工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的耦合效應(yīng)

謝廣祥,胡祖祥,王 磊

(安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南 232001)

工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的耦合效應(yīng)

謝廣祥,胡祖祥,王 磊

(安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南 232001)

依據(jù)煤層采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯壓力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),應(yīng)用數(shù)值模擬、數(shù)力學(xué)理論分析方法,對(duì)工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的相互作用進(jìn)行了深入研究。研究表明:煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力具有典型的耦合效應(yīng),且呈正相關(guān)性,瓦斯壓力峰值位置超前于采動(dòng)應(yīng)力;在瓦斯壓力峰值前瓦斯壓力隨采動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)“雙增”狀態(tài),易失穩(wěn)引起動(dòng)力災(zāi)變,是煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)域;依據(jù)含瓦斯煤吸附變形與孔隙表面自由能的內(nèi)在關(guān)系,構(gòu)建了含瓦斯煤采動(dòng)應(yīng)力-瓦斯壓力互饋效應(yīng)的數(shù)力學(xué)模型,揭示了煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力耦合作用的力學(xué)機(jī)理。

瓦斯壓力;采動(dòng)應(yīng)力;耦合效應(yīng);動(dòng)力災(zāi)害

煤層力學(xué)狀態(tài)和瓦斯賦存狀態(tài)是煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)變的主要影響因素,其中煤層應(yīng)力和瓦斯壓力是最重要的2個(gè)指標(biāo)。進(jìn)入深部開(kāi)采,實(shí)施瓦斯綜合治理措施后,低指標(biāo)狀態(tài)煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生,采動(dòng)應(yīng)力在災(zāi)變過(guò)程中的主導(dǎo)作用日益凸顯。以往眾多學(xué)者在瓦斯對(duì)煤體力學(xué)特性影響等[1-3]方面開(kāi)展了大量的研究工作,取得了豐富的成果;也有專(zhuān)家針對(duì)含瓦斯煤受不同應(yīng)力條件的滲流特性開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究,得出了含瓦斯煤樣滲透特性與外部受力狀態(tài)的關(guān)系[4-9];筆者利用自行研制的含瓦斯煤氣固耦合參數(shù)測(cè)試儀,開(kāi)展了煤巖應(yīng)力變化對(duì)瓦斯壓力影響特性方面的實(shí)驗(yàn)研究,認(rèn)為含瓦斯煤試樣的應(yīng)力變化對(duì)瓦斯壓力有顯著影響[10]。但尚未對(duì)工作面煤層回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。而揭示工作面煤層回采過(guò)程瓦斯壓力和采動(dòng)應(yīng)力的耦合作用,是探索煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害力學(xué)本質(zhì)和實(shí)施防控措施的重要基礎(chǔ),有必要深入系統(tǒng)研究。

本文通過(guò)開(kāi)展工作煤層回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯壓力的實(shí)測(cè)工作,研究工作面煤體采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力和瓦斯壓力的演化規(guī)律,進(jìn)而分析工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的耦合效應(yīng)機(jī)理。

1 工作面煤層采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力的演化規(guī)律

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

以淮北祁南煤礦714工作面、淮南謝橋煤礦1232(3)工作面為工程地質(zhì)背景,試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件如下:

祁南煤礦714工作面上部與712工作面采空區(qū)相鄰,工作面平均埋深550 m。工作面聯(lián)合回采71, 72兩層煤,煤層總厚(含71,72及夾矸)0.3～6.0 m,平均4.8 m;兩煤層間距0～2.0 m,平均間距0.8 m。71,72煤層傾角5°～16°,平均傾角8°,屬較穩(wěn)定簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。煤層基本頂為中砂巖,厚度4.0～14.8 m;直接頂為泥巖,厚度0.8～2.0 m;直接底為泥巖,厚度0.8～3.8 m。714工作面傾斜長(zhǎng)度210 m,走向長(zhǎng)度1 500 m,平均每天推進(jìn)5 m,該工作面煤層屬突出煤層,回采前已實(shí)施順層鉆孔預(yù)抽瓦斯25個(gè)月,校檢顯示基本消除了突出危險(xiǎn)。

