新维矿区围岩瓦斯渗透率演化规律研究
时间：2022-01-14 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
新维矿区围岩瓦斯渗透率演化规律研究
瓦斯灾害是煤矿五大灾害之一，又是赋存在煤炭中的清洁能源，如何高效、清洁地抽采瓦斯成为煤炭行业的重点及难点。川煤集团芙蓉公司所辖矿井均属高瓦斯矿井，瓦斯含量高、地质构造多、抽采难度大是其瓦斯主要赋存特征，本文旨在如何利用开采技术、改进开采方式，提高煤层的渗透系数，从而有利于赋存瓦斯的排放与抽采。
1 工作面应力分布对煤岩体瓦斯影响
由于受到采动影响，在工作面的向前推进过程中，采场的应力呈现规律性重新分布，在原岩应力区，瓦斯渗透率处于初始应力状态；在弹性变形区，应力出现集中，裂隙开始闭合，瓦斯渗透率出现下降；在塑性变形区，应力开始下降，煤体出现扩容，闭合的裂隙逐渐张开，瓦斯渗透率也稳步上升；在破裂区，应力急剧下降，裂隙出现贯通，瓦斯的渗透系数也急剧攀升至极值。
现场测定和试验研究表明，对煤层的渗透系数变化起主要作用的是支承压力，在工作面前方，应力集中点处的渗透率是极低的，而在工作面附近，应力得到极度释放，裂隙的发育与贯通到了非常成熟的水平，其渗透率也会明显增大，瓦斯的涌出量随之上升，即“卸压增流效应”，为瓦斯抽放位置的布置和人工的导向提供了合理的依据，也为高效煤与瓦斯共采打下了基础。
对于现场采场前方的应力测定，由于现场的不确定性因素太多而且地质构造的不可预见性，导致测定的不准确系数偏大，目前主要是采用现场观测、相似模拟和数值模拟方法。现场实测耗时耗资巨大，仪器的不稳定性以及操作的人为因素会带来数据上的偏差，而相似模拟过于形象化，对有限元以及边界元方法来说，其只能针对煤岩体破坏之前的状态进行模拟分析，要求其处于连续介质的条件下，如果应力达到一定值后出现了位移，那么煤岩体就会出现裂隙的贯通而裂开，这种情况下的模拟假设就不能成立。离散单元法刚好相反，其模拟的原理是假设介质是不连续的，每个单元体有各自的受力和位移，当某个单元体的位移达到一定程度时，会脱离开来，而煤岩体恰恰是一种为众多节理裂隙等弱面或不连续面所切割的地质体，可以看成是不连续的介质。综上所述，对受支撑压力影响而形成众多不连续煤体的工作面前方，采用离散单元法进行数值计算是合适的。
2 煤岩体瓦斯渗透力学机制
为了方便计算和模拟煤岩体的裂隙发育程度，将现实中的各项异性随机分布的裂隙假设为等间距、平行、等长、等宽的裂隙组。假定裂隙开度为b，裂隙间距为s，并同时假定裂隙面内和基岩内的渗流都满足达西定律，即：
式中：qm、qf——基岩和裂隙面内的渗流速度，m/s；
J——沿裂隙面方向的水力坡度；
km、kf——基岩和裂隙的渗透系数，m/s。
由流量叠加原理可导出岩体沿裂隙面的渗透系数K0为：
式中：b——裂隙开度，m；
s——裂隙间距，m。
一般情况下，介质岩体的的渗透系数km很小，为裂隙孔隙等渗透系数的几十甚至几百分之一，所以可以忽略不计。此时式(3)可简化为：
上式为裂隙的等效渗透系数，Levine(1996)得出的经验公式为：
式中：W——裂隙缝宽，m；
K——绝对渗透率，μm-3。
可以给出一组平行裂隙的等效渗透系数为：
式中：β——连通系数，即裂隙内连通面积与裂隙和基质岩体的总面积之比；
v——平均流速，m/s；
c——裂隙面相对粗糙系数。
当煤岩体所受的应力发生变化时，裂隙受力发生改变，裂隙宽度b发生变化，则修正之后的渗透系数K为：
式中：Δb——应力变化导致的裂隙宽度变化量，m。
三向应力作用下的渗透系数Ks为：
(8)
