趙志華

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司 ，山西 高平 048400）

0 引 言

孤島工作面回采期間，覆巖活動(dòng)劇烈，礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生煤與瓦斯突出[1]。眾多學(xué)者認(rèn)為煤與瓦斯突出主要是瓦斯、煤的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力三者綜合作用的結(jié)果，如何快速、準(zhǔn)確地測(cè)定突出的相關(guān)預(yù)測(cè)指標(biāo)，是高突礦井孤島工作面急需解決的問題[2-4]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，工作面回采期間，其周圍煤體透氣性增強(qiáng)，瓦斯大量排出，在回采巷道兩幫和掘進(jìn)面會(huì)形成卸壓區(qū)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作，主要是對(duì)工作面前方一定范圍的瓦斯壓力和應(yīng)力狀況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)卸壓區(qū)域?qū)挾?，以此?lái)判斷卸壓帶能否阻止煤與瓦斯突出的發(fā)生[5-7]。本文以伯方煤礦3205孤島工作面為研究對(duì)象，分析工作面回采期間煤層滲透性變化特征，并采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段確定工作面瓦斯排放寬度，研究成果可為類似礦井起到指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)與開采條件

伯方煤礦3205工作面井下位于二盤區(qū)左翼，兩側(cè)的3207工作面和3203工作面均已完成開采，屬于典型的典型的孤島工作面。工作面長(zhǎng)度157m，推進(jìn)長(zhǎng)度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高綜放開采工藝。工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度4.82～5.46m；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角 2～6°，煤體平均抗壓強(qiáng)度11.4MPa；煤層層理、節(jié)理為中等發(fā)育。工作面直接頂為粉砂巖，厚度約3.51m，抗壓強(qiáng)度15.44MPa；基本頂為中砂巖，厚度4.55m，抗壓強(qiáng)度32.33MPa；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度1.64m，抗壓強(qiáng)度15.43MPa；基本底為粉砂巖，厚度4.27m，抗壓強(qiáng)度42.55MPa。工作面瓦斯壓力變化范圍在0.18～0.57MPa之間，瓦斯含量變化范圍在1.0128～3.0225m3/t之間。

2 孤島工作面滲透率分布特征

2.1 數(shù)值模型建立

采用COMSOL Multiphysics中的固體力學(xué)和PDE自定義模塊，建立的幾何模型和邊界條件，如圖1所示，圖中數(shù)字表示模型的開挖順序。

圖1 模型幾何模型及邊界條件

其中煤層上部載荷為負(fù)重巖層重力，頂板上覆巖層深度為5～50m，巖層平均密度為2600kg/m3。模型左右邊界分別為固定邊界和對(duì)稱邊界，工作面四周為不透氣邊界，右邊界在開挖后為壓力值是大氣壓的恒壓邊界。模型中所采用的參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

圖2為3205孤島工作面第1次和第2次開挖后應(yīng)力分布特征。

由圖2（a）可知，受開采擾動(dòng)影響，煤巖層原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在采掘空間隨后的很短時(shí)間內(nèi)，在采掘空間交界位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中區(qū)域，致使該區(qū)域煤體產(chǎn)生破碎變形，應(yīng)力集中區(qū)域向煤體后方轉(zhuǎn)移，最后穩(wěn)定后形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)；其中卸壓區(qū)寬度在3～4m之間，工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力峰值離工作面的距離為8m左右。由圖2（b）可知，第2次開挖后，工作面前方應(yīng)力狀態(tài)與第1次類似，在離回采面較近區(qū)域也是分為卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力場(chǎng)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

圖2 3205孤島工作面開挖后應(yīng)力分布特征

圖2 為3205孤島工作面第1次開挖完成后工作面前方煤體壓碎破壞產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變和開挖過程中應(yīng)力張量xy分量分布特征。

圖2 工作面第1次開挖后塑性應(yīng)變和應(yīng)力張量分布特征

由圖2（a）可知，孤島工作面中塑性應(yīng)變大小與離回采面距離呈反比，離采掘面越近，塑性應(yīng)變?cè)酱?；而相?yīng)的等效塑性應(yīng)變值呈半弧形分布，且呈逐漸遞減規(guī)律。由圖2（b）可知，工作面受上區(qū)段采空區(qū)的側(cè)向支承應(yīng)力影響比下區(qū)段要大，且與工作面推進(jìn)方向相比，兩側(cè)的支撐壓力影響范圍受工作面推進(jìn)距離影響較小。

采掘面前方煤體滲透性分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面前方煤體應(yīng)力、滲透性分區(qū)特點(diǎn)

由圖3可知，工作面回采過程中前方煤體的滲透性分布特征可大致劃分為滲透驟增、部分增加、降低明顯以及原始滲透四個(gè)階段，相應(yīng)的可以分為四個(gè)區(qū)域：①滲透I區(qū)：卸壓帶煤體受采動(dòng)應(yīng)力影響后，煤體產(chǎn)生屈服破壞，所受應(yīng)力載荷降低，裂隙發(fā)育，滲透性驟增；②滲透II區(qū)：在集中應(yīng)力帶，應(yīng)力屈服區(qū)部分煤體產(chǎn)生屈服損傷，帶來(lái)裂隙擴(kuò)展發(fā)育，致使煤體滲透性比原始煤體滲透性相比有部分增長(zhǎng)；③滲透Ⅲ區(qū)：應(yīng)力集中帶后方，由于集中應(yīng)力的存在，致使煤體的裂隙率及孔隙率大大降低，相應(yīng)地其滲透性也降低明顯；④IV區(qū)：滲透離采掘面較遠(yuǎn)的原始煤體區(qū)域，煤體應(yīng)力和滲透性均未發(fā)生變化。

