face impelling distance 3孔位于距保护层切眼 14 m 下方， 距被保护层 14 m.当工作面推进 14 m 的时候， 恰好到达 3上方， 此时在工作面处形成了对下伏煤岩体的应力集中， 使得 3孔处的煤层被压实， 从而能使得 3孔处煤层 的渗透性在原来的基础上有所下降.而当工作面继 续向前推进过程中，3孔处煤层受应力集中的影响 逐渐减弱，以至卸压，故其渗透性开始出现上升阶 段，直到工作面推进到 16 m 时，煤层上覆岩层直 接顶垮落，从图 3（b）中可以看出，其渗透速度比 例系数出现了快速的增长，说明在此时 3孔处的被 保护煤层发生了卸压.而后工作面由 16 m 继续推进 至 20 m 过程中，其渗透率的上升趋势逐渐变缓， 说明在此过程中，3孔处的煤层完全卸压，其渗透 率达到最大值. 当工作面推进至 24 m 时，开采层上覆岩层 发生了初次来压， 上覆岩层的垮落给原本处于卸 压的 3孔处的煤层施加了外力使其压实，导致 3孔处的煤层渗透率出现下降，而当工作面推进 至 28 m 时，其渗透率达到最小.随着工作面的继 续推进，3孔处煤层的渗透率逐渐恢复，直至平 衡为止.最终 3孔处煤层的渗透率是原始渗透率 的 1.18 倍. 3 下伏煤体沿走向渗透率变化规律 通过对实验数据整理并拟合曲线发现，当上保 护层开采完毕后，被保护层沿走向方向其渗透率变 化情况见图 4，其变化曲线呈马鞍形. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 32 卷 590 （a）3 m 采高测试孔渗流特征 （b）4 m 采高测试孔渗流特征 图 4 3 m、4 m 采高各测试孔渗流特征 Fig.4 3 m and 4 m mining height the permeability characteristics of protected coal seam on per-hole 从图 4（a） 、图 4（b）中可以看出，当开采过 程结束，岩层运动趋于稳定后，位于两端保护煤柱 处下方的煤体，其渗透率较原始渗透率相比有所下 降，实验中被保护层与保护层之间的采高由 3 m 到 4 m，从图中可以看出两端煤柱处下方的渗透率随 着煤层采高的变大而变小.这是由于煤层采高越大， 煤柱所承担的上覆岩层的重力越大. 当开采过程完成，岩层运动稳定后，位于采空 区中部的测试孔处的渗透率较其两侧测试孔处的 渗透率有所下降， 但仍大于原始赋存状态的渗透率. 这是由于该测试孔位于采空区的压实区域，此区域 承担了一部分上覆岩层的重力，从而使其渗透率有 所下降，但由于开采保护层的原因，被保护层上覆 岩层已发生卸压效应，故岩层运动稳定后，其渗透 率仍然大于原始赋存时的渗透率.位于其两侧的测 试孔，处于采空区裂隙区范围内，上部岩层的重力 并没有完全传递至此，故其渗透率不断变大，直至 稳定. 4 结 论 通过物理相似模拟实验，研究开采不同采高上 保护层对下伏煤层卸压瓦斯渗透性的变化规律，得 到以下结论 （1）通过对实验数据整理并拟合曲线发现， 当上保护层开采完毕后，被保护层沿走向方向其渗 透率变化曲线呈马鞍形. （2）在对比上保护层 3 m 和 4 m 采高时发现 下伏煤层在采动平衡后，采高越大，其相对于原始 煤层的瓦斯渗透率增高就越明显；并且采高越大， 对于下伏煤层的影响范围也越大. （3）采高不断增大的过程中，工作面开采完 毕，岩层运动稳定后，工作面前方煤柱处下方的煤 层渗透率小于原始煤层的渗透率，这是由于超前支 撑压力的存在所导致的.工作面后方位于保护煤柱 下方的煤层与其前方位于保护煤柱下方的煤层，其 渗透率均随采高的逐渐变大而变小. 参考文献 [1] 石必明,刘泽功.保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟[J].煤炭学报, 2010,14595-599. 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