式中：K0——围岩应力变化前的渗透系数，m/s；
Kn——法向刚度，Pa/m；
E——弹性模量，N/m2；
Δσ2、Δσ3、Δσ1——垂向、水平横向、水平纵向的应力增量(取张应力为正)，MPa。
从式(1)～式(8)可以看出，围岩渗透系数与其应力状态及应力变化量有关，且随着垂直于裂隙的张应力的增加而增加。
3 煤岩体渗透率分析
3.1 煤岩体应力与渗透率分布
在煤炭开采过程中，随工作面采动，地应力随之发生变化，煤岩体受力改变，导致煤岩体裂隙发生扩缩，进而对瓦斯渗透进行一个导向。因此研究煤岩体裂隙与应力之间的关系，是科学指导瓦斯抽采的核心与关键。
煤矿井下开采从力学的角度来说就是一个加卸载过程，不同的开采条件产生的加卸载效果是不同的。保护层开采的主要目的是利用保护层开采产生的卸压释放作用促使煤层应力状态、内部结构发生变化，进而使煤岩体微裂隙发育、发展与贯通，宏观上的断裂形成瓦斯流动通道，释放煤岩体地应力，降低煤岩体内的瓦斯压力，最终降低煤层开采过程中瓦斯灾害发生的风险。保护层开采后，煤岩体所处应力环境发生了周期性变化，其变化规律如图1和图2所示。
图1 覆岩应力分布示意图
图2 保护层覆岩应力分布示意图
由图1和图2可知，各阶段煤岩体内部结构的变化过程为：在原岩应力区，煤层赋存稳定，应力变化不大；在应力上升区，煤岩体受力增大，煤岩体产生弹塑性变形，出现裂隙；在应力卸载区，应力陡然降低，煤岩体裂隙突然发育；在原岩应力区，地应力逐渐恢复到稳定值，煤岩体裂隙也随之趋于稳定。被保护层应力及渗透率分布如图3所示。
3.2 煤岩体不同状态下的渗透率演化规律
3.2.1 原岩应力区煤岩体渗透演化规律分析
在原岩应力区，应力处于一个稳定状态，煤岩体裂隙及渗透率也不会出现变化波动。
图3 被保护层应力及渗透率分布示意图
3.2.2 弹性变形区煤岩体渗透演化规律分析
在煤矿开采过程中，采动煤体均历经加载卸载过程，卸荷后，渗透率按照如图4所示路径演化，试样中的裂隙、孔隙未发生变化，也未出现新的裂隙，煤体仅仅发生可逆的弹性变形，属于弹性渗透率模型。
弹性变形区的渗透率k1和有效体积应力为负指数关系。即：
k1=ak0e-bσ(9)
式中：k0——初始渗透率，mD；
a，b——材料参数；
σ——有效应力，MPa。
图4 弹性模型下渗透率k1与有效应力的关系
3.2.3 塑性变形区煤岩体渗透演化规律分析
当应力超过煤岩体的屈服极限，煤岩体发生破坏，煤岩体产生永久性不可逆的裂隙，使煤岩体裂隙迅速发育。
煤体裂隙发生塑性损伤后，煤体(包括基质和裂隙)在卸载过程中应力应变仍处于弹性范畴，但是塑性损伤，使煤体渗透率同比损失了一部分。引入一个渗透率损伤因子Dk对渗透率进行修正。即：
kD=DkkL(10)
式中：kD, kL——相同应力卸载和加载时的煤体渗透率，mD。
卸荷后，渗透率按照图5所示路径演化，卸荷过程的渗透率小于加载过程的渗透率，表明试件发生损伤，裂隙、孔隙或裂隙宽度发生了改变，煤体发生了弹塑性变化，属于塑性渗透率模型。
图5 塑性模型下渗透率k2与有效应力的关系
3.2.4 破坏变形区煤岩体渗透演化规律分析
应力继续增大，达到煤岩体破坏极限，煤岩体极度发育，可以将现阶段的煤岩体破坏分为弹性变形、塑性变形、破坏变形，则煤体破裂后渗透率k3可以描述为：
k3=kD+kr(11)
式中：kr——煤岩体破裂后新增裂隙产生的煤体渗透率。
由于煤体产生大量的新生裂隙，裂隙的体积和连通性等空间分布特征发生重大改变，流体的渗透通道发生显著改变。因此卸载围压过程中煤体渗透率的描述关键在于对煤体裂隙空间特征(体积和连通性等)的描述。在此基础上建立卸载煤岩体渗透率变化描述方程。
