本煤层超前卸压瓦斯渗流规律的影响因素研究

吴冬梅，赵 伟，侍大军，仇海生

（1.永城职业学院，河南 永城 476600；2.河南煤化集团 陈四楼煤矿，河南 永城 476600；3.兖州矿业集团 济宁二号煤矿，山东 济宁 272072；4.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；5.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；6.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

随着煤炭的采出，工作面的不断推进，工作面前方煤体的水平应力表现为卸载过程，在垂直方向上煤体依次经历了原岩应力阶段、超前支承压力加载阶段及超前支承压力峰值后的卸载阶段。原岩应力阶段，煤体渗透率较低，本煤层钻孔瓦斯抽采量极少。超前支承压力加载阶段，煤体中的孔隙裂隙被压密，渗透率进一步降低。超前支承压力峰值后的卸载阶段，煤体渗透率逐渐增大，尤其在卸载阶段后期，煤壁附近的煤体因水平应力降低而产生破坏，煤体渗透率可增加2～3个数量级，表现为“卸压增透”效应。目前，各国学者从不同角度对本煤层瓦斯渗流与煤体应力之间的相互作用规律进行了实验研究[1-9]，但相关实验未能够反映采动引起的煤体应力演化全过程，并未建立煤体应力与渗透率之间的函数关系。为此，针对工作面前方煤体应力的演化全过程设计了实验方案，开展超前卸压区煤体瓦斯渗流实验研究。在此基础上，建立超前卸压区瓦斯渗流数值计算模型，就工作面采高、采深对超前卸压瓦斯渗流规律的影响进行数值模拟研究。研究结果能够揭示工作面前方煤体应力与瓦斯渗流耦合规律，明确超前卸压瓦斯抽采技术的适用条件，为该技术的应用提供理论指导。

1 工作面煤体瓦斯渗流试验

试验采用流固耦合渗流试验机，试验装置原理如图1。

图1 试验装置原理图

为隔绝油路和气路，在煤样侧面涂上硅橡胶并用热缩管套住煤样。甲烷纯度为99.99%，由顶部注入。煤样取自新大地煤矿15#煤，试件长度0.1 m，直径0.05 m。

1.1 试验方案

为了获得工作面前方煤体加载-卸载条件下低渗透煤的固-气耦合渗流规律，制定如下试验方案：由于新大地煤矿15#煤埋深337 m，折算成垂直应力为8.35 m，工作面超前支承压力集中系数区按照1.8进行计算，应力峰值为15 MPa。因此，试验过程中，轴压卸载起始点为15 MPa，水平应力卸载的起点在这个试验中通过使用广义胡克定律进行计算。

式中：σx水平应力，Pa；μ 为泊松比；σz为垂直压力，Pa。

之前对煤样KY-1进行单轴压缩试验，结果给出了煤样KY-1的泊松比为0.28。当σz=15 MPa时，得到σx=5.83 MPa。因此，试验中水平应力卸载的起始点设置为5 MPa和6 MPa，假设水平应力和垂直应力同时减小。在试验中，水平应力以0.008 MPa/s的速度达到预置值（5、6 MPa），垂直应力以0.008 MPa/s的速度加载，达到预设值（15 MPa）；之后，垂直应力和水平应力同时卸载，直到煤样被破坏。在加载和卸载过程中，垂直应力的间隔为0.5 MPa记录试验数据。

1.2 试验结果分析

渗透率是进行固-气耦合渗流规律分析的重要参数，根据达西定律，试样的渗透率K可表示为：

式中：K 为渗透率，m2；Q 为瓦斯流量，m3/s；L 为煤样标距，m；η 为瓦斯动力黏度，10.9 μPa·s；A 为煤样横截面积，m2；p1为入口瓦斯压力，Pa；p2为出口瓦斯压力，0.1 MPa。

根据试验中的煤样参数及得到的瓦斯流量数据代入式（2），可得到煤岩加载阶段和卸载阶段渗透率-轴向应力关系曲线（图2）。

图2 渗透率-轴向应力关系曲线

煤体渗透率变化受煤体破坏变形影响显著。从图 2（a）可以看出，在固定围压（5、6 MPa）的轴压加载过程中，气体通道关闭，因此煤岩的渗透性逐渐减小，甲烷流速降低。由图2（b）可知，在轴压的初始卸载阶段，煤岩的缓慢体积膨胀，煤岩中压缩孔隙的逐渐恢复，因此煤岩渗透率略有增加。轴压的连续下降，加速了煤岩的膨胀。随着原生孔隙裂隙的扩大和新孔隙裂隙的发生，煤岩渗透性迅速增加。当垂直应力下降到在一定程度时，发生了突然的应力下降，在发生拉伸剪切破坏后的煤样中产生了宏观裂缝，导致煤样的渗透率急剧增加。