3 孤島工作面瓦斯排放寬度的確定

3.1 理論分析

瓦斯從巷道周圍煤層開始向巷道內(nèi)涌出時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其巷道兩幫瓦斯壓力呈逐漸減小的規(guī)律。巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力的關(guān)系可采用公式（1）進(jìn)行表示。

式中：b為常數(shù)，r為距煤壁的距離，m；t為瓦斯流動(dòng)時(shí)間，d；P、P1、P0分別為巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力、煤層原始瓦斯壓力、巷道大氣壓力，MPa。

瓦斯從煤壁向巷道涌出時(shí)，隨著煤體內(nèi)的瓦斯不斷解吸出來(lái)，在瓦斯壓力梯度作用下向巷道內(nèi)流動(dòng)，煤體總的瓦斯含量為瓦斯涌出量與相應(yīng)的殘余瓦斯量之和，可用公式（2）表示。

將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得到：

式中：L為卸壓瓦斯排放帶寬度，m；x為所分析煤體沿巷道方向的長(zhǎng)度，m；r為煤體內(nèi)某點(diǎn)距煤壁的距離，m；a為瓦斯含量系數(shù)；B1、B2為常數(shù)；m 為煤層厚度，m。

聯(lián)立公式（1）、（3），并對(duì)結(jié)果進(jìn)行積分可得：

將公式（4）代入（3）有：

從公式（5）可知，只有當(dāng)r為無(wú)窮時(shí)，巷道兩幫絕對(duì)瓦斯壓力才可能達(dá)到原始煤層瓦斯壓力，但考慮到在r=L處的瓦斯壓力與煤層的原始瓦斯壓力相差很小，所以可以（，其中 A為定系數(shù)，大小接近于1，將該式代入公式（5）并進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得到卸壓瓦斯排放寬度L的計(jì)算表達(dá)式：

公式（6）中 B1、B2取值與巷道的寬度、煤層的瓦斯含量等參數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)出的瓦斯涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸之后求得。當(dāng)以上參數(shù)及巷道的大氣壓力、瓦斯含量系數(shù)、原始煤層瓦斯壓力確定后，即可求出L隨時(shí)間t的變化規(guī)律。

對(duì)于本文的研究對(duì)象工作面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤層瓦斯含量與壓力確定的有關(guān)參數(shù)的取值如下：P1平均為0.45MPa，P0為 0.1MPa，瓦斯含量系數(shù)為 17.8MPa0.5，A可取0.95，B1為5.6，B2為0.70，瓦斯排放時(shí)間取180d，則理論計(jì)算得到的瓦斯排放寬度L=27.4m。

3.2 沿空瓦斯排放寬度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

圖4 煤巷不同暴露時(shí)間下，不同深度的瓦斯含量

為考察孤島工作面煤巷的極限排放寬度，在工作面機(jī)巷和風(fēng)巷內(nèi)，暴露時(shí)間分別為10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d位置，沿垂直工作面走向分別施工30m深度的鉆孔，并在6m到30m范圍內(nèi)每隔2m取一次煤樣，進(jìn)行瓦斯含量的測(cè)定工作，測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，排放帶寬度隨煤巷暴露時(shí)間增加而增大，當(dāng)暴露時(shí)間增加到某種程度后趨近于某一具體值。究其原因：在煤巷初始暴露時(shí)，由于煤層破壞區(qū)內(nèi)的瞬間形成瓦斯壓力梯度，致使瓦斯迅速開始解吸。隨著時(shí)間的增加，產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)，且隨著應(yīng)力增高區(qū)前移，排放帶寬度增加迅速;煤體上覆巖層壓力重新穩(wěn)定后，排放帶寬度增加變緩，直至進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后，在很小的瓦斯壓力梯度下排放帶寬度緩慢增長(zhǎng)，直至瓦斯壓力梯度為0時(shí)達(dá)到煤巷極限排放帶寬度。

當(dāng)煤巷暴露時(shí)間為l0d時(shí)，瓦斯排放寬度大約8m；暴露時(shí)間為30d時(shí)，瓦斯排放寬度大約10m；暴露時(shí)間為60d時(shí)，瓦斯排放寬度大約12m；暴露時(shí)間為90d時(shí)；瓦斯排放寬度大約16m；暴露時(shí)間為120d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為18m；暴露時(shí)間為150d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為22m；暴露時(shí)間為180d時(shí)，瓦斯排放寬度大約為26m，這與煤巷暴露180d時(shí)理論計(jì)算得到的煤巷瓦斯排放寬度27.4m大致相等。

4 結(jié) 論

1）3205孤島工作面回采期間，隨工作面向前推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)域不斷向煤體深部轉(zhuǎn)移，卸壓區(qū)寬度在3～4m之間，工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力峰值離工作面的距離為8m左右；

2）在孤島工作面回采期間，工作面塑性應(yīng)變大小與離回采面距離呈反比，離采掘面越近，塑性應(yīng)變?cè)酱螅欢鄳?yīng)的等效塑性應(yīng)變值呈半弧形分布，且呈逐漸遞減規(guī)律；

3）孤島工作面回采過程中前方煤體滲透性分布大致可以劃分為滲透驟增、部分增加、降低明顯以及原始滲透四個(gè)階段；

4）孤島工作面瓦斯排放寬度隨著煤巷暴露時(shí)間的增大而增大，當(dāng)增加到某一階段后逐漸趨于穩(wěn)定，3205工作面煤巷暴露時(shí)間分別為10d，30d，60d，90d，120d，150d，180d 時(shí)，瓦斯排放寬度分別為 8m，10m，12m，16m，18m，22m 和 26m，與理論計(jì)算結(jié)果誤差較小。