煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究.pdf

第 3 8卷第 7期 2 0 1 3年 7月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A C OAL S O CI E T Y Vo 1 ． 38 J u l y No ． 7 2 01 3 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 3 0 7 1 1 0 1 0 8 煤 与瓦斯 共采 中 煤层增透 率理论 与模型研究 谢 和平 ， 高 峰 ， 周宏 伟 ， 程 红梅 ， 周福宝 1 ． 四川大学 ， 四川 成都6 1 0 0 6 5 ； 2 ． 中国矿业大学 深部岩土力学与地 下工程 国家重点实验室 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6； 3 ． 中国矿业 大学 北京 煤炭 资源与安 全开采 国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 4 ． 中国矿业大学 安全工程学 院， 江苏 徐州2 2 1 l 1 6 摘要 地 下开采 中瓦斯抽采 的针对性与有效性是煤与瓦斯共采的关键 问题 ， 其核心是在理论和技 术上对采动引起的裂隙网络所形成的增透性进行定义和分析。在综合考虑煤体在不同开采方式形 成的支承压力、 孔隙压力和瓦斯吸附膨胀耦合作 用对损伤裂隙煤体体积改变的影响的基础上， 定义 了一个新力学量增透率， 来反映单位体积改变下煤体渗透率的变化， 推导了4种增透率的理论 表达式 ， 并对工程 实例进行数值分析 ， 定量描述 了开采过程 中覆岩和煤层 中增透率的分布和演化， 结果表 明增透率能够反映开采扰动对煤岩体裂隙网络渗透性的影响， 为煤与 瓦斯共采工程 中的煤 层增透效果评价提供定量指标和科学方法。 关键词 煤与 瓦斯共采 ； 增透率 ； 渗透性 ； 支承压力 ； 体积应变 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 ； T D 3 1 3 文献标志码 A On t h e o r e t i c a l a n d m o d e l i ng a pp r o a c h t o mi n i ng e n ha n c e d p e r m e a b i l i t y f o r s i mul t a ne o u s e x pl o i t a t i o n o f c o a l a n d g a s XI E He pi ng ， GA0 F e n g ， ZHOU Ho n g ． we i ， CHENG Ho n g ． me i ， ZHOU F u b a o 1 ． S i c h u a n U n i v e r s it y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h in a； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o m e c h a n i c s a n d De e p U n d e r g r o u n d E n g in e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y D ，Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a； 3 ． S t a t e K e y Lab o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 4 ． F a c u l t y of S a f e ty E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a Ab s t r a c t Th e p e r t i n e n c e a n d e f f e c t i v e ne s s o f g a s p u mp i n g f o r u n d e r g r o u n d c