謝橋煤礦1232(3)工作面相鄰的1222(3)工作面已回采完畢,工作面平均埋深600 m。工作面開(kāi)采13煤普遍發(fā)育有泥巖及炭質(zhì)泥巖兩層夾矸。煤層傾角11°～16°,平均傾角14°。煤層厚度3.3～5.9 m,平均煤厚4.6 m。煤層老頂為粉砂巖,厚度1.32～3.91 m;直接頂為泥巖及13-2煤,厚度1.19～6.97 m;直接底為砂質(zhì)泥巖,厚度1.50～7.24 m。1232(3)工作面傾斜長(zhǎng)度240 m,走向長(zhǎng)度2 400 m,平均每天推進(jìn)4 m,該工作面煤層局部具有突出危險(xiǎn),采用穿層鉆孔結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽瓦斯,抽采20個(gè)月后進(jìn)行回采。

1.2 測(cè)試方案

在714工作面前方回風(fēng)巷下幫側(cè)(靠工作面實(shí)體煤側(cè))煤層中,布置3組煤層應(yīng)力和瓦斯壓力測(cè)站,測(cè)站間距30 m,每測(cè)站布置鉆孔應(yīng)力計(jì)(KSE-II-1型)和瓦斯壓力測(cè)試儀,運(yùn)輸巷測(cè)站與回風(fēng)巷對(duì)稱(chēng)布置,如圖1所示。1232(3)工作面與714工作面布置方式相同?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)各測(cè)站煤層應(yīng)力及瓦斯壓力變化進(jìn)行同步測(cè)試和記錄統(tǒng)計(jì)。

圖1 工作面煤層應(yīng)力及瓦斯壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案示意Fig.1 Schematic diagram of on-sitemonitoring program of coal seam stress and gas pressure in working face

1.3 工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

714和1232(3)工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的分布如圖2,3所示,可見(jiàn)不同礦區(qū)工作面煤層具有相似的分布規(guī)律。沿走向回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷側(cè)煤層采動(dòng)應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同,隨工作面臨近,煤層采動(dòng)應(yīng)力不斷上升至峰值隨后逐漸下降;隨工作面臨近煤層瓦斯壓力也是先增加后降低的變化趨勢(shì),隨工作面臨近煤層瓦斯壓力受采動(dòng)影響不斷增大,并在工作面前方20～30 m達(dá)到峰值,在煤壁附近迅速降低;瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。

714和1232(3)工作面煤層回采前均進(jìn)行了瓦斯預(yù)抽采的綜合治理,殘余瓦斯壓力小于0.1 MPa,綜合評(píng)價(jià)已消除了突出危險(xiǎn),但由圖2可見(jiàn),兩工作面煤層回采過(guò)程中,受采動(dòng)應(yīng)力作用,煤層瓦斯壓力大大增加,尤其714工作面運(yùn)輸巷瓦斯壓力超過(guò)了0.5 MPa,已接近0.74 MPa的突出危險(xiǎn)指標(biāo)。

以上分析表明,受工作面采動(dòng)影響,煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致,具有典型的正相關(guān)性。沿走向,煤層瓦斯壓力呈現(xiàn)隨采動(dòng)應(yīng)力增大而增大、減小而減小的變化趨勢(shì),但兩者峰值位置不同,回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷側(cè)煤層瓦斯壓力峰值均超前于采動(dòng)應(yīng)力峰值。采動(dòng)應(yīng)力峰值前后的采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力變化規(guī)律,如圖3所示。由圖3可以看出:在瓦斯壓力峰值前,隨工作面采動(dòng)應(yīng)力逐漸增大,煤層瓦斯壓力隨之增大,此階段煤層處于瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力“雙增”狀態(tài),易失穩(wěn)引起動(dòng)力災(zāi)變,是煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)域。采動(dòng)應(yīng)力峰值后煤層承載能力下降至破壞,煤層采動(dòng)應(yīng)力持續(xù)降低,瓦斯壓力亦隨之不斷減小,煤層處于瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力“雙降”狀態(tài)。

