回采工作面煤体渗透率与应力分布规律数值模拟研究

宋晓燕,谢中朋

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070)

地层中岩层和煤体都处在地应力场的作用之下。在矿井瓦斯动力学研究过程中，地应力对煤与岩石的渗透率起着决定性的作用，而渗透率对研究瓦斯的赋存、压力分布、解吸抽放及运移规律等具有重要的意义。

1 岩体应力分布数学模型

1.1 岩体应力求解方法

目前进行岩体应力分析的主要方法采用有限元法，有限元法是随着电子计算机的应用而发展起来的一种有效的数值计算方法，有限元的实质是把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。

ANSYS是美国ANSYS软件公司开发的大型通用有限元计算软件，具有强大的求解器和前、后处理功能，在求解过程中只需设定初始及边界条件其余事情则由计算机自动处理，这样就为我们提供了一个优良的工作环境，使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对煤岩体应力进行模拟分析。

1.2 岩体应力定解条件

设煤层底板固定不动即受到纵横向约束，煤层顶板所受垂直压力为岩体自重力(采用岩体应力测定仪进行测定)，煤体暴露面不受约束。

载荷的选取通过下面的计算来确定：假设老顶以上各岩层平均密度为2.4t/耐，老顶所在深度为-600m，则上表面均布压力q=600×2.4×103×9.8=14.112(MPa)，这里忽略了地表载荷和动载荷，实际情况是允许的。表1给出了计算选取的岩层性质参数。计算采用8节点六面体元，整个模型共包括5469个单元，11972个节点[2],[3]。

表1 岩体及煤层参数表

2 工作面前方应力分布模拟结果

图1 工作面等效应力分布

图2 工作面Y向应力分布

3 地应力作用对渗透率的影响

国内外的实验研究表明，煤体承受机械载荷时，渗透率下降很大，当载荷增大到一定程度后，再继续增大载荷时渗透率的下降很小，基本保持稳定[4]。在0～4MPa到15～40MPa的压力区间内渗透率与压力的关系可用下面的经验公式表示：

k=k0e-bσ

(1)

式中：

k——承压煤样的渗透率，md；

k0——未承压煤样的渗透率，md；

b——经验系数，1/MPa；

σ——施加到煤样上的压力，MPa。

因此，在工作面前方卸压带内，由于地应力显着下降，将使得煤体透气性较原始透气性大幅度上升[5]。在集中应力带内，由于地应力较高，煤体的透气性将有所减小[6]。

根据B.B.霍多特的研究结果，我们把从煤壁到工作面前方煤层内垂直应力增大为原岩应力gH处的距离称为卸压带宽度，可由下式计算：

(2)

式中：

l——工作面前方卸压带宽度，m；

S——煤层暴露断面的面积，m2；

g——上覆岩层的容重，t/m3；

H——煤层开采深度，m；

其余符号同前。

卸压带内煤体中的垂直应力为：

(3)

所以，卸压带内煤体的透气性系数可由下式确定[7]：

λ=λ*e-βbσ

(4)

式中：

λ——卸压带内煤体中垂直应力为s 处的透气性系数，m2/(MPa2·d)；

λ*——工作面煤壁处的透气性系数，m2/(MPa2·d)；

βb——工作面前方卸压带内透气性增长系数，1/MPa。

回采工作面前方煤层应力与渗透率分布如图3示。

图3 回采工作面前方煤层支承应力与渗透率分布模拟图

4 模拟结果分析

1)煤矿井下采矿作业破坏了原始地层中的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采掘空间形成的较短时间内，首先在采掘空间界面附近形成较高的集中应力(又称支承压力)，当集中应力值达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部转移，经过一定时间后，形成卸压区(应力松弛区)，应力集中区和原始应力区，如图1、图2、图3所示，在这三个区中，煤体所受应力和变形性质各有差异。

2) 通过模拟结果可知，工作面拐角附近形成应力集中，由于煤层强度低于所受集中应力，沿煤壁法线方向依次形成泄压区、应力集中区和原始应力区，在泄压区煤层透气性系数最大，在应力集中透气性系数最小，在原始应力区以后透气性系数趋于稳定，如图3所示。

5 结论

由于塑性区和卸压区中的煤体经受了峰值应力的作用，超过了煤体的最大承载能力，顺这一区域内的煤体通常只能承担一部分集中应力，而大多数情况下，紧靠采掘空间的卸压区中的煤体甚至连集中应力区以外，一般的原岩应力也担负不了，而只能担负低于原岩应力的部分，在含瓦斯煤体中，极限状态区煤体中的应力状态，瓦斯量大小，尤其是卸压区的长短及其承载能力，对煤和瓦斯突出有很大影响，实践表明：倘若在采掘工作面前方始终存在一定宽度的卸压区，则不会发生煤与瓦斯突出现象；否则，就容易发生煤和瓦斯突出现象。

[1] 刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2] 谢中朋.煤矿瓦斯流动理论与反问题研究[D].北京:中国矿业大学,2004.

[3] 谢中朋.煤层瓦斯流动参数反演研究[C]//煤矿重大灾害防治战略研究与进展.徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[4] 申宝宏，刘见中等.我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J].煤炭学报，2010,32(7):673-679.

[5] 冯增朝.低渗透煤层瓦斯强化抽采理论及应用[M].北京:科学出版社,2008.

[6] 吴海进.高瓦斯低透气性煤层卸压增透理论与技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[7] 何伟钢，唐书恒，谢晓东.地应力对煤层渗透性的影响[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2011, 19(4): 353-355.