煤田火區(qū)塌陷區(qū)滲透系數(shù)分布研究*

王文才　王鑫宙　趙婧雯

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)　內(nèi)蒙古包頭 014010)

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煤田火區(qū)塌陷區(qū)滲透系數(shù)分布研究*

王文才王鑫宙趙婧雯

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古包頭 014010)

通過分析煤田火區(qū)地表下沉量和破碎巖塊孔隙率的關(guān)系，對地表下沉量進(jìn)行測量，分析計(jì)算得到火區(qū)破碎巖塊孔隙率的分布方程。在實(shí)驗(yàn)室中測量不同孔隙率破碎巖塊的滲透系數(shù)，擬合建立滲透系數(shù)和孔隙率的關(guān)系方程，利用求得的關(guān)系方程和通過地表下沉量測量法得到的孔隙率分布方程，求得煤田火區(qū)塌陷區(qū)破碎巖塊的滲透系數(shù)分布方程。

煤田火區(qū)下沉量孔隙率滲透系數(shù)分布方程

0　引言

煤田露頭火區(qū)廣泛分布在我國內(nèi)蒙古、新疆地區(qū)，對礦區(qū)安全與環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[1]。煤田露頭火區(qū)是在開放系統(tǒng)中逐漸發(fā)展變化的，形成了由冒落破碎巖塊構(gòu)成的穩(wěn)定通風(fēng)供氧通道?；饏^(qū)的漏風(fēng)通道和風(fēng)流運(yùn)動直接影響著煤火的發(fā)展和對煤火的防治。對火區(qū)漏風(fēng)通道孔隙率和滲透系數(shù)的確定主要通過理論分析建立模型[2]，并且借鑒對采空區(qū)孔隙率和滲透系數(shù)的研究[3-4]。本文擬通過地表下沉量和塌陷區(qū)破碎巖塊孔隙率的關(guān)系得到孔隙率的分布方程，進(jìn)而得到塌陷區(qū)滲透系數(shù)的分布方程。

1　塌陷區(qū)孔隙率分布

煤田露頭火區(qū)主要分布在我國西北部，煤層多屬于淺埋煤層，常具有埋藏淺、基巖薄、表土厚的賦存特點(diǎn)。對于淺埋煤層，在開采或燒失后，上覆巖層難以形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)而整體切落，且來壓歷時(shí)較短，動載明顯，在地表常表現(xiàn)為臺階下沉[5]。在煤層燒空區(qū)，直接頂冒落產(chǎn)生的破碎巖塊經(jīng)過了由自由堆積到受上覆巖層重力影響不斷被壓實(shí)的過程，

與上覆巖層的下沉量關(guān)系密切。火區(qū)燒空區(qū)上覆巖層的斷裂和沉降規(guī)律如圖1所示。

圖1　燒空區(qū)上覆巖層移動規(guī)律

由碎漲系數(shù)的定義和孔隙率與碎漲系數(shù)的關(guān)系[6]，忽略原始煤巖體的孔隙，可得塌陷區(qū)各點(diǎn)處破碎巖塊的孔隙率為

(1)

式中，φ為破碎巖塊孔隙率；h1為煤層高度，m；h2為直接頂高度，m；H為地表下沉量，m。

在特定火區(qū)，式(1)中h1，h2是固定值，H可通過現(xiàn)場測量得到。由式(1)可通過觀測地表沉降，計(jì)算塌陷區(qū)各點(diǎn)處破碎巖塊的孔隙率。表1為某火區(qū)地表下沉量測量值。

表1　塌陷區(qū)地表下沉量

由地質(zhì)資料分析，該火區(qū)直接頂高度為1.5 m，煤層平均厚度為2 m。將表1數(shù)據(jù)帶入式(1)，得到煤田露頭火區(qū)塌陷區(qū)由燃燒區(qū)到燒空區(qū)后方各點(diǎn)破碎巖塊孔隙率。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得孔隙率分布函數(shù)為

φ=0.055 96+0.641 39e-0.064 4L

R2=0.983 46

(2)

式中，φ為破碎巖塊孔隙率；L為燒空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)到燃燒區(qū)距離，m。

由式(2)可以看出，在塌陷區(qū)內(nèi)沿著遠(yuǎn)離燃燒區(qū)的燒空區(qū)方向，破碎巖塊的孔隙率逐漸減小，并呈負(fù)指數(shù)衰減。

2　孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自制的水平氣相滲透系數(shù)測定儀。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，中間為長1m、內(nèi)徑0.1m的樣品管，兩側(cè)加裝濾網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)對樣品管兩端的均勻加壓，在樣品管兩側(cè)分別加裝長0.2m，內(nèi)徑0.2m的氣室。使用壓差計(jì)和玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量樣品管兩端壓差和氣體流量。

圖2　滲透系數(shù)測定裝置

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1)取現(xiàn)場粒徑較小的破碎巖塊，使用標(biāo)準(zhǔn)篩將巖樣篩分成粒徑為0～2mm，2～5mm，5～10mm，10

