振江煤礦盤下保護層開采增透效果分析

摘 要：以振江煤礦保護層開采為工程實例，通過開采盤下煤層，對瓦斯煤層進行卸壓增透，根據滲透率與應力函數關系式，將應力轉換成滲透率，利用UDEC軟件模擬保護層開采過程中上覆煤巖滲透率變化情況。結果表明：煤巖體的滲透率隨著工作面推進不斷增強，卸壓效果越好，滲透率越大。

關鍵詞：保護層；數值模擬；煤巖透氣性

引言

瓦斯煤層開采過程中是嚴重的自然災害之一，是煤礦井下發生的一種復雜的有煤、巖和瓦斯參與的動力現象。它與很多因素有關，其中煤巖體透氣性就是主要因素之一。研究結果表明，在保護層開采過程中，煤巖體的透氣性會發生變化。在由巖石卸壓角所圈定的卸壓帶內，地層應力降低，垂直煤層方向呈現膨脹變形，在煤層和巖層內，不但產生新裂縫，原有裂縫也張開擴大，使得煤層透氣性提高數十倍到數百倍，由于保護層與被保護層之間巖層卸壓后發生垂直層面的膨脹變形，使得平行層面的部分巖層發生收縮變形，導致原巖裂隙溝通，為解析瓦斯向采空區流動提供通道。因此，準確掌握煤巖體透氣性的變化情況對解決瓦斯突出問題具有十分重要的意義。

1 有效應力與滲透率關系

Enever等通過對澳大利亞煤層滲透率與應力關系的研究發現，煤層滲透率隨有效應力增大而減小，與有效應力成指數關系變化，如式（1）（1.1）：

k=k0e3cΔσ （1.1）

式中，k-定應力條件下的滲透率；k0-為原始滲透率；C-為煤巖體的孔隙壓縮系數；Δσ-為從初始到某一應力狀態下的有效應力變化量。

上式表明，有效應力越高，滲透率越低。這主要是由于地應力增大，煤被壓縮，其中孔隙變得更小，裂隙更為緊閉的結果。隨著流體壓力降低，有效應力增大，從而導致孔隙度降低，滲透率也隨之降低。

2 煤巖體透氣性數值模擬

2.1 3101工作面概況

南一區3101工作面頂板管理方法為似膏體充填采空區，開采方式為傾斜長壁后退式仰斜開采，工作面長127m，采高1.811m。本層與盤層間距為8～12m，盤下層埋深-197～-297m。

地表平均標高為+155.8m。煤巖賦存如圖2.1所示。

圖1 綜合柱狀圖

2.2 數值模擬

依據3101工作面的地質條件，建立數值計算模型（圖2.2）。模型長度150m，高度30m。模型采用的約束邊界條件是在模型的底界和左右邊界采用零位移邊界條件，具體處理如下：左右邊界取u=0，v不等于0（u為水平位移，v為垂直位移），即單約束邊界；下部邊界：u=v=0，為全約束邊界；上部邊界：不約束，為自由邊界，上部邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上。模擬采深443m，本層煤平均煤厚為2.9m，兩層煤的層間距17.5m，以盤下煤層等效采高0.31m推進來進行模擬，模型上邊界施加其上覆巖層的自重應力，為12MPa。巖性力學參數如表1所示。本模擬主要研究下保護層3101工作面開采后，上覆煤巖的應力分布，然后根據式1.1計算滲透率分布，并以此分析下保護層開采的增透效果。

圖2.2 力學模型

通過數值計算分析了本層煤（12煤層）滲透率分布隨工作面推進的變化情況，如圖2.3，2.4所示。

圖2.3 煤層滲透率變化曲線

圖2.4 煤層滲透率變化曲線

隨著工作面的推進，采空區范圍的不斷擴大，破壞了原有的應力平衡狀態，使得圍巖應力重新分布，相應的滲透率也發生了變化。本層煤滲透率隨著工作面的推進，逐漸增大，并且在工作面前方和開切眼處滲透率最大。本層煤原始滲透率為3.012×10-4μm2，當工作面推進30m時，最大滲透率為9.357×10-4μm2，當工作面推進60m時，最大滲透率為11.13×10-4μm2，比原始滲透率擴大了3.7倍。根據達西定律可知，滲透率與瓦斯流量成正比關系，也就是說，瓦斯滲流量同樣增加了3.7倍。煤巖體的透氣性隨著工作面推進不斷增強；卸壓效果越好，滲透率越大。

3 結束語

3.1 以振江煤礦下保護層開采為例， 通過開采盤下煤層（13煤層），對存在瓦斯的本層煤進行卸壓，進而增加本層煤的透氣性。

3.2 利用UDEC數值模擬，根據滲透率與應力函數關系式，將應力轉換成滲透率，得出了煤巖體滲透率變化情況，當工作面的推進到60m時，滲透率最大，比原始滲透率增加了3.7倍。

3.3 通過開采保護層對存在煤與瓦斯突出問題的煤層進行卸壓， 增大瓦斯滲流量，從而改變煤巖體的透氣性來解決煤與瓦斯突出問題。

參考文獻

[1]煤礦安全規程2011版

[2]煤礦開采學

[3]煤礦總工程師手冊

作者簡介：姓名：李國輝 （出生：1971-3-14），性別：男，民族：漢，籍貫：遼寧省阜新市人，職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：采礦