邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护范围

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矿井概况
本文研究区域为某矿 2 － 9 采区 － 50 ～ ± 0 m 区 K6 煤层为 段的急倾斜上保护层开采区域。 区域内， K4 煤 层 为 被 保 护 层， 上保 护 层， 两煤层的倾角为 81° 。
（ 8 ） 含瓦斯煤岩骨架的有效应力变化遵循修正 ［10 ］ Terzaghi 的 有效应力规律 。 （ 9 ） 在上保护层开采中， 被保护层的膨胀变形较 小， 其煤岩体可视为小变形范围内的变形介质 ； 且将 煤岩体 的 变 形 按 线 弹 性 变 形 来 处 理， 即遵守广义 ［7 ］ Hooke 定律 ： （ 5） σij = λδ ij e + 2 G εij 式中， σij 为应力张量； δ ij 为 Kronecker 函数； λ 为拉梅 2（ 1 + 常数； e 为体积变形； G 为剪切模量， 且 G = E /［ ， μ） ］ 其中 E 为弹性模量， μ 为泊松比； εij 为 应 变 张 量。 由以上假设， 可得第 i 层煤岩体的变形方程为 （ σ e ） ij， （ 6） j + F i + （ α i p i δ ij ） ， j = 0 j = 1、 2 ； α i 为等效孔隙压力系数； F i 为体积力。 式中， 2. 2 低渗透煤层的孔隙率及渗透率的动态变化模型 据已有研究成果 为 1 － 0 i 0i + ε Vi = 1 － （ 7） 1 + ε Vi 1 + ε Vi 其中， 0 i 为无荷载下煤的初始孔隙率； ε Vi 为煤的体积 i = 应变。同时， 低渗透煤层渗透率的动态变化式 为 p4 ） = k !4 （ 1 + 9. 356 7 × k g4 （ Θ4 ， － 7 － 0. 699 9 10 k !4 / p4 ） / 416 － 24 k 4 = 2. 1 × 10 －31 Θ2 Θ4 + 4 － 8. 36 × 10 ! － 16 1. 02 × 10 （ 8） － 17 k （ ， p ） = k （ 1 + 8. 173 9 × 10 × Θ g6 6 6 6 ! － 1. 284 5 k! / p6 ） / 365 6 － 24 k 6 = 7. 5 × 10 －32 Θ2 Θ6 + 6 － 3. 78 × 10 ! － 17 5. 4 × 10
［3 － 6 ］ 。 外学者关注的技术难题之一 保护层开采后， 会引起周围煤岩体的应力场发生
变化， 产生导气的微裂隙或裂纹网络， 使煤岩体透气
收稿日期： 2009 － 10 － 12 责任编辑： 毕永华 50621403 ） ； 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室访问学者基金资助项 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 50774106 ， “启航计划” 目； 中国矿业大学青年科研基金资助项目（ OA091221 ） ； 中国矿业大学青年教师 资助项目 作者简介： 胡国忠（ 1981 —） ， 男， 湖南衡阳人， 讲师。E － mail： gzhu@ cumt. edu. cn
［12 ］ ［1 气动态 耦合模型
该模型中的各符号变量规定： 各变量的下标中 i （ i = 6， 4， m） 表示研究矿井保护层开采区域的 K6 、 K4 煤层和中间岩层的参数变量。 2. 1 基本假设及规律 （ 1 ） 煤层被单相的瓦斯所饱和。 （ 2 ） K6 与 K4 煤层之间的岩层视为弱透气层。 （ 3 ） 煤层内的瓦斯视为理想气体， 其流动过程视 ， 为等温过程 则 ρ gi = β p i kg / m3 ； β 为瓦斯压缩因子。 （ 4 ） 煤层瓦斯含量遵循修正的 Langmuir 方程［9］ ρ gi i p i Ci = + C0i － pn （ 1） 式中， ρ g i 为第 i 煤层在瓦斯压力为 p i 时的瓦斯密度，
［6 － 9 ］ ， 用保护层开采的煤层瓦斯越流理论 建立上保护 层开采煤层瓦斯越流的固 － 气动态耦合模型， 获取保 ［7 ］
1 /2 分； γ i = （ 12 / d i ） （ D n p n b2 / πp i ） ， 其中 d i 为煤的平均 D n 为瓦斯扩散系数。 微粒直径， （ 5 ） 煤层瓦斯在裂隙内流动符合渗流规律 ， 即 v i = － （ k gi / μ g ） p i （ 3） v i 为煤层瓦斯渗流速度矢量； k gi 为煤层的有效 式中， 渗透率； μ g 为瓦斯动力黏度系数。 （ 6 ） 保护层与被保护层之间的弱透气层内瓦斯
护层开采后被保护层的瓦斯卸压规律 ； 基于保护层开 采保护范围的极限瓦斯压力判别准则 ， 划定上保护层 开采的保护范围。
仅发生垂直于煤层层面的一维渗流运动 。 （ 7 ） 由于多孔介质的气体渗流符合质量守恒定 ［9 ］ 用无穷小量分析法 可推导出煤层瓦斯渗流的 律， 连续性方程， 即 2 2 β k3 p4 － p6 c4 div（ ρ g4 v4 ） － =－ 2 μ g c4 c m t （ 4） 2 2 β k3 p4 － p6 c6 div（ ρ g6 v6 ） + =－ 2 μ g c6 c m t c i 为煤岩层厚度； k3 为弱透气层的渗透率。 式中，
要： 以某煤矿上保护层开采为工程实例 ， 基于保护层开采的煤层瓦斯越流理论， 通过引入低渗 透煤体渗透率与孔隙率的动态变化模型 ， 建立了低渗透煤岩与瓦斯固 － 气动态耦合的瓦斯越流模 摘 型； 针对上保护层开采的定解问题， 进行了上保护层开采煤层瓦斯越流模型的数值计算， 获取了保 护层开采后邻近被保护层瓦斯压力分布规律 ； 结合保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则 ， 划定了上保护层开采的卸压保护范围 。研究结果表明， 该方法所划定的理论保护范围与现场考察 结果基本一致， 且理论结果相对于现场考察结果偏于安全 。 关键词： 上保护层； 保护范围； 瓦斯越流； 固 － 气动态耦合 中图分类号： TD713. 31 文献标志码： A
第 35 卷第 10 期 2010 年 10 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 35 Oct．
No． 10 2010