卸荷后，渗透率按照图6所示路径演化，卸荷到一定程度后渗透率大于加载过程的渗透率，渗透率出现突变，可建立裂隙渗透率模型。
图6 破裂模型下渗透率k3与有效应力的关系
4 新维煤矿8104风巷围岩渗透率演化规律
4.1 新维煤矿8104风巷建模
新维煤矿为川煤集团芙蓉公司下属煤矿，8104工作面所采煤层为8#煤层，位于新场井一盘区东翼+420～+508 m，走向长120 m，倾斜长430 m，回采面积51600 m2，工作面工业储量264192 t,可采储量(按采高3.2 m计算)为235296 t。埋深548 m，最小埋深492 m，8104工作面瓦斯涌出量5.37 m3/min。煤层顶底板情况如表1所示。
表1 煤层顶底板情况表
顶底板名称岩石类别厚度/m硬度ƒ岩性老顶细粉砂岩>106～8灰色泥质砂岩、砂岩直接顶粗粉砂岩10.406～8灰色泥质砂岩、砂岩直接底泥岩1.951～3深灰色泥岩老底细粉砂岩>54～6细粉砂岩与粘土岩互层
根据8104风巷的顶底板情况，建立60 m×60 m×40 m的数值模拟模型，风巷埋深按照500 m计算，对模型顶部施加10 MPa的垂向应力，模型x和y水平方向分别施加13 MPa的水平应力，并对模型的底部以及四周进行位移矢量固定。给模型赋值见表2。
表2 模型岩层参数赋值表
体积模量/MPa剪切模量/MPa内摩擦角/(°)内聚力/MPa抗拉强度/MPa密度/kg·m-3上三角42773156462.711.892735细粉砂岩40052883431.821.692277粗粉砂岩41553067451.791.802498煤层1350710401.571.221325泥岩35302260421.831.541909细粉砂岩40052883431.821.692277下三角42773156462.711.892735
4.2 新维煤矿8104风巷围岩渗透率演化规律
针对新维煤矿8104风巷的地质资料，查阅相关文献，得到风巷的初始渗透率为1.07 mD，取围岩渗透率的经验公式：
k=4.52k0e-0.109σ(12)
带入渗透率演化曲线得到新维煤矿8104风巷渗透率演化公式为：
式中：k0——原岩应力区渗透系数；
k1——弹性变形区渗透系数；
k2——塑性变形区渗透系数；
k3——破坏变形区渗透系数。
新维煤矿8104风巷渗透率演化曲线如图7所示。
图7 新维煤矿8104风巷渗透率演化曲线
将渗透率演化曲线公式利用fish语言带入FLAC3D进行计算，得出8104风巷掘进15 m、25 m、45 m时围岩渗透率变化值，如图8所示。
图8 8104风巷在不同掘进距离条件下的k值分布云图
由图8可知，随着8104风巷掘进，渗透率值在围岩中的变化情况不大，最大值皆为3.51 mD，皆出现在顶底板内1.6 m左右范围内。
由此得出结论：煤岩体的瓦斯渗透系数不随巷道掘进变化而变化，渗透率数值和分布范围相对顶底板较为固定。针对新维煤矿8104风巷渗透率分析模拟来看，其渗透系数最大值为3.51 mD，大于3 mD，满足瓦斯自主解析要求。
5 结论
(1)按照应力分区，得出不同应力状态下渗透率随有效应力变化的演化曲线。
(2)煤岩体的瓦斯渗透系数不随巷道掘进变化而变化，渗透率数值和分布范围相对顶底板较为固定。
(3)新维煤矿8104风巷渗透率分析模拟来看，其渗透系数最大值为3.51 mD，大于3 mD，满足瓦斯自主解析要求。
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