孤岛工作面瓦斯渗透规律与排放宽度研究

赵志华

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司 ，山西 高平 048400）

0 引 言

孤岛工作面回采期间，覆岩活动剧烈，矿压显现复杂，出现明显的应力集中现象，容易发生煤与瓦斯突出[1]。众多学者认为煤与瓦斯突出主要是瓦斯、煤的力学性质和地应力三者综合作用的结果，如何快速、准确地测定突出的相关预测指标，是高突矿井孤岛工作面急需解决的问题[2-4]。现场实践表明，工作面回采期间，其周围煤体透气性增强，瓦斯大量排出，在回采巷道两帮和掘进面会形成卸压区，煤与瓦斯突出危险性预测工作，主要是对工作面前方一定范围的瓦斯压力和应力状况进行检测，根据卸压区域宽度，以此来判断卸压带能否阻止煤与瓦斯突出的发生[5-7]。本文以伯方煤矿3205孤岛工作面为研究对象，分析工作面回采期间煤层渗透性变化特征，并采用理论分析和现场观测手段确定工作面瓦斯排放宽度，研究成果可为类似矿井起到指导作用。

1 地质与开采条件

伯方煤矿3205工作面井下位于二盘区左翼，两侧的3207工作面和3203工作面均已完成开采，属于典型的典型的孤岛工作面。工作面长度157m，推进长度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高综放开采工艺。工作面主采煤层3#煤层，煤层厚度4.82～5.46m；煤层结构简单，煤层倾角 2～6°，煤体平均抗压强度11.4MPa；煤层层理、节理为中等发育。工作面直接顶为粉砂岩，厚度约3.51m，抗压强度15.44MPa；基本顶为中砂岩，厚度4.55m，抗压强度32.33MPa；直接底为砂质泥岩，厚度1.64m，抗压强度15.43MPa；基本底为粉砂岩，厚度4.27m，抗压强度42.55MPa。工作面瓦斯压力变化范围在0.18～0.57MPa之间，瓦斯含量变化范围在1.0128～3.0225m3/t之间。

2 孤岛工作面渗透率分布特征

2.1 数值模型建立

采用COMSOL Multiphysics中的固体力学和PDE自定义模块，建立的几何模型和边界条件，如图1所示，图中数字表示模型的开挖顺序。

图1 模型几何模型及边界条件

其中煤层上部载荷为负重岩层重力，顶板上覆岩层深度为5～50m，岩层平均密度为2600kg/m3。模型左右边界分别为固定边界和对称边界，工作面四周为不透气边界，右边界在开挖后为压力值是大气压的恒压边界。模型中所采用的参数见表1。

表1 模型参数

2.2 模拟结果分析

图2为3205孤岛工作面第1次和第2次开挖后应力分布特征。

由图2（a）可知，受开采扰动影响，煤岩层原始应力状态发生改变，在采掘空间随后的很短时间内，在采掘空间交界位置出现了一定的应力集中区域，致使该区域煤体产生破碎变形，应力集中区域向煤体后方转移，最后稳定后形成卸压区和应力集中区；其中卸压区宽度在3～4m之间，工作面前方的应力集中区的应力峰值离工作面的距离为8m左右。由图2（b）可知，第2次开挖后，工作面前方应力状态与第1次类似，在离回采面较近区域也是分为卸压区和应力集中区，应力场向煤体深部转移。

图2 3205孤岛工作面开挖后应力分布特征

图2 为3205孤岛工作面第1次开挖完成后工作面前方煤体压碎破坏产生的等效塑性应变和开挖过程中应力张量xy分量分布特征。

图2 工作面第1次开挖后塑性应变和应力张量分布特征

由图2（a）可知，孤岛工作面中塑性应变大小与离回采面距离呈反比，离采掘面越近，塑性应变越大；而相应的等效塑性应变值呈半弧形分布，且呈逐渐递减规律。由图2（b）可知，工作面受上区段采空区的侧向支承应力影响比下区段要大，且与工作面推进方向相比，两侧的支撑压力影响范围受工作面推进距离影响较小。

采掘面前方煤体渗透性分析结果如图3所示。

图3 工作面前方煤体应力、渗透性分区特点

由图3可知，工作面回采过程中前方煤体的渗透性分布特征可大致划分为渗透骤增、部分增加、降低明显以及原始渗透四个阶段，相应的可以分为四个区域：①渗透I区：卸压带煤体受采动应力影响后，煤体产生屈服破坏，所受应力载荷降低，裂隙发育，渗透性骤增；②渗透II区：在集中应力带，应力屈服区部分煤体产生屈服损伤，带来裂隙扩展发育，致使煤体渗透性比原始煤体渗透性相比有部分增长；③渗透Ⅲ区：应力集中带后方，由于集中应力的存在，致使煤体的裂隙率及孔隙率大大降低，相应地其渗透性也降低明显；④IV区：渗透离采掘面较远的原始煤体区域，煤体应力和渗透性均未发生变化。

