厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律分析

厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律分析
许大伟
【摘要】矿井瓦斯是在煤的变质和煤的生成过程中伴生的一种气体,是影响矿井安全开采的主要因素.采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对厚煤层采动覆岩变形
特征及瓦斯运移规律进行了研究,分析了厚煤层采动覆岩变形特征、瓦斯在裂隙带
中的扩散计算方程以及不同高度时和不同走向区域时瓦斯压力和流场分布规律.研
究得出:切眼裂隙区的瓦斯浓度高于压实区的瓦斯浓度,在空间上瓦斯浓度呈“回型”分布;瓦斯在边界离层裂隙带进行集聚,在竖直方向上瓦斯浓度呈“马鞍型”分布.研究为钻孔合理层位的选择提供了理论支持,确保了矿井的安全生产.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2019(041)004
【总页数】4页(P147-150)
【关键词】采动覆岩;变形特征;“三带”;切眼裂隙区;“回型”分布;“马鞍型”分
布
【作者】许大伟
【作者单位】河南永锦能源有限公司,河南禹州461670
【正文语种】中文
【中图分类】TD325
0 引言
在煤矿开采的过程中，由于煤层顶底板受到采动的影响，致使顶底板岩层的应力状态发生变化，随着工作面的推进，上覆岩层主要发生弯曲、剪切破坏和变形，由于各个岩层的不同抗弯刚度，导致纵向破断裂隙和离层裂隙的出现，形成围岩裂隙场。

随着临近层瓦斯涌出、采空区、工作遗煤瓦斯的涌出，导致瓦斯积聚在围岩裂隙场中，影响了工作面的安全生产。

国内外学者对厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律进行了大量的研究，王新丰等［1］对典型地质条件下采动覆岩变形破坏规律的试验进行了研究，采用相似原理和量纲分析理论相结合的方法，使用相似模型试验，分析了在工作面采动期间，覆岩变形特征及应力、垮落形态、顶板破断过程的演化规律;梁冰等［2］研究了卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的选择，对不同层位钻孔抽采浓度进行分析研究，研究得出，把卸压抽采钻孔终孔布置在裂隙带离层区，此时钻孔抽采效果最好。

因此，可以方便地对卸压瓦斯抽采钻孔的合理层位进行确定。

1 厚煤层采动覆岩变形特征
当煤层开采后，原有的采场围岩的应力平衡被打破，上覆岩层发生变形和破坏，但是，当上覆岩层所承受的应力远远大于岩石的矿压强度后，围岩会产生变形和裂隙。

随着煤层被不断开采，采空区覆岩逐渐形成了纵向“三带”和横向“三区”。

(1)冒落带。

冒落带位于采场覆岩的最底部，冒落带的计算公式［3-5］:
式中，η为顶板下沉系数;Kpc为煤层的碎胀系数;α为煤层倾角;m2为煤顶厚度;∑h 为直接顶厚度。

(2)裂隙带。

该层位位于冒落带之上，主要受关键层控制岩层的变形和位移。

该层
位主要有2种裂隙:①受拉应力破坏形成的破断裂隙;②岩层移动形成层间和层的离层裂隙。

裂隙带的经验公式［6-8］见表1。

表1 裂隙带的经验公式Tab.1 Empirical formula of the fracture zone煤层倾角/(°)强度/MPa 岩石名称裂隙带最大顶板垮落0～54 20～40页岩、泥质砂岩、砂
质页岩控制＜20 砂质页岩、砂砾岩、石灰岩高度/m冒落带最大高度/m h裂
=100m/(5．1n+5．2)±5．1 h垮 =(1 ～2)m 全部垮落40～60砂质页岩、砂砾岩、石灰岩h裂=100m/(3．3n+3．8)±5．1 h垮 =(3 ～4)m 全部h裂
=100m/(2．4n+2．1)±11．2 h垮 =(4 ～5)m 全部垮落
(3)弯曲下沉带。