～15mm，15～20mm的5組試樣。

(2)用大燒杯分別取試樣3 000cm3，平鋪在燒杯內(nèi)。用量筒向燒杯內(nèi)加水，直到水面剛沒過試樣，記錄加水量。

(3)將試樣1裝入樣品管，兩側(cè)加裝過濾網(wǎng)，封閉裝置，檢測裝置氣密性。使用空氣壓縮機(jī)給裝置供氣，調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)功率使氣體流量為0.1m3/h，記錄裝置兩端壓差。移除試樣1，依次裝填其他試樣，按上述步驟分別測量。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)步驟(2)中測得的加水量即為破碎巖塊樣品中孔隙的體積，由孔隙率定義，破碎巖塊孔隙率可由式(3)算得。

(3)

式中，V1為破碎巖塊孔隙體積，即實(shí)驗(yàn)中的加水量，mL；V為破碎巖塊堆積狀態(tài)下的體積，cm3。

實(shí)驗(yàn)步驟(3)中，由于破碎巖塊中氣體流速較低，一般認(rèn)為屬于層流，符合多孔介質(zhì)滲流理論中的達(dá)西定律,破碎巖塊的滲透系數(shù)與裝置兩端壓差、內(nèi)部氣體流量滿足關(guān)系：

(4)

式中，K為滲透系數(shù)，m2/(Pa·s)；Q為氣體體積流量，m3/s；A為氣流通道橫截面積，m2；H為壓力差，Pa；L為滲流長度，m。

實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)及通過式(3)、式(4)計(jì)算的各試樣孔隙率和滲透系數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，隨著各試樣孔隙率的變化，滲透系數(shù)隨之變化。破碎巖塊的孔隙率增大，其滲透系數(shù)隨之增大，并且變化過程接近指數(shù)增長。對滲透系數(shù)和孔隙率的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到滲透系數(shù)隨孔隙率變化的關(guān)系式：

K=-3.49×10-8+1.04×10-8e18.9φ

R2=0.996 26

(5)3塌陷區(qū)滲透系數(shù)的分布

在煤田露頭火區(qū)中，燒空區(qū)上部直接頂冒落，破碎巖塊形成多孔介質(zhì)漏風(fēng)通道。上部老頂周期性破斷后，形成的巖塊加載在冒落的破碎巖塊上，由于重力影響，下部破碎巖塊被緩慢壓實(shí)，孔隙率逐漸減小。破碎巖塊被壓實(shí)的過程表現(xiàn)為地表的下沉，通過測量地表下沉量，利用式(5)和數(shù)據(jù)擬合，可方便求得火區(qū)破碎巖塊孔隙率分布方程。方程顯示的分布規(guī)律與通過隨機(jī)分布實(shí)驗(yàn)法[7]、Mivnt圖像分析法[8]得到的孔隙率分布規(guī)律相似。

在同一火區(qū)中，由于地質(zhì)條件相似，燒空區(qū)破碎巖塊的粒徑大小和分布情況相似，僅由于受上覆巖層壓力不同而使孔隙率不同，且孔隙率的值分布在0.1～0.5之間。因此可以認(rèn)為，燒空區(qū)破碎巖塊的滲透系數(shù)僅與孔隙率有關(guān)，并滿足式(5)。將式(2)帶入式(5)，可得到測量火區(qū)的滲透系數(shù)分布方程為

K=-3.49×10-8+1.04×10-8e1.06+12.12e-0.064 4L

(6)

4　結(jié)論

(1)塌陷區(qū)孔隙率可通過地表下沉量測量和計(jì)算得到。塌陷區(qū)孔隙率沿煤火燒空區(qū)逐漸減小，符合負(fù)冪指數(shù)變化規(guī)律。

(2)破碎巖塊的滲透系數(shù)隨著巖塊的孔隙率增大而增大，并呈現(xiàn)出指數(shù)增長規(guī)律。

(3)通過對地表下沉量的測量計(jì)算得到的塌陷區(qū)孔隙率分布方程和實(shí)驗(yàn)得到的滲透系數(shù)與孔隙率關(guān)系方程，可方便地得到煤田火區(qū)塌陷區(qū)的滲透系數(shù)分布方程。

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Study on the Distribution of Subsidence Permeability Coefficient for Coalfield Fire Area

WANG WencaiWANG XinzhouZHAO Jingwen

(InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnologyBaotou,InnerMongolia014010)

This paper analyzes the relation between the surface subsidence and broken rock porosity of coalfield fire area,to measure the surface subsidence and find out the distribution equation of broken rock porosity in fire area.ln the laboratory measurement,the permeability coefficient of broken rock with different porosity is measured,to fit and set up the relationship equation between the permeability coefficient and porosity and the distribution equation of subsidence permeability coefficient of broken rock in coalfild fire area is found out by using the obtained relationship equation and porosity distribution equation from surface subsidence measurement.

coalfield fire areasubsidenceporositypermeability coefficientdistribution equation

國家自然科學(xué)基金(51364028,51064018)。

王文才，男，1964年生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事安全工程及礦業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的教學(xué)與研究工作。

2015-09-15)