圖2 714,1232(3)工作面煤層采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯壓力變化Fig.2 Themining-induced stress and gas pressure distribution of714 and 1232(3)working face

圖3 714,1232(3)工作面煤層采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯壓力作用關(guān)系Fig.3 The interaction relation between mining-induced stress and gas pressure of714 and 1232(3)working face

2 煤層采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力耦合效應(yīng)機(jī)理分析

上述研究表明,工作面煤體瓦斯壓力受控于采動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力變化,煤體瓦斯壓力和吸附瓦斯后孔隙表面自由能勢(shì)必也相應(yīng)發(fā)生變化,伯克海姆認(rèn)為,多孔隙介質(zhì)吸附氣體產(chǎn)生體積應(yīng)變量εVp與孔隙表面自由能變化量ΔG呈正比關(guān)系[11-12],即εVp= K0ΔG(K0為比例系數(shù)),而表面自由能變化d G符合吉布斯吸附公式[13]:-d G=RTΓd(ln P)。

采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力的耦合作用導(dǎo)致煤體孔隙表面自由能動(dòng)態(tài)演化,其演化突變是動(dòng)力現(xiàn)象的表征。受采動(dòng)應(yīng)力作用瓦斯壓力由初始P0變?yōu)镻t時(shí),采動(dòng)影響下的煤體孔隙表面自由能變化量為

式中,R為普適氣體常數(shù),J/(mol·K);T為絕對(duì)溫度,K;P為瓦斯壓力,MPa;Γ為表面超量,

m V為瓦斯吸附量,m3/t;Nm為氣體摩爾體積,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為22.4 L/mol;S為比表面積,m2/g。

式中,a為吸附常數(shù),m3/t;b為吸附常數(shù),MPa-1,可得

受采動(dòng)應(yīng)力、瓦斯孔隙壓力和煤體吸附應(yīng)力作用,導(dǎo)致煤體孔隙率發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。取單位單元煤體為研究對(duì)象,假設(shè)單元煤體原始孔隙率為f0,受采動(dòng)影響后孔隙率為f,根據(jù)孔隙率定義[14]可知

式中,Vz為煤體總體積,m3;Vk為煤體孔隙總體積,m3。

煤體總體積由骨架總體積和孔隙總體積兩部分組成,即Vz=Vk+Vg,因此由式(4)可得

式中,Vg為煤體骨架總體積,m3。

受采動(dòng)應(yīng)力作用,煤體骨架體積和孔隙體積均產(chǎn)生體積應(yīng)變,孔隙率為

在考慮等溫吸附條件下,煤體骨架體積應(yīng)變?cè)隽恐饕晌酵咚挂鸬膽?yīng)變?chǔ)臯p和孔隙瓦斯壓力變化引起的應(yīng)變?chǔ)舠。孔隙瓦斯壓力變化壓縮煤體骨架引起的應(yīng)變?chǔ)臶15]為

式中,Ky為煤體壓縮系數(shù),MPa-1。

因此煤體骨架總變形量為

將式(9)代入式(6)中可得

根據(jù)彈性力學(xué)可知

式中,E為煤體彈性模量,GPa;μ為煤體泊松比;σx, σy,σz為單元體受力狀態(tài)的正應(yīng)力分量。

工作面回采期間,工作面前方煤層采動(dòng)應(yīng)力σc=f(σx,σy,σz),所以σx+σy+σz變化取決于σc,因此:

將式(12)代入式(10)可得

研究表明,煤體損傷擴(kuò)容前,當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力增大時(shí),孔隙率f減小。由式(13)可知,煤層采動(dòng)應(yīng)力σc是以瓦斯壓力P和孔隙率f為變量的函數(shù)(其它參數(shù)對(duì)于特定煤體均為常數(shù))。當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力增大時(shí)孔隙率減小,則瓦斯壓力必然增大。揭示了煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力呈正相關(guān)性,具有典型耦合效應(yīng)的力學(xué)本質(zhì)。