o a l mi n i n g i s a n i mp o rta n t i s s ue f o r s i re u l t a ne o u s e x p l o i t a t i o n o f c o a l a n d g a s ． I t s c o r e i s t h e d e fin i t i o n a n d a n a l y s i s o f mi n i ng e nh a nc e d p e r me a b i l i t y o f mi n - i n g ． i n d u c e d fra c t u r e n e t wo r k fro m t h e v i e w p o i n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ． I n t h i s p a p e r ， c o n s i d e rin g t h e v o l u me t r i c c ha ng e o f d a ma g e c o a l wi t h c r a c k s i n d uc e d b y c o u p l i n g o f t he a b u t me n t p r e s s u r e u n d e r d i f f e r e n t mi n i n g c o n d i t i o n s ， p o r e p r e s s u r e， e x p a n s i o n c a u s e d b y g a s a d s o r p t i o n， t h e me c h a n i c a l d e f i n i t i o n o f a n e w wo r d o f mi n i n g - e n h a n c e d p e r me a bi l i t y wa s o b t a i n e d． Th e wo r d me a ns t h e c h a n g e i n p e r me a b i l i t y b y v o l u me t ric c h a n g e o f c o a l a n d f o u r ki n ds o f t h e o r e t i c a l mo d e l s we r e d e r i v e d ． Th e n a n e ng i n e e r i ng e x a mp l e wa s s t ud i e d b a s e d o n t h e n u me ric a l c a l c u l a t i o n o f t he rai n i n g e n h a n c e d p e r me a b i l i t y i n t h e o v e r b u r d e n r o c k a nd c o a l s e a m． Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e mi n i n g e n h a nc e d pe r me a b i l i t y i s a b l e t o r e pr e s e n t t he q u a n t i t a t i v e i n flu e n c e o n pe rm e a b i l i t y o f c o a l c a us e d b y t h e e v o l u t i o n o f t h e c r a c ks ， a n d c a n b e t h e s c i e n t i fic me t h o d a nd s t r o n g s u p p o r t for q ua n t i t a t i v e e v a l ua t i o n o f e f f e c t o n p e r me a b i l i t y o f c o a 1 ． Ke y wo r ds s i mu l t a n e o u s e x pl o i t a t i o n o f c o a l a n d g a s ； mi n i n g e n h a n c e d p e r me a b i l i t y； p e r me a bi l i t y； a bu t me n t pr e s s u r e； v o l U me t ric s t r a i n 我国煤层 5 0 ％以上为高瓦斯煤层， 高突矿井占 全国矿井总数的4 4 ％， 国有重点煤矿中该比例更高， 达 7 2 ％。