第38卷第6期煤 炭 学 报Vol.38　No.6　　2013年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJun.　2013　

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　100083)

摘　要:采用相似模拟、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。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。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。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:TD712．6 文献标志码:A

收稿日期:2012-11-05 责任编辑:许书阁 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) 作者简介:吴仁伦(1982—),男,山西大同人,讲师,博士。E-mail:ALLEN168158@126.com

Effectsofkeystratumonthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining

WURen-lun(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:Similarmaterialphysicalsimulationandnumericalsimulationandtheoreticalanalysiswereadoptedtostudytheimpactofkeystratumonthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining.Theresultsshowthat,whetherthereexistsakeystratumwithintheoverlyinggasconductivefracturezonewillobviouslyaffectthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandextraction.Inthesameminingconditions,ifthereexistsakeystratumwithinthefracturezoneofoverlyingstrata,thefailureofthekeystratumwillleadtoanup-rushintheheightofgasconductivefracturezone,whichishigherthanempiricalformularesult,andthegasconductivefracturezoneheightwillreachthebottomoftheupperkeystratum.Gaspressurereliefanddesorptionzonedevelopstotheunbrokenkeystratumunderwhichexistmuchbedseparationspace,anditsmaximumheightreachesthebottomoftheprimarykeystratum.Keywords:“threezones”ofgaspressurereliefandmigration;keystratum;co-extractionofcoalandgas;greenmin-ing

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。同时,瓦斯又是一种洁净、高效的能源。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。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、渗透率低、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、抽采效果差、抽采成本高[1-5]。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。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]。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。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、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、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。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。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。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。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。

图1　煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”Fig．1　“Threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining

1　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。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。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。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]。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。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。1．1　实验方案

设计了2个物理模拟方案进行对比研究。实验采用的模型尺寸为2．5m×0．2m×2．0m(长×宽×高),模型的几何相似比1∶200,密度相似比1∶1．5,应力相似比1∶300。实验采用的材料以砂子为骨料,辅料为石膏、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。2个对比方案中煤层采高及覆岩关键层条件见表1。2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2。图2为实验模型。

表1　实验方案Table1　Experimentalprogramm

方　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10054

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142190

图2　实验模型示意Fig．2　Modelschematicdiagram

529煤 炭 学 报2013年第38卷1．2　实验结果及分析图3和图4分别为2个实验方案开采后导气裂隙发育素描图和导气裂隙高度动态发育曲线。

图3　方案1与方案2导气裂隙带高度素描Fig．3　Sketchdrawingsofthegasconductivefracture

heightofschemeoneandtwo

图4　各方案导气裂隙高度与工作面推进距离之间的关系Fig．4　Therelationbetweengasconductivefractureheightand

advancedistanceofworkingfaceindifferentschemes

从图中可以看出:(1)当覆岩预计导气裂隙带内无关键层时(方案

1),导气裂隙高度随工作面的推进基本呈线性增长

趋势,在达到最大高度后(100m),导气裂隙高度不再随工作面的推进而增长。(2)当覆岩预计导气裂隙带内存在亚关键层2

时(方案2),亚关键层2破断前,导气裂隙高度随工作面推进呈线性增长,直至达到关键层2位置之下(约为54m),并保持稳定;亚关键层2破断后引起覆

岩导气裂隙高度突增至亚关键层3之下(约为136m);之后覆岩导气裂隙一直稳定在这一高度。

实验结果证明,当根据经验公式预计的导气裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断会引起导气裂隙高度突增,其最大高度会达到该关键层上方一层关键层之下,导气裂隙高度明显高于无该关键层存在的情

况。2　关键层对卸压解吸带高度的影响

2．1　数值计算模型为进一步研究覆岩关键层对卸压解吸带高度的影响,采用FLAC3D数值模拟软件,设计了2个数值模拟方案进行对比研究。模拟以阳泉某矿地质条件为依据,模型长400m(x方向),宽300m(y方向),高300m(z方向),其中底板厚50m,煤层及其上覆岩层

厚250m,其余上覆275m厚岩层转换为6．9MPa载荷加载在模型顶部。模型侧面限制水平移动,模型底面限制垂直移动。模拟方案见表2。模拟模型如图5所示。

表2　数值模拟方案Table2　Numericalsimulationschemesm

方案煤层采高关键层特征主关键层

厚度距煤层高度方案17无关键层方案274层关键层11172

图5　数值模拟模型Fig．5　Numericalsimulationmodels

2．2　模拟结果及分析

为便于理解,本文定义r为采动应力卸压程度值,采动过程中覆岩中任意一点的应力卸压程度值r=采动卸压后的应力值/原岩应力值,r≥1表示煤岩

体应力升高;r<1表示煤岩体处于卸压状态,r值越大表明卸压程度越低,反之越高。图6和图7为2个模拟方案开采后覆岩不同层位应力卸压情况。从中可以看出:

629