该位置位于裂隙带的上方，基本呈整体移动，只出现弯曲下沉，
而且在垂直方向上，下沉弯曲的分量都相对较小，在此区域不出现裂隙。

以某煤矿为例，随着工作面的推进，工作面由于采动影响产生的裂隙发育区以步距为30 m逐渐地推进和前移。

2 瓦斯在裂隙带中的扩散
瓦斯由密度大的区域向密度小的区域或者由高浓度的区域向低浓度的区域迁移的现象为扩散，然而煤层采动形成的裂隙是瓦斯扩散的先决条件。

气体分子速度分布函数(f)是研究瓦斯在裂隙带中的扩散的重要物理量，其中，f满足的积分微方程［6-10］:
式中为位置矢量为方位角的单位矢量为单位质量粒子受到的力为分子速度;σ为微
分子碰撞截面。

气体分子的扩散流的计算方程:
式中，KT为二元热扩散比;T为温度;ρ为气体质量密度;D为扩散系数;n为分子数
密度;ρ1和ρ2为瓦斯密度和空气密度;m1和m2为瓦斯的分子量和空气密度的分
子量。

扩散流主要由热扩散、压强扩散、强制扩散和纯扩散。

压强扩散和纯扩散的表达式:
其中，式(4)需满足两气体间要有压强梯度;式(5)需满足两气体间要有不同的分子量。

在采场风流紊乱的情况下，通常可以忽略不计紊流扩散，用纯扩散代表瓦斯在采场的扩散。

3 模型的建立
以某煤矿实际工程条件为例，某工作面煤层透气性系数为 0．001 9
m3/(MPa2·d)，衰减系数为0.068 d－1;原始瓦斯含量为12～29 m3/t，平均为15 m3/t;原始煤层瓦斯压力为 1．50 ～2．41 MPa，平均为2．60 MPa;煤层厚度为3．0 ～4．4 m，平均厚度为3．5 m;工作面长度为190 m，煤层埋深为903 m。

采空区的物理模型尺寸:200 m×100 m×200 m。

采动裂隙角:巷道侧64°、工作面侧62°、开切眼侧70°;裂隙带尺寸:巷道裂隙带宽度22 m、工作面裂隙带宽度20 m、切眼裂隙带宽度25 m、裂隙带高度36 m;垮落带高度8 m。

覆岩裂隙场网格划分如图1所示。

图1 覆岩裂隙场网格划分Fig.1 Meshing of overburden fracture field
4 数值模拟分析
为了对厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律进行分析，本文主要研究了瓦斯压力梯度、流场分布和瓦斯浓度的分布规律。

4．1 煤层顶板不同高度时瓦斯浓度分布规律
煤层顶板不同高度时瓦斯浓度分布规律如图2所示。

由图2可知，在煤层顶板不同高度时，瓦斯浓度分布呈现“圆角矩形”，随着向采空区深部的延伸，瓦斯浓度逐渐有减小的趋势，大部分的瓦斯随着上下巷道的裂隙流入到切眼裂隙区，此时，切眼裂隙区的瓦斯浓度高于压实区的瓦斯浓度，在空间上，瓦斯浓度呈“回型”分布。

4．2 不同走向区域瓦斯压力和流场分布规律
不同走向区域瓦斯压力和流场分布如图3所示。

由图3可知，随着工作面的采动
影响，大量瓦斯开始涌入工作面裂隙内，并逐渐向高位进行移动，由于中间压实区逐渐填实，造成瓦斯在边界离层裂隙带进行集聚，此时，在竖直方向，瓦斯浓度呈“马鞍型”分布。

图2 煤层顶板不同高度时瓦斯浓度分布规律Fig.2 Distribution of gas concentration at different heights of coal seam roof
图3 不同走向区域瓦斯压力和流场分布Fig.3 Gas pressure and flow field distribution in different strike areas
5 结论
通过对三向采动应力条件下的覆岩裂隙场空间分布特征的研究，利用数值模拟软件，研究了煤层顶板不同高度时瓦斯浓度分布规律和不同走向区域瓦斯压力和流场分布规律。

研究为瓦斯抽采提供了论论基础。

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