由于我国经济高速发展对能源的迫切需 求， 促使我国煤炭持续进行大规模高强度开采， 煤矿 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 6 2 1 责任编辑 毕永华 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 1 ； 国家自然科学基金资助项 目 5 1 1 3 4 0 1 8 作者简介 谢和平 1 9 5 6 一 ， 男 ， 湖南双峰人 ， 中国工程院院士。E ma i l x i e h p S C H ． e d u ． e l l 煤 炭 学 报 2 0 1 3 年 第3 8 卷 灾害特别是瓦斯灾害事故频发 ， 严重威胁煤矿的安全 生产和高效生产 。 对煤矿而言， 瓦斯既是煤矿灾害的祸首， 同时又 是一种不可再生的清洁能源 ， 实现煤与瓦斯共采 ， 是 瓦斯灾害治理和资源利用的根本途径 。但我 国煤层 普遍具有瓦斯压力高、 含量大 、 渗透率低 、 吸附性强的 特点 ， 瓦斯抽 采难度极大。因此对煤层进行 人工增 透 ， 增大煤层的透气性成为实现煤与瓦斯共采的有效 途径 。 瓦斯在煤层中的流动规律是煤矿瓦斯抽采理论 的重要课题， 为此， 众多学者分别对煤岩体的裂隙发 育特征 、 瓦斯流动规律进行了深入研究 ， 取得 了大量 的研究成果。Mc K e e等开展了应力 与煤体孔隙度和 渗透率间的关系研究 ； E n e v e r 和 H e n n in g 得到煤体 有效应力与渗透率间的影响规律 ； S o m e r to n 等得到 加载方式 、 硬 度 和破 碎程 度 对烟 煤 渗 透 特性 的影 响 j 。孙培德通过变化 围压与孔 隙压 力的作用 ， 进 行含瓦斯煤体的三轴压缩试验 ， 系统地研究了含瓦斯 煤体在变形过程中渗透率的变化规律 。李祥春等 在考虑煤骨架吸附变形特性的条件下， 从孔隙率基本 定义出发 ， 在理论上给出了渗透率和膨胀变形之间的 关系 J 。汪 有刚等 将渗 流力 学与 弹塑性 力学 相结 合， 考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用， 建立 了煤层瓦斯运移的数学模型_ 9 ； 程国明等引入等效 弹性模量和有效应力系数描述损伤和孔隙压力对顶 煤渗透特性 的影响， 建立 了综采顶煤 的渗透率模 型【 l o 3 ； C o n n e l l 等利用多孔介质线弹性本构关系， 根 据孔隙率和体积应变的关系及孔隙率与渗透率的关 系建立了三轴应力作用下煤体渗透率演化模型 ； G u 等考虑裂隙的各向异性变形， 建立了裂隙煤体各 向异性渗透率演化模 型 。P a n等基 于煤体各向异 性吸附膨胀变形理论， 建立了煤体各向异性渗透率演 化模型 1 。Y u a n等利用流固耦合局部劣化方法 ， 根 据全应力～ 应变过程中不同阶段 的变形 机制 ， 建立 了 非均质煤岩体全应力一 应变过程的渗透率演化模 型 1 4 ] 。Ma l e k i 等根据考虑裂纹特征的细观损伤变量 与渗透率的关系和细观损伤变量与宏观损伤变量的 关系， 建立了与损伤发展相关的渗透率演化模型 。 可见 ， 目前工作大多集中在煤 的渗透属性 、 瓦斯 运移基本规律的研究， 并未考虑煤炭开采过程中支承 压力变化和水平应力卸载效应导致的煤体变形破裂 以及复杂裂隙网络对煤层渗透性的影响， 因而无法描 述不同开采方式下煤体渗透率的变化规律。而开采 导致的高密度、 高联通度的采动裂隙， 使煤层的渗透 率发生了根本性改变 ， 目前还没有合适的理论来定量 描述这种增透机制和增透效果 ， 更没有评价方法和体 系来指导煤与瓦斯共采。笔者针对煤体在支承压力 变化和水平应力卸荷作用下产生的高度破裂 ， 即根本 上改变煤体的渗透性， 以体积改变量为切入点， 提出 以增透率作为新力学量来反映煤体的增透效果 ， 为煤 与瓦斯共采提供理论指导和定量评价依据。 