2 本煤层超前卸压瓦斯渗流规律的影响因素研究

2.1 几何模型及边界条件

根据新大地煤矿15201工作面岩层柱状，将硬岩层之间的软岩合并，建立几何结构模型（图3）。该计算模型高度为119.47 m，长度为160 m，工作面后方采空区长度为40 m，将模型上部217 m厚度岩层转换为均布载荷施加在模型顶界面上，顶部载荷为5.44 MPa。在流体计算方面，计算区域为15#煤层，煤层顶板、底板及左侧边界设置为压力入口，煤层右边界设置为压力出口；根据新大地煤矿15201工作面现场实测，初始瓦斯压力为0.6 MPa。根据前文渗流实验中得到的煤体渗透率与垂直应力之间的关系式确定计算区域的渗透率分布规律。由于胡克定律计算得到的水平应力更接近6 MPa，渗透率与垂直应力之间的函数关系由KY-3试验结果确定。

图3 几何模型

模型可通过改变煤层厚度、上部载荷来模拟工作面采高、采深对超前卸压区瓦斯渗流的影响规律，模型参数取值见表1。

表1 模型参数值

2.2 模拟方案

为了研究采高和采深对超前卸压瓦斯渗流的影响规律，采高设置为 2、4、6、8 m，采深设置为 137、237、337、437 m。15201工作面实际的采高和采深分别为6 m和337 m。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 工作面前方煤体应力变化规律

在方案条件下，不同采高、采深条件下工作面前方煤体垂直应力分布曲线如图4。从图4（a）、图4（b）可以看出，随着采高的增大，超前支承压力的影响范围在不断增加，但是工作面前方超前支承压力峰值在不断减小，且超前支承压力峰值在不断远离工作面。当采高由2 m增大至8 m时，超前支承压力峰值由18.6 MPa降低至14.0 MPa，峰值与工作面煤壁之间的距离由5 m增大至18 m。对于15201工作面而言，煤层采高每增加1 m，峰值与工作面煤壁之间的距离增大2.17 m，超前支承压力峰值降低0.7 MPa。

从图 4（c）、图 4（d）可以看出，随着采深的增大，超前支承压力峰值不断增大，峰值位置不断远离工作面煤壁。当采深由137 m增大至437 m时，超前支承压力峰值由6.3 MPa增大至19.4 MPa，峰值位置与工作面煤壁之间的距离由4 m增大至19 m。对15201工作面而言，煤层采深每增大100 m，峰值与工作面煤壁之间的距离增大5 m，超前支承压力峰值增大4.3 MPa。

综上所述，随着煤层采高的不断增大，工作面前方应力集中程度减小，但是应力集中的范围在不断增大。这是由于随着采高的增大，煤层开采对围岩扰动的范围增加，工作面前方煤岩体开始大范围承载，反而造成支承压力峰值降低。随着采深的增大，覆岩厚度不断增加，垂直应力峰值不断增大。在超前支承压力增大的同时，工作面前方煤体塑性区范围增大，峰值不断远离工作面煤壁。

2.3.2 作面前方瓦斯渗流变化特征

在各方案条件下，读取测线上各点渗透率、瓦斯压力和瓦斯渗流速度并进行后处理，可得到不同采高和采深条件下工作面前煤体渗透率、瓦斯压力和瓦斯渗流速度分布曲线（图5）。

从图5可以看出，在靠近工作面煤壁的过程中，煤体渗透率和瓦斯渗流速度由缓慢降低变化为急剧升高。随着采高、采深的增大，渗透率和瓦斯渗流速度激增点不断远离工作面煤壁。因此，上述现象说明了采深和采高越大，卸压增流区域大。因此，需要根据不同采高和采深合理设计本煤层瓦斯抽采参数，保证工作面超前卸压区瓦斯的有效抽采。

图4 不同采高、采深条件下工作面前方煤体垂直应力分布曲线

图5 工作面前方煤体渗透率和瓦斯渗流速度变化曲线

3 结论

1）针对工作面前方煤体应力的演化全过程设计了实验方案，开展超前卸压区煤体瓦斯渗流实验研究。实验结果表明，在围压下降到一定程度后，煤岩突然发生应力跌落，煤岩发生张剪破坏后产生宏观裂隙，煤岩渗透率发生突跳，瓦斯流量急剧增加；对实验数据进行拟合，得到了煤样加载阶段及卸载阶段渗透率与垂直应力的拟合函数。

2）根据新大地煤矿15201工作面的现场实际条件，建立了超前卸压区瓦斯渗流数值计算模型，就工作面采高、采深对超前卸压瓦斯渗流规律的影响进行数值模拟研究。模拟结果表明，一方面，随着采高、采深的增大，超前支承压力的影响范围不断增大，且超前支承压力峰值位置不断远离工作面煤壁，工作面前方的高渗透率区域不断增大；另一方面，超前支承压力峰值随采高的增大不断减小，但随采深的增大不断增大。