应力作用下的煤层瓦斯运移规律
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[ 8] [ 4- 7]
H 巷道高度 , m。 由此可以得到己 15 - 23190 回风巷 1 号和 2 号 探头间的单位面积煤壁瓦斯渗流量为 A 1 = 0 002 5 m / ( m in m ) 。 同理, 通过 1 号和 4号间的回风巷单位面积煤 壁瓦斯渗流量 A 2 = 0 002 97 m / ( m in m ) , 2 号 和 4 号间的回风巷单位面积煤壁瓦斯渗流量 A 3 = 0 003 08 m / ( m in m ) 。 可以得到己 15 - 23190 回风巷单位面积煤壁瓦 斯渗流量 A 3 > A 2 > A 1 = 0 002 5 m / ( m in m ) 。 以上数据证明了 2 号和 4号之间的煤壁瓦斯运移能 力大于 1 号和 2号之间的煤壁瓦斯运移能力。
100081;
3 . 中国矿业大学 ( 北京 ) 资源与安全工程学院 , 北京
摘
要 : 为了研究地应力对煤层瓦斯运移规律的影响, 采用巷道瓦斯浓度观测方法 , 对平顶山天安
五矿己 15 - 23190工作面回风巷的瓦斯浓度变化进行分析 。 结果发现: 受地应力影响 , 沿采场方向 分为卸压区 、应力集中区 、原始应力区和采场后面的应力恢复区 , 不同的应力区对应了不同的裂隙 发育状况, 这种差异导致了煤层瓦斯运移能力的区带性分布 , 在煤层的应力集中区 , 由于高应力的 挤压剪切作用, 产生大量新的节理和裂隙 , 同时有更多的裂隙被封闭 , 该区段瓦斯的运移能力反而 会降低 。 关键词 : 地应力 ; 煤层瓦斯; 瓦斯地质; 裂隙 中图分类号 : TD712 文献标志码: A
1, 2, 3 ,
4 探头编号
平 均 瓦 斯 体 积 分 数 分 别 为 0 369 % , 0 384 %, 0 458 % , 1 号、 2 号 探 头 相 距 40 m, 平 均风 量 1 400 m /m in , 由此可以通过式 ( 3) 可以计算单 位面积单位时间内煤壁瓦斯渗流量 A 为 A = Q (C 2 - C 1 ) 100 LH ( 3)
3 2 3 2 3 2 3 2
2009 年第 5 期
煤炭科学技术
采 , 同时对 14 号煤层运输巷预抽。
第 37 卷
其中 k c为采空区瓦斯涌出系数, 取 1 3 ; Q j为预测 标高掘进面绝对瓦斯涌出量, m /m in 。 在标高为 + 1 357 , + 1 312 , + 1 230 , + 1 010 m 时 矿 井 瓦 斯 涌 出 量 分 别 为 14 44 , 3 24 02 , 42 95 m /m in 。 2 2 对于预测结果的分析 由以上预测看出 , 矿井开采一采区一区段时 , 3 矿井瓦斯 涌出量 14 44 m /m in , 采面瓦 斯涌出量 7 33 m /m in , 每个掘进工作面为 1 89 m /m in 。需 不小于 30 % 的 瓦斯抽 采率。但在 + 1 230 m 标高 时 , 矿井 瓦斯 涌出 量 24 02 m /m in, 采 面 12 44 3 3 m /m in , 掘进工作面 3 02 m /m in 。需不小于 50 % 的抽采率。到第二采区时 , + 1 010 m 标高 ( 开采 最深标高 ) 矿井瓦斯涌 出量为 42 95 m /m in , 采 3 3 面为 22 96 m /m in, 掘 进工作面为 5 04 m /m in, 需要不小于 60 % 的抽采率。因此, 设计考虑一采 区的抽采率为 50 % , 二采区的抽采率为 60 %。
3 3 3 3 3
设计采用上述有针对性的分阶 段瓦斯抽放方 法 , 以使矿井在开采第一区段时, 瓦斯抽放率达到 30% 以上, 从第二区段开始 , 瓦斯抽放率可上升到 50% ~ 60 % , 以便有效解决矿井瓦斯抽放问题 , 避 免矿井瓦斯抽放的盲目性。
参考文献 :