1 增透率定义及概念模型 由于开采扰动， 深部地下煤岩体的原岩应力平衡 状态被打破 ， 煤体所受的应力大小和应力状态都在发 生连续改变 图 1 。图 1中 为上覆岩层平均容 重 ， H为煤层采深 。 a 放顶煤开采条件下工作面前方煤体应力环境 b 无煤柱开采条件下工作面前方煤体应 力环境 c 保护层开采条件下工作面前方煤体应力环境 图 1 目前煤矿3种典型开采方式下煤体支承压力的变化 F i g ． 1 Di s t r i b u t i o n o f a b u t me n t p r e s s u r e u n d e r v a r i o u s mi n i n g l a y o u t s [ ] 在支承压力作用和释放的过程中， 煤体结构也从 原始完整状态向裂隙发育、 裂隙扩展到煤体开裂直至 破碎发生着连续变化， 正是这些采动导致的损伤裂 隙 第 7期 谢和平等 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究 与破碎， 使煤体的渗透性发生了根本改变， 也使瓦斯 有效抽采成为可能。 渗透率综合体现了材料结构孔隙的容量以及连 通性程度 ， 煤体 渗透率 的变化与其 体积改变密切 相 关 ， 也与煤体损伤密切相关， 我们可以运用损伤裂隙 体力学方法来进行分析。 考虑损伤裂隙煤体的一个代表性体积单元 ， 内部 包含足够多的煤基质颗粒和孔隙。单元体外边界受 总应力为 ， 单元体 内孔隙瓦斯压力为 单元体 内煤颗粒表面受到吸附膨胀应力 o r 。 6 其受力情况 如图2所示。可以将该受 力情况看成图 3中 3种载 荷情况的叠加 。 f a 第1 种载荷 图2 含瓦斯煤代表性体积单元的受力情况 Fi g ． 2 S t r e s s s t a t e o f r e pr e s e n t a t i v e v o l ume t r i c e l e me n t o f c o a l c o nt a i ni ng g a s p b 第2 种载荷 c 第3 种载荷 图 3 代 表性 体积单兀的 3种载荷情况 F i g ． 3 T h r e e l o a d c a s e s o f r e p r e s e n t a t i v e v o l u me t r i c e l e me n t 在第 1种载荷作用下 ， 由弹性损伤裂隙体本构关 施作用下煤体 中形成的采动裂 隙对煤层透气性 的影 系可以得到损伤裂隙单元体的应变为 响。笔者认为考虑煤体体积改变对煤体渗透率的贡 ￡ C 删 D o zk 一 1 献更能反映煤层的增透效果。定义增透率 为煤体 式中， C删 D 为损伤裂隙煤体 的有效柔度张量 ， 为损 单位体积改变下渗透率的改变量或单位损伤改变下 伤变量 D的函数。 渗透率的改变量 第 2种载荷相 当于对煤体 固体骨架作用均匀 的 静水压力 p， 并使之产生均匀应变。可以表示为 s c D 2 式中， C D 为损伤裂隙煤 固体颗粒 的弹性柔度张 量。 第 3种载荷下损伤裂隙单元体的应变为 3 l一 D or s8 E ／ ．／． 5- O s ors d j L 式 中， C D 为损伤裂隙体有效吸附模量。 含瓦斯煤体的体积应变可以表示为 d k或 d k 5 或 其中， k 为煤体的渗透率； s 为损伤裂隙煤体的体积 应变。增透率重点在于描述采动影响下煤体破裂所 产生的增透效果 ， 可实现对煤层增透措施 的效果和效 率的定量评价。 3 2 基于不同渗流模型的增透率解析表述 占 C 蒯 D o t k S j l [ c f D 一C f D ] p 8 f c s D or s 4 该体积应变包含煤体骨架变形、 孑 L 隙扩展和瓦斯 吸附膨胀 3 个部分。目前人们通常把煤体瓦斯渗透 率作为煤体的基本介质属性来研究， 但在煤与瓦斯共 采工程中， 人们更关心的是开采影响下或人工增透措 为了得到增透率的理论表达式， 笔者根据定义运 用损伤裂隙体力学在现有的渗透率模型上进行推导， 得出了基于4种渗透率定义的增透率计算公式。 2 ． 1 基于达西定律的增透率模型 基于 D a r c y 定律可知煤体渗透率 引 为 Q 。 P 。 Q 。 P 。 ⋯ F 式中， 为动力黏度系数； Q 。 为p 。 