关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“ 三带”

㊀第38卷第6期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报

Vol.38㊀No.6㊀㊀2013年

6月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

Jun.㊀

2013㊀

㊀㊀文章编号:0253-9993(2013)06-0924-06

关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移 三带

范围的影响

吴仁伦

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京㊀100083)

摘㊀要:采用相似模拟㊁数值模拟和理论分析的方法,就覆岩关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移 三带 范围的影响进行深入研究㊂研究结果表明:覆岩导气裂隙带内是否存在关键层将对覆岩瓦斯卸压抽采范围起到十分明显的影响作用㊂在相同开采条件下,覆岩裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断将引起导气裂隙带高度突增,其高度明显高于经验公式计算高度并止于该关键层上方另一层关键层之下;卸压解吸带高度止于覆岩中尚未发生破断且下方存在离层空间的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下㊂

关键词:瓦斯卸压运移 三带 ;关键层;煤与瓦斯共采;绿色开采中图分类号:TD712．6㊀㊀㊀文献标志码:A

收稿日期:2012-11-05㊀㊀责任编辑:许书阁

㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(50834005);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011QZ03)㊀㊀作者简介:吴仁伦(1982 ),男,山西大同人,讲师,博士㊂E -mail:ALLEN168158@

Effects of key stratum on the scope of the three zones of gas pressure

relief and migration in coal seam group mining

WU Ren-lun

(College of Resources &Safety Engineering ,China University of Mining &Technology (Beijing ),Beijing ㊀100083,China )

Abstract :Similar material physical simulation and numerical simulation and theoretical analysis were adopted to study

the impact of key stratum on the scope of the three zones of gas pressure relief and migration in coal seam group mining.The results show that,whether there exists a key stratum within the overlying gas conductive fracture zone will obviously affect the scope of the three zones of gas pressure relief and extraction.In the same mining conditions,if there exists a key stratum within the fracture zone of overlying strata,the failure of the key stratum will lead to an up-

rush in the height of gas conductive fracture zone,which is higher than empirical formula result,and the gas conductive fracture zone height will reach the bottom of the upper key stratum.Gas pressure relief and desorption zone develops to the unbroken key stratum under which exist much bed separation space,and its maximum height reaches the bottom of

the primary key stratum.Key words : three zones of gas pressure relief and migration;key stratum;co-extraction of coal and gas;green min-ing

㊀㊀与煤炭伴生并赋存在煤层当中的瓦斯,是威胁我国煤矿安全的最大致灾因子之一㊂同时,瓦斯又是一种洁净㊁高效的能源㊂因此,无论从保证矿井安全生产还是资源利用的角度来说,都应当对煤矿瓦斯进行抽采㊂瓦斯抽采的效果主要取决于煤层裂隙的发育程度以及渗透率的大小,而变质程度高㊁渗透率低㊁含

气饱和度低和压力小是我国煤储层的普遍特点,这就决定我国绝大部分煤层瓦斯在自然状态的抽采难度较大㊁抽采效果差㊁抽采成本高[1-5]㊂煤矿开采实践表明,煤层开采引起周围煤岩层产生 卸压增透效应 ,使得即使渗透率很低的煤层,其渗透率也将大幅增加,这为瓦斯的运移和抽采创造了条件㊂因此,

第6期吴仁伦:关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移 三带 范围的影响

煤与瓦斯共采将是我国煤矿瓦斯灾害防治与环境保护的最佳途径[6-8]㊂

根据煤与瓦斯共采的基本原理可知,在选择瓦斯

卸压抽采方式及参数的时候,需掌握煤层开采过程中围岩应力场和裂隙场的变化规律及其分布特征,从而确定合理抽采区域,提高瓦斯抽采效果㊂基于此,许家林教授等提出了煤层群开采瓦斯卸压运移的 三带 划分[9](图1),即根据覆岩采动应力场㊁裂隙场及

渗流场的变化规律,将开采煤层上覆煤岩层划分为导气裂隙带㊁卸压解吸带和不易解吸带,这为煤与瓦斯共采技术体系提供了一个新的理论基础㊂但目前对瓦斯卸压运移 三带 范围影响因素的研究报道较少㊂近年来由钱鸣高院士提出的岩层控制的关键层理论[10]表明,关键层对覆岩采动裂隙和应力分布状态具有很重要的控制作用㊂现场实测[11]也证实了关键层运动对邻近层卸压瓦斯动态涌出的控制作用,这为瓦斯卸压运移 三带 范围的研究提供了理论依据㊂本文将通过模拟实验和理论研究,就关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移 三带 范围的影响进行深入研究

㊂

图1㊀煤层群开采瓦斯卸压运移 三带

Fig．1㊀ Three zones of gas pressure relief and migration in coal seam group mining

1㊀关键层对导气裂隙带高度的影响

导气裂隙带与导水裂隙带具有相同的特征,都是流体能够上下流通的竖向贯通裂隙发育高度,二者范围十分相近㊂因此,对导气裂隙带高度的判别可借鉴导水裂隙带高度的判别方法㊂目前,大量学者[12-13]通过实践基础数据统计得出导水裂隙带高度的经验计算公式㊂但当经验公式计算的裂隙带范围内存在关键层,实际导水裂隙带高度要发生变化,从而导致一些异常突水灾害的发生[14-16]㊂可以断定,关键层对导气裂隙带高度同样有着明显的控制作用㊂本文将通过对比实验就关键层对导气裂隙带高度的影响进行深入研究㊂1．1㊀实验方案

设计了2个物理模拟方案进行对比研究㊂实验采用的模型尺寸为2．5m ˑ0．2m ˑ2．0m (长ˑ宽ˑ高),模型的几何相似比1ʒ200,密度相似比1ʒ1．5,应力相似比1ʒ300㊂实验采用的材料以砂子为骨料,辅料为石膏㊁碳酸钙和水,根据岩层力学性质按一定配比均匀搅拌后逐层铺设,其中煤层的配比要加入适量的煤粉㊂2个对比方案中煤层采高及覆岩关键层条件见表1㊂2个实验方案的区别在于,方案2在根据经验公式预计导气裂隙高度范围内设计了一层亚关键层2㊂图2为实验模型㊂

表1㊀实验方案

Table 1㊀Experimental program

m

方㊀案

方案1方案2煤层采高77亚关键层1

厚度66距煤层高度

66亚关键层2

厚度1210距煤层高度

100

54亚关键层3厚度12距煤层高度

136主关键层厚度1616距煤层高度

142

190

图2㊀实验模型示意

Fig．2㊀Model schematic diagram

5

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