文章编号： 0253 － 9993 （ 2010 ） 10 － 1654 － 06
邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护范围
1， 2 2 2 胡国忠 ， 王宏图 ， 范晓刚 （ 1. 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116 ； 2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室， 重庆 400030 ）
Abstract ： Took a coal mine exploiting upperprotective layer for an project example， a new method of locating the protection region for exploiting protective layer based on the discrimination criterion of ultimate gas pressure was brought forward． Based on the theory of methane gas leak flow for exploiting protective layer， the dynamic model of methane gas leak flow coupled lowpermeability solid and gas was founded by introducing the dynamic changing model of porosity and lowpermeability coal． Aimed at the solvability problem of exploiting steep upperprotective layer， the numerical calculation on the model of methane gas leak flow for exploiting protective layer were carried out， and the distribution law of gas pressure of adjacent protected layer after exploiting protective layer were obtained． Combined with the discrimination criterion of ultimate gas pressure of protection region for exploiting protective layer， the reliefpressure protection region of upperprotective layer were located． The investigation results show that the theoretical protection region for exploiting protective layer located by this method is consistent with the practical investigating results， and the theoretical results are safe in relative to the practical investigating results． Key words： upperprotective layer； protection region； gas leak flow ； coupled solid and gas dynamically 在煤矿深部开采中， 煤与瓦斯突出已成为威胁煤 ［1 － 2 ］ 。 开采保护层是首 矿安全生产的主要矿井灾害 选的区域性防突措施。 我国《防治煤与瓦斯突出规 ： “开采保护层后， 定》 规定 在被保护层中受到保护的 地区按无突出煤层进行采掘工作 ； 在未受到保护的地 ” 区， 必须采取防治突出措施。 因此， 合理划定保护层 开采保护范围是保证矿井安全开采的前提 ， 也是国内
The law of methane gas leak flow in adjacent layer and its reliefpressure protection region
2 HU Guozhong1， ， WANG Hongtu2 ， FAN Xiaogang2
（ 1. School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116 ， China； 2. Key Lab for Exploitation of China Southwestern Resources ＆ Environmental Disaster Control Engineering， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400030 ， China）
邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护范围系数较k4煤层小两个数量级其力学参数按照复合力学参数计算方法处理13平均厚度c数值计算方法为了获取该模型的数值解在文献9的基础上采用有限元方法并运用matlab偏微分方程组pde工具通过编程以实现煤岩体变形方程中的有效应力与煤层瓦斯越流方程中的透气性系数孔隙率的耦合计算
第 10 期
胡国忠等： 邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护范围
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系数增加； 在多煤层系统的煤层孔隙压力梯度驱动 下， 被保护层的瓦斯会越过保护层与被保护层之间的 该过程 弱透气岩层向保护层的采动空间迁移并涌出 ， 即为煤岩体与瓦斯固 － 气耦合作用下的保护层开采 瓦斯越 流 。 关 于 保 护 层 开 采 的 卸 压 瓦 斯 越 流 理 ［8 ］ 有学者 建立了邻近层卸压瓦斯越流的动力学 论， 模型， 但该模型忽略了煤岩变形与瓦斯越流的耦合作 ［6 － 7 ， 9 ］ 用； 另有学者 建立了双煤层煤岩弹性变形与瓦 斯越流的固 － 气耦合模型， 并将其应用于上保护层保 护范围的数值模拟。本文针对上保护层开采实例， 应