是 1 个大气压时的 煤 炭 学 报 2 0 1 3 年第3 8 卷 流量 ； 为变形后固体长度 ； 4为横截 面面积 ； p ， 为进 气压力； p 为出气压力 ； V为变形后固体体积。 由于 1 v 0 ， L 1 s 。 ， 其 中 ， 分 别为初始固体体积和长度 ， 为渗 流方 向的固体 线 应变。则渗透率为 Q o P 0 1 L P P i 1 v 0 假设深部煤体处于静水压力状态， 则渗透率可改 写为 ， 、 2 一2 Q op o 了E V 2 2 1 x Q o P o L 。 3 “ p P 1g v V o 9 p P ； 1 。 由式 5 得增透率为 d k 一 Q o P o L o 3 d 9 A o p P 1 2 ． 2基于平板流体理论的增透率模型 2 ． 3 基 于 多孔介质 流体 理论 的增 透率 模型 根据 K o z e n y C a r m a n方程 ， 渗透率 ‘ 。 可写为 1 6C 1 n S f 一 1 式中 ， c为系数 ； n为孔隙率 ； S为单位体积煤体的表 面 积 。 因煤体孔 隙率 的改变与损伤裂 隙煤体 固体 结构 的体积变形有关 ， 因此 n n o 一 e v ，其 中， n O 为初始孔 隙率。根据式 1 6 可知 ， 其渗透率可表示为 C 1 1 n 1 ／ 一 S 8 设煤层初始渗透率为 ⋯ ’ 式 中 ， 。为初始渗透率 “ 对于煤 体 内含 有 的 m 个 裂 缝 来 说 ， 如其 长 度 和 截面积分别为 ￡和 ， 当压差为 卸 时， 可由 P o i s e u l l e 方程求出流量 Q 。 为 1 0 根据达西定律可知 Q a k 1 1 由式 1 0 和式 1 1 ， 可求得含有的 m个裂缝煤 体的渗透率为 mb 3 1 mb l Lb 2 f 1 2 根据煤体变形 ， 并考虑到深部煤岩体近似处于静 水压力状态 ， 则渗透率可写为 m 6 。 ， 1 E V b o2／ [ 1 2 1 V o l 1 3 式中， l o b 。 为初始裂隙截面积 ； 为初始裂隙长度 ； V o 为煤岩体初始体积。 由于煤岩体内初始裂隙体积为 m b 。 L 。 ， 其 初始裂隙度可定义为 V f 0 ，则渗透率可写为 9 6 1 4 ■ 一 1 斗 2 l 1 ， 由式 5 得增透率为 1 5 、 ／ ～ l d E 1 4 5 8 1 。 S vn l ＼ n ／ 由定义得增透率为 警 一 一 可 可 2 ． 4 基于毛细管流体理论的增透率模型 设 a 。 为单元初始宽度 ， r 。 为单元 中毛细管初始 半径， L 为毛细管长度。其初始体积 为 0 0 一盯 r 2 1 则受力变形后体积 a2 L 一 r L a 2 L 一1 T r 1 。 L 其中， 为径向应变 ， 由变形后 的单元体积为 a 2 L a2 c 1 可得 n o 2 叮 『 r [ 1 一1 ] r 20 2 s 略去高阶小量得 s ， 2 4 由 H a g e n P o i s e u i l l e流动方程可以得到 Q 2 5 另 由 D a r e y流动方程可知 Q 警 结合式 2 5 和 2 6 可以求得渗透率为 2 6 第 7期 谢和平等 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究 7 d k 2 , r r r 0 02 4 a 3 a Zo e 一2 r r r ’ ⋯-- - -- -- -- -- - -- -- -- - -- -- -- -- - -- -- -- -- - - -- - - -- - -- -- -- -- - -- -- -- - -- -- -- -- - -- -- -- -- - -- -- -- - -- -- -- -- - -- -- -- -- - 一 de 1 28w r 0 4血 1 2 8 3 采动影响下煤层增透 率的数值模 拟分析 为了获得煤与瓦斯共采过程中煤岩体增透率的 分布和演化 ， 笔者开发 了相应计算程 序进行实 例分 析。考虑到开挖形成采动裂隙 、 导致煤岩体增透的实 际情况， 笔者认为多孔介质渗流模型更为合适， 因此 采用式 2 0 的增透率公式进行计算分析 。 3 ． 1 模型概况 设定某矿一工作面煤层倾向长度 1 2 0 m， 走 向长 度 1 2 4 0 m， 煤层距地表 7 0 5 m， 煤层厚 5 m， 两侧各 留 宽 4 m巷道。