趙鵬翔 ，張文進，李樹剛 ，卓日升，林海飛，索 亮

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054；3.煤炭行業(yè)西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心,陜西 西安 710054；4.四川交通職業(yè)技術學院,四川 成都 611130；5.四川省長大公路隧道(群)運營安全工程實驗室,四川 成都 610095)

為實現(xiàn)高產(chǎn)高效，許多礦井在條件允許時，通過增加采高和工作面長、提高推進速度等措施來增加工作面單產(chǎn)[1-2]，而采高和工作面長設計受地質條件和生產(chǎn)技術水平影響較大，推進速度可控性較強，在一定程度上能減小覆巖變形，從而緩解礦山壓力。隨著開采強度的不斷增加，瓦斯突出和爆炸的事故發(fā)生率隨之上升[3-5]，嚴重影響煤炭開采效率。采空區(qū)上覆巖層中瓦斯的運移和儲集受裂隙的位置、角度、密度、幾何尺寸和貫通度等因素的影響，因此，研究不同推進速度下上覆巖層裂隙的特征和演化規(guī)律對于了解煤礦工作面卸壓瓦斯運移和儲集能力至關重要。由于覆巖裂隙結構具有復雜性和不規(guī)則性，難以定量描述瓦斯運移的路徑，也無法確定瓦斯儲存的位置[6-9]。

目前，為了解瓦斯在煤巖層中的運動規(guī)律，確定其積聚的范圍，國內(nèi)外眾多學者對采動覆巖裂隙網(wǎng)絡演化及其形態(tài)等方面進行了大量的研究。袁亮等[10]提出了低滲透煤層瓦斯抽采的高水平環(huán)狀裂隙模型，為類似地質條件下低滲透煤層的開采提供了參考?；凇癘”形圈和關鍵層理論，李樹剛等[11-12]結合二維物理相似模擬和數(shù)值模擬，提出了更適合描述近水平綜采工作面裂隙分布的模型。伍永平等[13-15]建立了大傾角煤層走向長壁開采巖體結構空間模型，對非對稱煤巖的滑落失穩(wěn)，進而誘發(fā)動力學災害的機理進行了深入分析，并確定了維持大傾角工作面穩(wěn)定性的區(qū)段煤柱合理尺寸。ZHOU 等[16]運用相似模擬實驗方法，結合數(shù)字近景攝影測量技術，研究不同煤層傾角條件下覆巖位移場變化規(guī)律，并根據(jù)位移矢量方向將位移場分為5 個區(qū)域，同時定義了位移指數(shù)以分析位移場的對稱性。就實際工業(yè)適用性而言，QU 等[17-19]進行了大量的模擬研究，并將實驗結果與上述理論進行比較，獲得與工程應用更為匹配的簡化模型。

為定量描述裂隙結構的非均質性，更為準確地判定瓦斯流動去向，部分學者開始以分形維度的視角，采用分形的數(shù)學方法來研究瓦斯運移通道的發(fā)育規(guī)律。XIE 等[20]將分形理論應用于巖石力學，解釋了復雜的巖石裂縫不規(guī)則性，確定了粗糙度與分形維數(shù)之間的關系。結合分形理論，WANG 等[21]對采動覆巖裂隙發(fā)育及其分形特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著采高的增加，裂隙網(wǎng)絡的分形維數(shù)主要表現(xiàn)為快速上升，緩慢增加和穩(wěn)定變化3 個階段。LIANG 等[22]通過建立不同水平區(qū)和垂直區(qū)的分形維數(shù)與采動覆巖裂隙長度的關系，表明水平區(qū)和垂直區(qū)的分形維數(shù)具有自相似性，采動裂隙的分形維數(shù)分布總體上呈“W”型趨勢。YANG 等[23]通過建立基于采動裂隙分形維數(shù)的煤層透氣性系數(shù)計算模型，分析裂隙發(fā)育與分形維數(shù)的關系，確定瓦斯運移規(guī)律和瓦斯富集的裂隙區(qū)域。GAO等[24]利用數(shù)值模擬和分形理論探討了上覆巖層的演化過程和時空分布特征，認為采動作用使上覆巖層退化，內(nèi)部損傷累積最終導致上覆巖層破壞。為掌握采動影響區(qū)覆巖裂隙時空演化規(guī)律，李宏艷等[25]采用數(shù)理統(tǒng)計和分形理論對裂隙場分布進行定性分析，通過分析裂隙張開的程度得出中、高角度過渡區(qū)是瓦斯抽采工程措施實施的主要區(qū)域。ZHAO 等[26-27]基于分形維數(shù)計算和二維物理相似模擬實驗結果，提出了計算不同影響因素下瓦斯運移通道演化特征的有效模型。

