李堯斌，李重情，劉 健

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

瓦斯在煤層中的賦存以游離與吸附方式存在，游離瓦斯主要賦存在裂隙、大孔、中孔中，而吸附瓦斯主要賦存在微孔隙和微裂紋表面[1]。在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，采掘工程破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡和原始瓦斯壓力的平衡，形成了采掘周?chē)鷰r體的應(yīng)力重新分布和瓦斯運(yùn)移[2]。受采動(dòng)卸壓影響，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，形成新的孔隙結(jié)構(gòu)，在此過(guò)程中瓦斯會(huì)發(fā)生解吸，增加瓦斯壓力。一般情況是，在瓦斯壓力和煤體應(yīng)力相互作用的過(guò)程中煤和瓦斯發(fā)生運(yùn)移，并重新達(dá)到平衡，嚴(yán)重情況則是發(fā)生強(qiáng)運(yùn)移過(guò)程，即出現(xiàn)煤與瓦斯突出等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象?？梢?jiàn)，了解卸壓煤體解吸規(guī)律，掌握瓦斯壓力變化情況，對(duì)減小煤體瓦斯壓力梯度，控制瓦斯動(dòng)力災(zāi)害有著重要意義。

針對(duì)瓦斯解吸規(guī)律，很多學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作。曹垚林等[3]對(duì)不同粒度煤樣進(jìn)行了瓦斯解吸規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著煤樣粒度增大，前5min內(nèi)解吸量呈逐漸減小趨勢(shì)，其中6mm以下粒度表現(xiàn)最為明顯；5min后解吸強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，與粒度關(guān)系不明顯。李云波[4]利用自制的瓦斯解吸試驗(yàn)裝置對(duì)不同壓力、不同粒度條件下的煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在其他條件相同的情況下，瓦斯解吸初速度隨粒度的減小而增大。由于煤礦煤層中多含有水分，李曉華等[5]對(duì)煤在相同吸附平衡壓力和解吸時(shí)間條件下的瓦斯解吸量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤樣水分含量越大，瓦斯解吸量越小。進(jìn)而，張國(guó)華、趙東等[6-7]利用自制的瓦斯解吸試驗(yàn)裝置進(jìn)行了不同條件下的高壓注水解吸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓注水后瓦斯解吸量會(huì)大大減少，可降至自然解吸量的50%～70%，且瓦斯解吸的終止時(shí)間提前。許江等[8]通過(guò)自主研發(fā)的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤體滲透率是隨溫度升高而逐漸降低的。目前對(duì)瓦斯解吸規(guī)律研究主要是采用實(shí)驗(yàn)研究的方法進(jìn)行的，筆者通過(guò)數(shù)理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)采動(dòng)卸壓條件下瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行研究，找到瓦斯壓力與采動(dòng)卸壓后煤體應(yīng)力之間的關(guān)系。

1 采動(dòng)卸壓瓦斯解吸理論分析

采動(dòng)卸壓前瓦斯處于解吸和吸附的平衡共生態(tài)，在工作面前方一定體積煤體內(nèi)所含瓦斯總量是恒定的，并由吸附瓦斯和游離瓦斯共同組成。假設(shè)：①煤體變形是微小的，且忽略孔隙煤體骨架解吸收縮變形；②含瓦斯煤體為均質(zhì)各向同性材料；③煤體在采動(dòng)卸壓運(yùn)動(dòng)過(guò)程中溫度保持不變。

采動(dòng)前，單位體積煤體瓦斯氣體符合氣體狀態(tài)方程，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：P1為采動(dòng)前游離瓦斯氣體壓力，Pa；V1為采動(dòng)前單位煤體內(nèi)游離瓦斯體積，m3；n1為采動(dòng)前單位煤體游離瓦斯物質(zhì)的量，moL；Z為壓縮系數(shù)，表示實(shí)際氣體與理想氣體間的偏差；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(K·moL)；T為熱力學(xué)溫度，k。

由于卸壓影響，單位煤體在卸壓前后體積應(yīng)變會(huì)發(fā)生變化，且突出煤和非突出煤的全應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诹W(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變形總體規(guī)律基本一致[9]。假設(shè)單位體積煤體的三個(gè)邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz，變形后分別為dx(1+εx)、dy(1+εy)、dz(1+εz) ，由假設(shè)①可得單位體積煤體的變化量ε即為游離瓦斯的增加量，見(jiàn)式(2)。

(2)

根據(jù)假設(shè)②并結(jié)合廣義胡克定律[10]有式(3)。

(3)