[ 1] 阎瑞祥. 贵 州省 普定县 东光煤 矿煤炭 勘探 地质报 告 [ R ] . 贵阳 : 贵州省煤田地质局地质勘察研究院 , 2008 . [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] A Q 1027 - 2007 , 煤矿瓦斯抽放规范 [ S] . A Q 1018 - 2006 , 矿井瓦斯涌出量预测方法 [ S] . 焦作 矿业 学院 瓦斯 地质研 究室 . 瓦斯地 质概 论 [ M ] . 北 京 : 煤炭工业出版社 , 1990. 高存祝, 郁祥 军 . 浅析旗山 煤矿煤 层瓦斯 赋存 的地质 条件 [ J] . 煤炭科技 , 2001 ( 2 ) . [ 6] [ 7] 中华 人民 共和 国 原煤 炭工 业 部 . 防 治煤 与 瓦斯 突 出细 则 [M ]. 北京 : 煤炭工业出版社 , 1999 . 俞启香. 矿井瓦斯防治 [ M ] . 北京 : 中国矿业大学 出版社 , 1992 .
3
3 地应力对瓦斯运移能力的控制分析
根 据 岩 层 移 动 理 论 和 K egel 建 立 的 板 理 论 , 地应力场的不断变化得煤层应力区带连续 [ 3] 循环推进, 结合己 16 - 17顶底板岩层移动观测 , 工 作面前方 5~ 80 m 属于应力集中区 , 1 号和 2 号检 测探头位于该应力集中区 , 煤层受挤压作用, 煤层 大量裂隙受挤压 , 预成裂隙区以封闭裂隙为主导 , 煤层的透气性系数大幅度降低 , 然而 2号和 4号 之间的煤层位于原始应力区, 1 号和 2 号之间的煤 壁瓦斯透气性系数尚不及原始应力区煤层原始的透 气性系数大。根据上面的线性比例关系, 1 号与 2 号探头区段的 A 1要明显小于 1 号与 4 号区段上的 A 2, 更小于 2号与 4 号区段上的 A 3。 (下转第 46 页 ) 43
( 1)
侧向应力
为
x
=
1-
H
( 2)
1 巷道瓦斯浓度观测
1 1 测点布置 现场观测平顶山五矿己 15 - 23190 工作面回风
其中, 为泊松比。 [ 2] 大量科学测量数 据表明 , 地 表浅部侧向应 42
史小卫等 : 应力作用下的煤层瓦斯运移规律
2009 年第 5 期
巷选定的 4 个瓦斯浓度测定探头位置 , 实施瓦斯浓 度全程监测
2 瓦斯浓度结果分析
通过图 2 的数据显示可知, 3 号探头作为采面 推进的伴随探头 , 瓦斯浓度的随机变化比较大 , 不 宜作为参考浓度 , 余下的 3 个探头浓度变化总体上 反映出巷道里瓦斯流动以及瓦斯浓度分布规律 , 以 1 号探头浓度作为参考 , 比较 2 号、 4 号探头浓度 变化。通过图 2 可以计算到 1 号、 2 号、 4 号探头
x
[ 1]
力普遍大于竖直方向的自 重应力。岩 ( 煤 ) 层中 的地质构造是二者复合作用的结果。工作面逐步推 进 , 地应力不断重新分布 , 使上覆岩层的地应力不 断向四 周煤柱加载 , 产生应力集中 , 导致煤层的 上、下岩层产生强烈拉张剪切破坏, 上覆煤岩层下 沉弯曲、破裂、垮落或者下伏岩 ( 煤 ) 层的破裂、 上鼓, 煤岩层的大量裂隙张开或者产生大量新的裂 隙 , 有利于瓦斯解吸和放散, 产生煤层瓦斯运移能 力区域性差异。
瓦斯是一种特殊 的气体地质体 , 又是煤的 伴生体 , 煤层瓦斯的运移受地应力控制。无论在漫 长的地质年代里还是煤矿开采过程中 , 地应力场的 变化导致了地质构造的变迁, 控制了煤层瓦斯的赋 存状态和运移能力。地应力通常包括竖直方向的自 重应力和水平方向的侧向应力 , 自重应力 y 通常 表达为 其中, H y = 为岩体平均容重 ; H 为深度。
3. S ch ool of Re sources and Saf ety E ng ineering, Ch ina Un iversity of M in ing and T echnology (B eijing ), Be ijing
Abstrac t : In orde r to study the earth stress in fluenced to the coa l bed m ethane m igration law, the observ ation m ethod o f the m ine ro adw ay gas density was applied to analyze the g as density va riation o f F 15-23190 co alm in ing face in N o 5M ine of P ingd ingshan T ian an . The resu lts show ed tha tw ith the influence of the earth stress , the