3 孤岛工作面瓦斯排放宽度的确定

3.1 理论分析

瓦斯从巷道周围煤层开始向巷道内涌出时，随着时间的增长，其巷道两帮瓦斯压力呈逐渐减小的规律。巷道两帮绝对瓦斯压力的关系可采用公式（1）进行表示。

式中：b为常数，r为距煤壁的距离，m；t为瓦斯流动时间，d；P、P1、P0分别为巷道两帮绝对瓦斯压力、煤层原始瓦斯压力、巷道大气压力，MPa。

瓦斯从煤壁向巷道涌出时，随着煤体内的瓦斯不断解吸出来，在瓦斯压力梯度作用下向巷道内流动，煤体总的瓦斯含量为瓦斯涌出量与相应的残余瓦斯量之和，可用公式（2）表示。

将上式进一步简化，可得到：

式中：L为卸压瓦斯排放带宽度，m；x为所分析煤体沿巷道方向的长度，m；r为煤体内某点距煤壁的距离，m；a为瓦斯含量系数；B1、B2为常数；m 为煤层厚度，m。

联立公式（1）、（3），并对结果进行积分可得：

将公式（4）代入（3）有：

从公式（5）可知，只有当r为无穷时，巷道两帮绝对瓦斯压力才可能达到原始煤层瓦斯压力，但考虑到在r=L处的瓦斯压力与煤层的原始瓦斯压力相差很小，所以可以（，其中 A为定系数，大小接近于1，将该式代入公式（5）并进一步简化，可得到卸压瓦斯排放宽度L的计算表达式：

公式（6）中 B1、B2取值与巷道的宽度、煤层的瓦斯含量等参数有关，可以根据实际测出的瓦斯涌出数据进行线性回归之后求得。当以上参数及巷道的大气压力、瓦斯含量系数、原始煤层瓦斯压力确定后，即可求出L随时间t的变化规律。

对于本文的研究对象工作面，现场测试煤层瓦斯含量与压力确定的有关参数的取值如下：P1平均为0.45MPa，P0为 0.1MPa，瓦斯含量系数为 17.8MPa0.5，A可取0.95，B1为5.6，B2为0.70，瓦斯排放时间取180d，则理论计算得到的瓦斯排放宽度L=27.4m。

3.2 沿空瓦斯排放宽度现场观测

图4 煤巷不同暴露时间下，不同深度的瓦斯含量

为考察孤岛工作面煤巷的极限排放宽度，在工作面机巷和风巷内，暴露时间分别为10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d位置，沿垂直工作面走向分别施工30m深度的钻孔，并在6m到30m范围内每隔2m取一次煤样，进行瓦斯含量的测定工作，测定结果如图4所示。

由图4可知，排放带宽度随煤巷暴露时间增加而增大，当暴露时间增加到某种程度后趋近于某一具体值。究其原因：在煤巷初始暴露时，由于煤层破坏区内的瞬间形成瓦斯压力梯度，致使瓦斯迅速开始解吸。随着时间的增加，产生应力增高区，且随着应力增高区前移，排放带宽度增加迅速;煤体上覆岩层压力重新稳定后，排放带宽度增加变缓，直至进入原岩应力区后，在很小的瓦斯压力梯度下排放带宽度缓慢增长，直至瓦斯压力梯度为0时达到煤巷极限排放带宽度。

当煤巷暴露时间为l0d时，瓦斯排放宽度大约8m；暴露时间为30d时，瓦斯排放宽度大约10m；暴露时间为60d时，瓦斯排放宽度大约12m；暴露时间为90d时；瓦斯排放宽度大约16m；暴露时间为120d时，瓦斯排放宽度大约为18m；暴露时间为150d时，瓦斯排放宽度大约为22m；暴露时间为180d时，瓦斯排放宽度大约为26m，这与煤巷暴露180d时理论计算得到的煤巷瓦斯排放宽度27.4m大致相等。

4 结 论

1）3205孤岛工作面回采期间，随工作面向前推进，应力集中区域不断向煤体深部转移，卸压区宽度在3～4m之间，工作面前方的应力集中区的应力峰值离工作面的距离为8m左右；

2）在孤岛工作面回采期间，工作面塑性应变大小与离回采面距离呈反比，离采掘面越近，塑性应变越大；而相应的等效塑性应变值呈半弧形分布，且呈逐渐递减规律；

3）孤岛工作面回采过程中前方煤体渗透性分布大致可以划分为渗透骤增、部分增加、降低明显以及原始渗透四个阶段；

4）孤岛工作面瓦斯排放宽度随着煤巷暴露时间的增大而增大，当增加到某一阶段后逐渐趋于稳定，3205工作面煤巷暴露时间分别为10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d 时，瓦斯排放宽度分别为 8m，10m，12m，16m，18m，22m 和 26m，与理论计算结果误差较小。