采动卸压区域瓦斯解吸规律研究

2014-04-01李尧斌李重情

中国矿业 2014年11期

李尧斌，李重情，刘健

(1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001)

瓦斯在煤层中的赋存以游离与吸附方式存在，游离瓦斯主要赋存在裂隙、大孔、中孔中，而吸附瓦斯主要赋存在微孔隙和微裂纹表面[1]。在矿井生产过程中，采掘工程破坏了原岩应力场的平衡和原始瓦斯压力的平衡，形成了采掘周围岩体的应力重新分布和瓦斯运移[2]。受采动卸压影响，裂纹发生扩展，形成新的孔隙结构，在此过程中瓦斯会发生解吸，增加瓦斯压力。一般情况是，在瓦斯压力和煤体应力相互作用的过程中煤和瓦斯发生运移，并重新达到平衡，严重情况则是发生强运移过程，即出现煤与瓦斯突出等瓦斯动力现象。可见，了解卸压煤体解吸规律，掌握瓦斯压力变化情况，对减小煤体瓦斯压力梯度，控制瓦斯动力灾害有着重要意义。

针对瓦斯解吸规律，很多学者开展了一系列研究工作。曹垚林等[3]对不同粒度煤样进行了瓦斯解吸规律实验研究，发现随着煤样粒度增大，前5min内解吸量呈逐渐减小趋势，其中6mm以下粒度表现最为明显；5min后解吸强度趋于稳定，与粒度关系不明显。李云波[4]利用自制的瓦斯解吸试验装置对不同压力、不同粒度条件下的煤样进行了实验，发现在其他条件相同的情况下，瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增大。由于煤矿煤层中多含有水分，李晓华等[5]对煤在相同吸附平衡压力和解吸时间条件下的瓦斯解吸量进行了研究，发现煤样水分含量越大，瓦斯解吸量越小。进而，张国华、赵东等[6-7]利用自制的瓦斯解吸试验装置进行了不同条件下的高压注水解吸试验，发现高压注水后瓦斯解吸量会大大减少，可降至自然解吸量的50%～70%，且瓦斯解吸的终止时间提前。许江等[8]通过自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置进行的相关实验研究，发现煤体渗透率是随温度升高而逐渐降低的。目前对瓦斯解吸规律研究主要是采用实验研究的方法进行的，笔者通过数理分析和现场试验相结合的方法对采动卸压条件下瓦斯解吸规律进行研究，找到瓦斯压力与采动卸压后煤体应力之间的关系。

1 采动卸压瓦斯解吸理论分析

采动卸压前瓦斯处于解吸和吸附的平衡共生态，在工作面前方一定体积煤体内所含瓦斯总量是恒定的，并由吸附瓦斯和游离瓦斯共同组成。假设：①煤体变形是微小的，且忽略孔隙煤体骨架解吸收缩变形；②含瓦斯煤体为均质各向同性材料；③煤体在采动卸压运动过程中温度保持不变。

采动前，单位体积煤体瓦斯气体符合气体状态方程，见式(1)。

(1)

式中：P1为采动前游离瓦斯气体压力，Pa；V1为采动前单位煤体内游离瓦斯体积，m3；n1为采动前单位煤体游离瓦斯物质的量，moL；Z为压缩系数，表示实际气体与理想气体间的偏差；R为摩尔气体常数，取8.314J/(K·moL)；T为热力学温度，k。

由于卸压影响，单位煤体在卸压前后体积应变会发生变化，且突出煤和非突出煤的全应力-应变在力学实验过程中变形总体规律基本一致[9]。假设单位体积煤体的三个边长分别为dx、dy、dz，变形后分别为dx(1+εx)、dy(1+εy)、dz(1+εz) ，由假设①可得单位体积煤体的变化量ε即为游离瓦斯的增加量，见式(2)。

(2)

根据假设②并结合广义胡克定律[10]有式(3)。

(3)

式中：E为弹性模量，MPa；ν为泊松比，为常数；σx,σy,σz为分别为煤体在X，Y，Z方向上的应力分量，MPa。

受卸压作用影响，卸压区域瓦斯吸附和解吸之间的平衡共生态被打破，瓦斯压力发生变化。设由吸附态瓦斯解吸出的游离瓦斯物质的量为△n，采动卸压煤体变形后的瓦斯压力为P2，根据假设③可得式(4)。

(4)

将游离瓦斯增加量ε代入到式(4)中可得式(5)。

(5)

所以，可得采动卸压区域煤体变形后的瓦斯压力见式(6)。

(6)