m ining b lo ck sha ll be d iv ided to a pressure re leased zone , stress concentra ted zone , orig inal stress zone and stress recovered zone beyond the m in ing block along the m in ing block d irection. T he d ifferent stress zone w ou ld be co rresponding to the d ifferent fractur ing g row th condition and the differentia lw ou ld cause the d istr ibution of the g as m ig ration ca pacity zone in the sea m. In the stress concentrated zone o f the seam, due to the h igh stress co m pressing and shearing role , there w ou ld be m any ne w jo ints and fractures occurred and mo re fractures w ould be sea led. T he re fo re the gas m ig ra tion capacity wou ld be reduced. K ey word s : earth stress ; coa l bed me thane ; gas geo logy ; fracture
第 37 卷第 5 期 2009 年 5月
煤炭科学技术
Coal Science and T echno logy
V ol 37 N o 5 M ay 2009
应力作用下的煤层瓦斯运移规律
史小卫 , 刘永茜 , 任玉春
(1 . 河南省煤层气开发利用有限公司 , 河南 郑州
1 2 3
450016; 2 . 北京理工大学 爆炸科学技术国家重点实验室 , 北京 100083)
3
图 1 探头布置示意
1 2 观测结果 连续观测 15 d 的瓦斯浓度结合通风资料 , 每 天选择了 06 : 00 : 00和 18 : 00 : 00 这 2 个时刻
图 2
4 个探头瓦斯浓度变化
式中 Q C 1, C 2 L
风量 , m /m in ; 1 号和 2 号探头处的瓦斯浓度, % ; 1 号和 2 号探头的距离 , m;
1
文章编号: 0253- 2336 ( 2009) 05- 0042- 02
2 3
M igration Law of Coa l B ed M ethane Under Role of Stress
SH I X iao-w e i, L IU Yong -q ian , REN Yu - chun
(1 . H enan P rov in cia l Coa l B ed M ethan e D evelopm en t and U ti lization C ompany L td. , Zh engzh ou 2 . S tate K ey Lab of B lasting S cience and Technology, B eijing In sti tu te of T echnology, B eijing 450016 , Ch ina; 100081, Ch ina; 100013 , China )
[ 3]
的瓦斯浓度, 计算出同一 时刻 4 个 探头的瓦斯浓 度 , 比较其差异, 即沿程绝对瓦斯涌出量的变化。 图 2a 和图 2b 反映每日 2 个时刻 4 个地点的瓦斯浓 度情况 , 图 2c 是 4 个探头瓦斯浓度全程变化情况。
。 1 号探头距离工作面 40 m; 2 号探
头距离 1 号探头 40 m; 3 号探头始终保持距离工作 面约 10 m, 并随采面推移连续检测工作面瓦斯浓 度变化 ; 4 号探头在回风巷外端, 距离回风口 15 m 处 , 距离 1 号探头约 200 m, 如图 1 所示。