计算模拟工作 面回采 1 5 0 m， 分 5步， 每步开挖 3 0 m。图 4为煤层开挖步 的顶部 剖视 图， 煤岩体物理力学参数见表 1 。 盂 菩 图4 煤层开挖步的顶部剖视图 Fi g ． 4 To p v i e w o f t h e e x c a v a t i o n s t e p s wh e n mi n i ng c oa l 3 ． 2 计算结果及分析 图5 ， 6 分别为工作面推进过程中上覆岩层和煤 表 1 煤岩体物理力学参数 Ta bl e 1 Phys i c al an d m e c h a ni c a l pa r a m e t e r s o f c oa l a nd r o c ks g ‘靛 工作面位置／ m a 工作面推进 3 0m时 乓 靛 赛 工作面位置／ m b 工作面推进 9 0m时 工作面位置／ m c 工作面推进 1 5 0m时 图5 沿工作面走向上覆岩层增透率动态演化过程 单位 1 0 m F i g ． 5 E v o l u t i o n o f m i n i n g ． e n h a n c e d p e r m e a b i l i t y o f o v e r b u r d e n r o c k a l 0 n g s t r i k e u n i t 1 0 m 煤 炭 学 报 2 0 1 3 年第3 8 卷 工作面位置， m a 工作面推进 3 0 m 时 一 7 O 1 5 O l 5 5 1 6 O 1 6 5 l 7 0 1 7 5 1 8 O 1 8 5 1 9 O l 9 5 2 0 0 2 0 5 21 0 工作面位置／ m b 工作面推进 9 0 m 时 21 0 21 5 2 2 0 2 2 5 2 3 0 2 3 5 2 40 2 4 5 2 5 0 2 5 5 2 6 0 2 6 5 2 7 0 工作面位置／ m c 工作面推进 1 5 0 n l 时 图6 工作面前方煤体增透率动态演化过程 单位 1 0 m F i g ． 6 Ev o l u t i o n o f mi n i n g - e n h a n c e d p e r me a b i l i t y i n t h e f r o n t o f mi n i n g f a c e u n i t 1 0 m 层中增透率分布演化。图中将标高- 6 3 5 m设定为模 型的上边界 ， 将该处纵 坐标值设为 0 ， 因此本计算模 型的纵坐标为相对开采深度。 3 ． 2 ． 1 工作面上覆岩层增透率分布 从图 5可知， 随着工作面不 断向前推进 ， 工作面 上覆岩层的采动裂 隙场不断发育 、 扩展 ， 成 为瓦斯流 动的主要 通 道 ， 上 覆岩 层 增 透率 最 大值 约 为 3 6 1 0 m ， 影响范围由初期 的“ 拱形 ” 向“ 碗 形” 发展 ， 覆岩垂直方向影响深度约达 5 0 m。 3 ． 2 ． 2 工作面推进方 向煤层的增透率分布 随着工作面推进 ， 工作面前方将形成支承压力集 中区， 在高应力作用下 ， 前方煤体将形成采动裂隙场。 图6给出了工作面分别推进到 3 0， 9 0和 1 5 0 m 时， 工作面推进方向煤体增透率分布及演化特征， 受 开采 扰 动 ， 工 作 面前方 煤 体 增透 率 最 大值 达 3 0 1 0 i n ， 影响深 度从 图 6 a 的 4 in 左右增 大到 图 6 c 的 3 5 in左右。 原煤的渗透率 或透气性 与采深、 煤的种类、 微 结构、 成藏环境等相关， 一般通过采样和实验分析得 到其数值， 但没有反映强烈的开采扰动对煤层渗透率 的影响， 因此在图7中工作面前方煤体沿走向的渗透 率分布基本为一常数 。而图 7中增透率 的变化恰 当 地反映了开采扰动对煤体透气性的本质影响， 并给出 了定量描述。 3 ． 3 物理模拟实验验证 基于淮南潘一矿煤 田地质背景 ， 进行了相似模拟 距 工 作 曲距 离／ m 图7 工作面前方煤体沿走向增透率和渗透率分布 F i g ． 7 E v o l u t i o n o f mi n i n g e n h a n c e d p e rm e a b i l i t y a n d p e r me a b i l i t y i n t h e f r o n t o f mi n i n g f a c e a l o n g s t r i k e 实验 ， 同时基于瓦斯渗透耦合试验 ， 得到了潘一矿 采场整体的变形 分布图与渗透率分布图。