式中：E為彈性模量，MPa；ν為泊松比，為常數(shù)；σx,σy,σz為分別為煤體在X，Y，Z方向上的應(yīng)力分量，MPa。

受卸壓作用影響，卸壓區(qū)域瓦斯吸附和解吸之間的平衡共生態(tài)被打破，瓦斯壓力發(fā)生變化。設(shè)由吸附態(tài)瓦斯解吸出的游離瓦斯物質(zhì)的量為△n，采動(dòng)卸壓煤體變形后的瓦斯壓力為P2，根據(jù)假設(shè)③可得式(4)。

(4)

將游離瓦斯增加量ε代入到式(4)中可得式(5)。

(5)

所以，可得采動(dòng)卸壓區(qū)域煤體變形后的瓦斯壓力見(jiàn)式(6)。

(6)

煤體在卸壓前的游離瓦斯體積V1為單位煤體體積減去煤體骨架體積，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定?！鱪為解吸出瓦斯物質(zhì)的量，當(dāng)煤體初始瓦斯壓力確定，一定體積煤體內(nèi)所含瓦斯總量是恒定的。假若在卸壓變形后游離瓦斯量不變，即△n為零，此時(shí)瓦斯壓力為瓦斯壓力極限小值Pmin，見(jiàn)式(7)。

(7)

則可得采動(dòng)卸壓前瓦斯壓力和極限小值Pmin間的壓力降ΔP1，見(jiàn)式(8)。

(8)

此值就是實(shí)際產(chǎn)生瓦斯解吸的等效負(fù)壓驅(qū)動(dòng)力，在此驅(qū)動(dòng)力作用下吸附瓦斯進(jìn)行解吸，進(jìn)而達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，稱之為等效負(fù)壓驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。張洪良等[11]在自制的負(fù)壓環(huán)境瓦斯解吸模擬測(cè)定裝置上進(jìn)行了相關(guān)研究，研究表明隨著負(fù)壓的升高，累積瓦斯解吸量越大。

假若全部吸附瓦斯都解吸為游離瓦斯，且煤體變形量保持不變，則瓦斯壓力達(dá)到最大，其作用力也相應(yīng)達(dá)到最大，即得瓦斯壓力極限大值Pmax，見(jiàn)式(9)。

(9)

式中：n2為采動(dòng)前單位煤體吸附瓦斯物質(zhì)的量。

此極限大值是瓦斯壓力破壞的最大作用力，是一個(gè)理論極大值，因?yàn)殡S著瓦斯解吸量不斷增加，瓦斯壓力會(huì)進(jìn)一步增大(安豐華等[12]對(duì)瓦斯解吸規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了瓦斯解吸量與瓦斯壓力的關(guān)系式)，將超過(guò)煤體施于的有效應(yīng)力作用，煤體變形量就不可能保持不變，這與公式(9)的前提相矛盾，即實(shí)際煤體在瓦斯壓力達(dá)此極限值之前一定變形。也就是說(shuō)，在瓦斯壓力逐漸增達(dá)靠近此值的過(guò)程中，煤體會(huì)發(fā)生新的變形，在瓦斯壓力作用下，孔隙和裂紋進(jìn)一步發(fā)育，煤體瓦斯運(yùn)移會(huì)達(dá)到新的平衡，甚者將發(fā)生煤與瓦斯突出等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

2 工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析研究

為探明在采動(dòng)卸壓作用下的瓦斯解吸規(guī)律，對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東煤礦1252(1)工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分別在工作面軌道順槽和運(yùn)輸順槽安裝KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)和瓦斯壓力表，對(duì)煤層應(yīng)力和瓦斯壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)得結(jié)果如圖1至圖4所示。

圖1 軌道順槽測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖2 運(yùn)輸順槽測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖3 軌道順槽測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

圖4 運(yùn)輸順槽測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力和瓦斯壓力變化曲線圖

由圖1～4，可見(jiàn)1252(1)工作面瓦斯壓力與采動(dòng)煤體應(yīng)力存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。軌道順槽的最大瓦斯壓力達(dá)到0.32MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)；最大峰值應(yīng)力達(dá)到24MPa左右，應(yīng)力峰值區(qū)域在距工作面15～25m處。運(yùn)輸順槽的最大瓦斯壓力達(dá)到0.68MPa左右，在距工作面約為20～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)；最大峰值應(yīng)力達(dá)到17MPa左右，應(yīng)力峰值區(qū)域在距工作面10～30m處。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，軌道順槽的最大瓦斯壓力為0.14MPa左右，最大峰值應(yīng)力為22MPa左右，其影響范圍約有80m；運(yùn)輸順槽的最大瓦斯壓力為0.22MPa左右，最大峰值應(yīng)力為18MPa左右，其影響范圍約有70m。