H 巷道高度 , m。 由此可以得到己 15 - 23190 回风巷 1 号和 2 号 探头间的单位面积煤壁瓦斯渗流量为 A 1 = 0 002 5 m / ( m in m ) 。 同理, 通过 1 号和 4号间的回风巷单位面积煤 壁瓦斯渗流量 A 2 = 0 002 97 m / ( m in m ) , 2 号 和 4 号间的回风巷单位面积煤壁瓦斯渗流量 A 3 = 0 003 08 m / ( m in m ) 。 可以得到己 15 - 23190 回风巷单位面积煤壁瓦 斯渗流量 A 3 > A 2 > A 1 = 0 002 5 m / ( m in m ) 。 以上数据证明了 2 号和 4号之间的煤壁瓦斯运移能 力大于 1 号和 2号之间的煤壁瓦斯运移能力。
100081;
3 . 中国矿业大学 ( 北京 ) 资源与安全工程学院 , 北京
摘
要 : 为了研究地应力对煤层瓦斯运移规律的影响, 采用巷道瓦斯浓度观测方法 , 对平顶山天安
五矿己 15 - 23190工作面回风巷的瓦斯浓度变化进行分析 。 结果发现: 受地应力影响 , 沿采场方向 分为卸压区 、应力集中区 、原始应力区和采场后面的应力恢复区 , 不同的应力区对应了不同的裂隙 发育状况, 这种差异导致了煤层瓦斯运移能力的区带性分布 , 在煤层的应力集中区 , 由于高应力的 挤压剪切作用, 产生大量新的节理和裂隙 , 同时有更多的裂隙被封闭 , 该区段瓦斯的运移能力反而 会降低 。 关键词 : 地应力 ; 煤层瓦斯; 瓦斯地质; 裂隙 中图分类号 : TD712 文献标志码: A
1, 2, 3 ,
4 探头编号
平 均 瓦 斯 体 积 分 数 分 别 为 0 369 % , 0 384 %, 0 458 % , 1 号、 2 号 探 头 相 距 40 m, 平 均风 量 1 400 m /m in , 由此可以通过式 ( 3) 可以计算单 位面积单位时间内煤壁瓦斯渗流量 A 为 A = Q (C 2 - C 1 ) 100 LH ( 3)
3 2 3 2 3 2 3 2
2009 年第 5 期
煤炭科学技术
采 , 同时对 14 号煤层运输巷预抽。
第 37 卷
其中 k c为采空区瓦斯涌出系数, 取 1 3 ; Q j为预测 标高掘进面绝对瓦斯涌出量, m /m in 。 在标高为 + 1 357 , + 1 312 , + 1 230 , + 1 010 m 时 矿 井 瓦 斯 涌 出 量 分 别 为 14 44 , 3 24 02 , 42 95 m /m in 。 2 2 对于预测结果的分析 由以上预测看出 , 矿井开采一采区一区段时 , 3 矿井瓦斯 涌出量 14 44 m /m in , 采面瓦 斯涌出量 7 33 m /m in , 每个掘进工作面为 1 89 m /m in 。需 不小于 30 % 的 瓦斯抽 采率。但在 + 1 230 m 标高 时 , 矿井 瓦斯 涌出 量 24 02 m /m in, 采 面 12 44 3 3 m /m in , 掘进工作面 3 02 m /m in 。需不小于 50 % 的抽采率。到第二采区时 , + 1 010 m 标高 ( 开采 最深标高 ) 矿井瓦斯涌 出量为 42 95 m /m in , 采 3 3 面为 22 96 m /m in, 掘 进工作面为 5 04 m /m in, 需要不小于 60 % 的抽采率。因此, 设计考虑一采 区的抽采率为 50 % , 二采区的抽采率为 60 %。
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设计采用上述有针对性的分阶 段瓦斯抽放方 法 , 以使矿井在开采第一区段时, 瓦斯抽放率达到 30% 以上, 从第二区段开始 , 瓦斯抽放率可上升到 50% ~ 60 % , 以便有效解决矿井瓦斯抽放问题 , 避 免矿井瓦斯抽放的盲目性。
参考文献 :
[ 1] 阎瑞祥. 贵 州省 普定县 东光煤 矿煤炭 勘探 地质报 告 [ R ] . 贵阳 : 贵州省煤田地质局地质勘察研究院 , 2008 . [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] A Q 1027 - 2007 , 煤矿瓦斯抽放规范 [ S] . A Q 1018 - 2006 , 矿井瓦斯涌出量预测方法 [ S] . 焦作 矿业 学院 瓦斯 地质研 究室 . 瓦斯地 质概 论 [ M ] . 北 京 : 煤炭工业出版社 , 1990. 高存祝, 郁祥 军 . 浅析旗山 煤矿煤 层瓦斯 赋存 的地质 条件 [ J] . 煤炭科技 , 2001 ( 2 ) . [ 6] [ 7] 中华 人民 共和 国 原煤 炭工 业 部 . 防 治煤 与 瓦斯 突 出细 则 [M ]. 北京 : 煤炭工业出版社 , 1999 . 俞启香. 矿井瓦斯防治 [ M ] . 北京 : 中国矿业大学 出版社 , 1992 .