因此可以 进一步得到不 同开挖进度下 工作面前方体积应 变分 布 图8 a 与渗透率分布 图 8 b 。从图 8 a 中 可以看出工作面前方 0～ 2 0 in存在一个明显的体积 膨胀区间， 其范围基本保持不变， 而大于2 0 m的区间 随着开挖进度的扩大， 膨胀范围也对应着扩大， 但 由 于相似模拟试验尺寸限制， 开挖进度越大， 其工作面 前方可监测点数量越少， 如当开挖 2 1 5 m时， 膨胀范 围已大于 4 0 In。从 图 8 b 可以看 出在 工作 面前方 5 0 m区间内， 渗透率越靠近工作面越大， 而且开挖进 度越大其渗透率增幅越大， 由于试验室基于室内煤气 耦合渗透试验， 因此设置了最大渗透率值， 但从斜率 可以看出， 这部分区域的增透效果最好。对比3 ． 1 节 第 7期 谢和平等 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究 图 8 工作面前方煤体体积应变、 渗透率、 增透率分布 F i g ． 8 Di s t r i b u t i o n o f v o l u me t r i c s t r a i n ， p e r me a b i l i t y a n d mi n i n g - e n h a n c e d p e r me a b i l i t y o f c o a l i n t h e f r o n t o f mi n i n g f a c e 中理论分析结果 ， 其增透范 围基本一致 ， 随着开采的 不断推进增透强度与范围也逐渐增大。 图8 c 给出了工作面前方煤体增透率分布， 可 见 ， 工作面前方 2 0 m范围内增透效果最好 ， 工作面前 方大于 2 0 IT I 范围增透率基本趋于稳定 ， 呈波浪状起 伏。工作面前方 2 0 n l 范围内 ， 渗透率增加 2～ 3个数 量级 ， 而增透率在此区间增加 3～ 4个数量级 ， 可见增 透率较好反映了采矿工程实际 的渗透特征及 渗透率 的增透区间的变化 ， 同时初步验证了理论模型的合理 性 。 传统的煤层渗透率一般作为煤体渗流基本属性 的一个常数来进 行来分析研究 ， 而事实上 开采过程 中， 支承压力和采动卸压导致的煤体开裂 、 破碎 ， 形成 采动裂隙， 实现煤体增透， 从而使煤层的渗透率发生 了本质上 的改变 ， 即由材料属性 到结构特征 的演化。 笔者建立的增透率理论和模型能够对采动裂隙网络 的空间分布形成的渗透性进行定量评判研究， 克服过 去工程上从未对增透效果进行定量评价的缺陷， 可以 为瓦斯抽采钻孔的布置提供理论与技术支持。 4 结 论 1 推导建立了基于 4种渗流模型 的增透率理 论表达式 ， 即基于达西定律的增透率模型 、 基于平板 流体理论的增透率模型、 基于多孔介质流体理论的增 透率模型与基于毛细管流体理论的增透率模型。 2 渗透率一直作为煤岩体的一个常数来进行 分析研究 ， 而实际上采动引起的增透率应该是一个变 化的参数且大几个量级。笔者提出的增透率理论与 模型可 以对采动裂隙网络引起的渗透率变化进行定 量分析计算 ， 且与工程实际具有较好 的一致性 。 3 利用笔者提 出的增透率理论 与模 型能定量 推导和计算工作面前方煤岩体随时间和空 间变化的 增透率图谱 ， 由此可科学地设计布置瓦斯抽采钻孔 的 位置， 使煤与瓦斯共采真正具有科学性、 针对性和有 效性。 参考文献 [ 1 ] 胡国忠 ， 王宏 图 ， 范 晓刚 ， 等． 低渗 透突 出煤的瓦 斯渗流规 律研 究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 9， 2 8 1 2 2 5 2 7 - 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i n g ， 2 0 0 9 ， 2 8 S 1 3 2 3 4 3 2 3 8 ． [ 4 ] Mc K e e C R， B u m b A C， K o e n i g R A ． S t r e s s ， d e p e n d e