3 結(jié) 論

(1)工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力具有典型的耦合效應(yīng),呈正相關(guān)性,沿工作面走向煤層瓦斯壓力隨采動(dòng)應(yīng)力增大而增大、減小而減小,且瓦斯壓力峰值位置超前于采動(dòng)應(yīng)力。

(2)工作面煤層瓦斯壓力峰值前,瓦斯壓力隨采動(dòng)應(yīng)力呈“雙增”狀態(tài),易失穩(wěn)引起動(dòng)力災(zāi)變,是煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)域。

(3)基于工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力耦合作用,依據(jù)含瓦斯煤吸附變形與孔隙表面自由能的內(nèi)在關(guān)系,構(gòu)建了含瓦斯煤采動(dòng)應(yīng)力-瓦斯壓力互饋效應(yīng)的數(shù)力學(xué)模型,揭示了煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力典型的耦合效應(yīng)。

[1] 尹光志,李銘輝,李文璞,等.瓦斯壓力對(duì)卸荷原煤力學(xué)及滲透特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(9):1499-1504.

Yin Guangzhi,LiMinghui,LiWenpu,etal.Influence of gas pressure on mechanical and seepage characteristics of coal under unloadingcondition[J].Journal of China Coal Society,2012,37(9):1499-1504.

[2] 梁 冰,章夢(mèng)濤,潘一山,等.瓦斯對(duì)煤的力學(xué)性質(zhì)及力學(xué)響應(yīng)影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1995,17(5):12-18.

Liang Bing,Zhang Mengtao,Pan Yishan,etal.The experimental research on the effect of gas on mechanical properties and mechanical response of coal[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1995,17(5):12-18.

[3] 陶云奇,許 江,程明俊,等.含瓦斯煤滲透率理論分析與試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(S2):3363-3370.

Tao Yunqi,Xu Jiang,Cheng Mingjun,et al.Theoretical analysis and experimental study on permeability of gas-bearing coal[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(S2):3363-3370.

[4] 蔣長(zhǎng)寶,尹光志,黃啟翔,等.含瓦斯煤巖卸圍壓變形特征及瓦斯?jié)B流試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(5):802-807.

Jiang Changbao,Yin Guangzhi,Huang Qixiang,et al.Experiment of deformation property and gas permeation of containing-gas coalunder confining pressure unloading process[J].Journalof China Coal Society,2011,36(5):802-807.

[5] 黃啟翔,尹光志,姜永東.地應(yīng)力場(chǎng)中煤巖卸圍壓過(guò)程力學(xué)特性試驗(yàn)研究及瓦斯?jié)B透特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010,29(8):1639-1848.

Huang Qixiang,Yin Guangzhi,Jiang Yongdong.Experimental study ofmechanical characteristics of coal specimen in process of unloading confining pressure in geostress field and analysis of gas seepage characteristics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(8):1639-1848.

[6] 齊黎明,陳學(xué)習(xí),程五一,等.瓦斯膨脹能與瓦斯壓力和含量的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(S1):105-108.

Qi Liming,Chen Xuexi,Cheng Wuyi.Relationship of expansion energy of gas with gas pressure and content[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S1):105-108.

[7] 曹樹(shù)剛,郭 平,李 勇,等.瓦斯壓力對(duì)原煤滲透特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(4):595-599.

Cao Shugang,Guo Ping,Li Yong,et al.Effect of gas pressure on gas seepage of outburst coal[J].Journal of China Coal Society,2010,35 (4):595-599.

[8] 尹光志,蔣長(zhǎng)寶,王維忠,等.不同卸圍壓速度對(duì)含瓦斯煤巖力學(xué)和滲流特性影響試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011, 30(1):68-77.