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3 地应力对瓦斯运移能力的控制分析
根 据 岩 层 移 动 理 论 和 K egel 建 立 的 板 理 论 , 地应力场的不断变化得煤层应力区带连续 [ 3] 循环推进, 结合己 16 - 17顶底板岩层移动观测 , 工 作面前方 5~ 80 m 属于应力集中区 , 1 号和 2 号检 测探头位于该应力集中区 , 煤层受挤压作用, 煤层 大量裂隙受挤压 , 预成裂隙区以封闭裂隙为主导 , 煤层的透气性系数大幅度降低 , 然而 2号和 4号 之间的煤层位于原始应力区, 1 号和 2 号之间的煤 壁瓦斯透气性系数尚不及原始应力区煤层原始的透 气性系数大。根据上面的线性比例关系, 1 号与 2 号探头区段的 A 1要明显小于 1 号与 4 号区段上的 A 2, 更小于 2号与 4 号区段上的 A 3。 (下转第 46 页 ) 43
( 1)
侧向应力
为
x
=
1-
H
( 2)
1 巷道瓦斯浓度观测
1 1 测点布置 现场观测平顶山五矿己 15 - 23190 工作面回风
其中, 为泊松比。 [ 2] 大量科学测量数 据表明 , 地 表浅部侧向应 42
史小卫等 : 应力作用下的煤层瓦斯运移规律
2009 年第 5 期
巷选定的 4 个瓦斯浓度测定探头位置 , 实施瓦斯浓 度全程监测
2 瓦斯浓度结果分析
通过图 2 的数据显示可知, 3 号探头作为采面 推进的伴随探头 , 瓦斯浓度的随机变化比较大 , 不 宜作为参考浓度 , 余下的 3 个探头浓度变化总体上 反映出巷道里瓦斯流动以及瓦斯浓度分布规律 , 以 1 号探头浓度作为参考 , 比较 2 号、 4 号探头浓度 变化。通过图 2 可以计算到 1 号、 2 号、 4 号探头
x
[ 1]
力普遍大于竖直方向的自 重应力。岩 ( 煤 ) 层中 的地质构造是二者复合作用的结果。工作面逐步推 进 , 地应力不断重新分布 , 使上覆岩层的地应力不 断向四 周煤柱加载 , 产生应力集中 , 导致煤层的 上、下岩层产生强烈拉张剪切破坏, 上覆煤岩层下 沉弯曲、破裂、垮落或者下伏岩 ( 煤 ) 层的破裂、 上鼓, 煤岩层的大量裂隙张开或者产生大量新的裂 隙 , 有利于瓦斯解吸和放散, 产生煤层瓦斯运移能 力区域性差异。
瓦斯是一种特殊 的气体地质体 , 又是煤的 伴生体 , 煤层瓦斯的运移受地应力控制。无论在漫 长的地质年代里还是煤矿开采过程中 , 地应力场的 变化导致了地质构造的变迁, 控制了煤层瓦斯的赋 存状态和运移能力。地应力通常包括竖直方向的自 重应力和水平方向的侧向应力 , 自重应力 y 通常 表达为 其中, H y = 为岩体平均容重 ; H 为深度。
3. S ch ool of Re sources and Saf ety E ng ineering, Ch ina Un iversity of M in ing and T echnology (B eijing ), Be ijing
Abstrac t : In orde r to study the earth stress in fluenced to the coa l bed m ethane m igration law, the observ ation m ethod o f the m ine ro adw ay gas density was applied to analyze the g as density va riation o f F 15-23190 co alm in ing face in N o 5M ine of P ingd ingshan T ian an . The resu lts show ed tha tw ith the influence of the earth stress , the m ining b lo ck sha ll be d iv ided to a pressure re leased zone , stress concentra ted zone , orig inal stress zone and stress recovered zone beyond the m in ing block along the m in ing block d irection. T he d ifferent stress zone w ou ld be co rresponding to the d ifferent fractur ing g row th condition and the differentia lw ou ld cause the d istr ibution of the g as m ig ration ca pacity zone in the sea m. In the stress concentrated zone o f the seam, due to the h igh stress co m pressing and shearing role , there w ou ld be m any ne w jo ints and fractures occurred and mo re fractures w ould be sea led. T he re fo re the gas m ig ra tion capacity wou ld be reduced. K ey word s : earth stress ; coa l bed me thane ; gas geo logy ; fracture
第 37 卷第 5 期 2009 年 5月
煤炭科学技术
Coal Science and T echno logy
V ol 37 N o 5 M ay 2009
应力作用下的煤层瓦斯运移规律
史小卫 , 刘永茜 , 任玉春
(1 . 河南省煤层气开发利用有限公司 , 河南 郑州
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450016; 2 . 北京理工大学 爆炸科学技术国家重点实验室 , 北京 100083)
3
图 1 探头布置示意
1 2 观测结果 连续观测 15 d 的瓦斯浓度结合通风资料 , 每 天选择了 06 : 00 : 00和 18 : 00 : 00 这 2 个时刻
图 2
4 个探头瓦斯浓度变化
式中 Q C 1, C 2 L
风量 , m /m in ; 1 号和 2 号探头处的瓦斯浓度, % ; 1 号和 2 号探头的距离 , m;
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文章编号: 0253- 2336 ( 2009) 05- 0042- 02
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M igration Law of Coa l B ed M ethane Under Role of Stress
SH I X iao-w e i, L IU Yong -q ian , REN Yu - chun
(1 . H enan P rov in cia l Coa l B ed M ethan e D evelopm en t and U ti lization C ompany L td. , Zh engzh ou 2 . S tate K ey Lab of B lasting S cience and Technology, B eijing In sti tu te of T echnology, B eijing 450016 , Ch ina; 100081, Ch ina; 100013 , China )
[ 3]
的瓦斯浓度, 计算出同一 时刻 4 个 探头的瓦斯浓 度 , 比较其差异, 即沿程绝对瓦斯涌出量的变化。 图 2a 和图 2b 反映每日 2 个时刻 4 个地点的瓦斯浓 度情况 , 图 2c 是 4 个探头瓦斯浓度全程变化情况。
。 1 号探头距离工作面 40 m; 2 号探
头距离 1 号探头 40 m; 3 号探头始终保持距离工作 面约 10 m, 并随采面推移连续检测工作面瓦斯浓 度变化 ; 4 号探头在回风巷外端, 距离回风口 15 m 处 , 距离 1 号探头约 200 m, 如图 1 所示。