由理論分析可知，煤體采動(dòng)應(yīng)力變化是影響瓦斯壓力的主要因素，瓦斯壓力隨采動(dòng)卸壓后應(yīng)力變化而變化。在工作面推進(jìn)方向應(yīng)力出現(xiàn)集中，瓦斯壓力也隨出現(xiàn)集中，但在應(yīng)力峰值之后一小段范圍內(nèi)，瓦斯壓力進(jìn)一步在增大，這就是相當(dāng)于ΔP1的推動(dòng)作用，所以呈現(xiàn)了工作面前方瓦斯壓力峰值略落后于應(yīng)力峰值現(xiàn)象。從另一個(gè)角度，由于瓦斯壓力增加，阻礙了煤體的收縮程度，促進(jìn)煤體內(nèi)部裂紋發(fā)生[13]。所以，隨著煤體的孔隙和裂紋進(jìn)一步發(fā)育，煤體的透氣性增大，提供給游離瓦斯的空間增加，致使瓦斯壓力升至一定值后逐漸降低，且此值必小于Pmax。

此外，對(duì)圖2與圖3、圖4與圖5的比較發(fā)現(xiàn)，軌道順槽煤體應(yīng)力大于運(yùn)輸順槽煤體應(yīng)力，但瓦斯壓力卻是軌道順槽的小于對(duì)應(yīng)運(yùn)輸順槽的，這似乎與應(yīng)力主導(dǎo)瓦斯壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系相矛盾。據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況分析，應(yīng)該是軌道順槽側(cè)臨近上一工作面采空區(qū)，為受其卸壓瓦斯?jié)B流釋放影響所致。

3 結(jié)論

1)采動(dòng)應(yīng)力變化是導(dǎo)致瓦斯解吸的原始驅(qū)動(dòng)力，是瓦斯解吸背后的動(dòng)因，在距工作面10～30m范圍內(nèi)出現(xiàn)集中。

2)受采動(dòng)卸壓影響，瓦斯隨之發(fā)生解吸，并由于等效負(fù)壓驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，瓦斯壓力的峰值落后于煤體應(yīng)力峰值，在距工作面距離20～30m范圍間達(dá)到最大值，且峰值小于理論極大值Pmax。

3)軌道順槽應(yīng)力峰值及其影響范圍大于運(yùn)輸順槽。

4)由于瓦斯解吸影響因素復(fù)雜，如煤的性質(zhì)、地質(zhì)條件、溫度、透氣性、含水率、應(yīng)力狀態(tài)等，針對(duì)采動(dòng)卸壓后瓦斯解吸規(guī)律有待進(jìn)一步考慮多因素同時(shí)交叉作用情況下的細(xì)化研究。

[1] 趙陽(yáng)升.煤體-瓦斯耦合數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1994,13(3):229-238.

[2] 彭守建,許江,尹光志,等.煤巖破斷與瓦斯運(yùn)移耦合作用機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(12):2024-2028.

[3] 曹垚林,仇海生.碎屑狀煤芯瓦斯解吸規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè),2007,16(12):119-123.

[4] 李云波,張玉貴,張子敏,等.構(gòu)造煤瓦斯解吸初期特征實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(1):15-20.

[5] 李曉華,王兆豐,李青松,等.水分對(duì)新景礦3號(hào)煤層瓦斯吸附解吸規(guī)律的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(5):47-50.

[6] 趙東,馮增朝,趙陽(yáng)升.高壓注水對(duì)煤體瓦斯解吸特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(3):547-554.

[7] 張國(guó)華,劉先新,畢業(yè)武,等.高壓注水中水對(duì)瓦斯解吸影響試驗(yàn)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2011,21(3):101-105.

[8] 許江,張丹丹,彭守建,等.三軸應(yīng)力條件下溫度對(duì)原煤滲流特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(9):1848-1854.

[9] 尹光志,蔣長(zhǎng)寶,李曉泉,等.突出煤和非突出煤全應(yīng)力-應(yīng)變瓦斯?jié)B流試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(6):1613-1619.

[10] 徐秉業(yè),劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:84-85.

[11] 張洪良,王兆豐,陳向軍.負(fù)壓環(huán)境下煤的瓦斯解吸規(guī)律試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,30(6):634-637.

[12] 安豐華,程遠(yuǎn)平,吳冬梅,等.基于瓦斯解吸特性推算煤層瓦斯壓力的方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(1):81-85.

[13] 尹光志,李小雙,趙洪寶,等.瓦斯壓力對(duì)突出煤瓦斯?jié)B流影響試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(4):697-702.