Yin Guangzhi,Jiang Changbao,WangWeizhong,etal.Experimentalstudy of influence of confining pressure unloading speed onmechanical properties and gas permeability of containing-gas coal rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(1): 68-77.

[9] 孫培德,鮮學(xué)福.煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)的研究進(jìn)展[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,20(3):161-167.

Sun Peide,Xian Xuefu.Advances in study on coal gas seepagemechanics[J].Journal of Jiaozuo Institute of Technology(Natural Science),2001,20(3):161-167.

[10] 謝廣祥,胡祖祥,王 磊.深部高瓦斯工作面煤體采動(dòng)擴(kuò)容特性研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):91-96.

Xie Guangxiang,Hu Zuxiang,Wang Lei.Coal mining dilatancy characteristics of high gas working face in the deepmine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):91-96.

[11] 李祥春,聶百勝,何學(xué)秋,等.瓦斯吸附對(duì)煤體的影響分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(12):2035-2038.

Li Xiangchun,Nie Baisheng,He Xueqiu,et al.Influence of gas adsorption on coal body[J].Journal of China Coal Society,2011,36 (12):2035-2038.

[12] 姚宇平,周世寧.含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)[J].中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1988(1):1-7.

Yao Yuping,Zhou Shining.Themechanical property of coal containing gas[J].Journal of China University of Mining and Technology,1988(1):1-7.

[13] 李春喜,王子鎬,宋紅艷.一個(gè)基于UNIQUAC Gibbs自由能模型的液體表面張力方程[J].石油學(xué)報(bào),2001,17(2):45-51.

Li Chunxi,Wang Zihao,Song Hongyan.A new surface tension equation for liquid mixtures based on uniquac gibbs free energymodel[J].Acta Petrolei Sinica,2001,17(2):45-51.

[14] 趙陽(yáng)升,胡耀青.孔隙瓦斯作用下煤體有效應(yīng)力規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1995,17(3):26-31.

Zhao Yangsheng,Hu Yaoqing.Experimental study of the law of effective stress bymethane pressure[J].Chinese JournalofGeotechnical Engineering,1995,17(3):26-31.

[15] 陶云奇,許 江,彭守建,等.含瓦斯煤孔隙率和有效應(yīng)力影響因素試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(11):3417-3422.

Tao Yunqi,Xu Jiang,Peng Shoujian,et al.Experimental study ofof influencing factor of porosity and effective stress of gas-filled coal [J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(11):3417-3422.

The coupling effect of the coal seam gas pressure and m ining stress in working face

XIE Guang-xiang,HU Zu-xiang,WANG Lei

(Anhui Province Key Laboratory ofMining Response and Disaster Prevention and Control in Deep CoalMine,Anhui University ofScience and Technology,Huainan 232001,China)

The gas pressure andmining stress coupling effectwere researched by using the integrated researchmethods of field measurement,numerical simulation,mathematical and mechanical analysis.The results show that gas pressure and mining stress have good coupling effect,the former is significantly positively associated with the latter,and the gas pressure peak is ahead of themining stress peak.Gas pressure increaseswith the increase ofmining stress before gas pressure peak,which can easily induce dynamic disasters,so the area in front of gas pressure peak is the key prevention and control area for gas dynamic disasters.Based on the inner relationships of adsorption deformation of coal containing gas and the pore surface free energy,mathematics-mechanicsmodel of gassy coalmining stress and gas pressure crossfeed effect is constructed,and themechanicalmechanism of coupling effect of gas pressure and stress is revealed.

gas pressure;mining stress;coupling effect;dynamic disaster

TD712

A

0253-9993(2014)06-1089-05

謝廣祥,胡祖祥,王 磊.工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的耦合效應(yīng)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1089-1093.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1757

Xie Guangxiang,Hu Zuxiang,Wang Lei.The coupling effect of the coal seam gas pressure and m ining stress in working face[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1089-1093.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1757

2013-11-27 責(zé)任編輯:畢永華

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226806);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174003,51104004)

謝廣祥(1958—),男,安徽金寨人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:gxxie726@126.com