煤体在卸压前的游离瓦斯体积V1为单位煤体体积减去煤体骨架体积，可通过实验确定。△n为解吸出瓦斯物质的量，当煤体初始瓦斯压力确定，一定体积煤体内所含瓦斯总量是恒定的。假若在卸压变形后游离瓦斯量不变，即△n为零，此时瓦斯压力为瓦斯压力极限小值Pmin，见式(7)。

(7)

则可得采动卸压前瓦斯压力和极限小值Pmin间的压力降ΔP1，见式(8)。

(8)

此值就是实际产生瓦斯解吸的等效负压驱动力，在此驱动力作用下吸附瓦斯进行解吸，进而达到新的动态平衡，称之为等效负压驱动效应。张洪良等[11]在自制的负压环境瓦斯解吸模拟测定装置上进行了相关研究，研究表明随着负压的升高，累积瓦斯解吸量越大。

假若全部吸附瓦斯都解吸为游离瓦斯，且煤体变形量保持不变，则瓦斯压力达到最大，其作用力也相应达到最大，即得瓦斯压力极限大值Pmax，见式(9)。

(9)

式中：n2为采动前单位煤体吸附瓦斯物质的量。

此极限大值是瓦斯压力破坏的最大作用力，是一个理论极大值，因为随着瓦斯解吸量不断增加，瓦斯压力会进一步增大(安丰华等[12]对瓦斯解吸规律进行了分析总结，并提出了瓦斯解吸量与瓦斯压力的关系式)，将超过煤体施于的有效应力作用，煤体变形量就不可能保持不变，这与公式(9)的前提相矛盾，即实际煤体在瓦斯压力达此极限值之前一定变形。也就是说，在瓦斯压力逐渐增达靠近此值的过程中，煤体会发生新的变形，在瓦斯压力作用下，孔隙和裂纹进一步发育，煤体瓦斯运移会达到新的平衡，甚者将发生煤与瓦斯突出等瓦斯动力现象。

2 工程现场试验分析研究

为探明在采动卸压作用下的瓦斯解吸规律，对淮南矿业集团潘一东煤矿1252(1)工作面进行了现场试验研究，分别在工作面轨道顺槽和运输顺槽安装KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计和瓦斯压力表，对煤层应力和瓦斯压力进行实测，测得结果如图1至图4所示。

图1 轨道顺槽测点1应力和瓦斯压力变化曲线图

图2 运输顺槽测点1应力和瓦斯压力变化曲线图

图3 轨道顺槽测点2应力和瓦斯压力变化曲线图

图4 运输顺槽测点2应力和瓦斯压力变化曲线图

由图1～4，可见1252(1)工作面瓦斯压力与采动煤体应力存在密切的对应关系。轨道顺槽的最大瓦斯压力达到0.32MPa左右，在距工作面约为20～30m范围内出现；最大峰值应力达到24MPa左右，应力峰值区域在距工作面15～25m处。运输顺槽的最大瓦斯压力达到0.68MPa左右，在距工作面约为20～30m范围内出现；最大峰值应力达到17MPa左右，应力峰值区域在距工作面10～30m处。在工作面推进过程中，轨道顺槽的最大瓦斯压力为0.14MPa左右，最大峰值应力为22MPa左右，其影响范围约有80m；运输顺槽的最大瓦斯压力为0.22MPa左右，最大峰值应力为18MPa左右，其影响范围约有70m。

由理论分析可知，煤体采动应力变化是影响瓦斯压力的主要因素，瓦斯压力随采动卸压后应力变化而变化。在工作面推进方向应力出现集中，瓦斯压力也随出现集中，但在应力峰值之后一小段范围内，瓦斯压力进一步在增大，这就是相当于ΔP1的推动作用，所以呈现了工作面前方瓦斯压力峰值略落后于应力峰值现象。从另一个角度，由于瓦斯压力增加，阻碍了煤体的收缩程度，促进煤体内部裂纹发生[13]。所以，随着煤体的孔隙和裂纹进一步发育，煤体的透气性增大，提供给游离瓦斯的空间增加，致使瓦斯压力升至一定值后逐渐降低，且此值必小于Pmax。

此外，对图2与图3、图4与图5的比较发现，轨道顺槽煤体应力大于运输顺槽煤体应力，但瓦斯压力却是轨道顺槽的小于对应运输顺槽的，这似乎与应力主导瓦斯压力的对应关系相矛盾。据实际生产情况分析，应该是轨道顺槽侧临近上一工作面采空区，为受其卸压瓦斯渗流释放影响所致。