上述研究主要集中于煤層采高和傾角對覆巖裂隙場演化和瓦斯流動的影響，而針對于開采過程中瓦斯運儲的推進速度效應研究較少，同時，采空區(qū)上覆巖層在載荷作用下將發(fā)生壓縮變形[28-29]，該變形具有時間效應，推進速度決定了壓縮時間和變形量，對瓦斯運移和儲集空間的發(fā)育和移動產(chǎn)生重要影響。因此，筆者旨在研究不同推進速度下覆巖瓦斯運-儲區(qū)的裂隙演化規(guī)律，分析瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)在不同推進速度下的交叉融合動態(tài)變化特征，建立瓦斯運-儲區(qū)的推速效應量化表征模型，形成瓦斯運-儲區(qū)邊界及狀態(tài)的判定流程，從而揭示瓦斯運-儲區(qū)的對稱周期性構建機制。

1 物理模擬實驗

1.1 實驗原型

實驗原型選取山西某高瓦斯礦井工作面，煤層走向長度為2 081.0 m，平均埋深為410.0 m，平均厚度為5.1 m，平均傾角為7°，屬于近水平煤層。工作面采用綜合機械化一次采全高的回采方式。煤層及上覆巖層的部分物理參數(shù)如圖1 所示。

圖1 煤巖層物理力學參數(shù)Fig.1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

實驗平臺的設計尺寸為1 100 mm×140 mm×1 000 mm，物理模型遵循實驗原型的地質條件和物理模擬實驗條件，滿足相似定理，模型與原型之間的幾何相似比為1∶100，時間相似比為1∶10，容重相似比為1∶1.5，應力相似比為1∶150。

1.2 工作面推進速度的確定

在煤礦生產(chǎn)過程中，推進速度對生產(chǎn)安全和效率有著至關重要的影響。推進過慢，可能造成采空區(qū)遺煤自燃，引發(fā)礦井火災。然而，推進過快可能導致瓦斯涌出過快，涌出量過大，提升瓦斯事故發(fā)生概率。在實際生產(chǎn)過程中，工作面日產(chǎn)量為6 204 t，平均推進速度為4.5 m/d。綜合考慮煤自燃及瓦斯涌出問題，由式(1)可確定待測工作面日推進速度的最小值vmin和最大值vmax[30]：

式中，Lmax為氧化升溫帶最大寬度，m；κ為實驗氧氣體積分數(shù)與實際氧氣體積分數(shù)相似比例系數(shù)；τmin為浮煤最短自然發(fā)火期，d；W為日產(chǎn)量，t；L為工作面長度，m；h為工作面高度，m；ρ為煤的密度，t/m3；c為采出率，%。

計算得，保證工作面安全生產(chǎn)的最小推進速度為2.85 m/d，最大推進速度為8.17 m/d。

綜上，工作面合理的推進速度為2.85～8.17 m/d。實際工作面推進速度4.5 m/d 為安全的中等推進速度，因而筆者以2 m/d 為差值，設置實驗條件為3、5、7 m/d，將高瓦斯厚煤層推進速度劃分為低速、中速、高速3 個區(qū)域范圍。

1.3 實驗方案

利用西安科技大學西部礦山煤與瓦斯共采實驗室的二維平面模擬實驗臺進行煤層走向采動覆巖裂隙演化物理相似模擬實驗。以山西某高瓦斯礦井實際開采工藝設計實驗，工作面沿走向推進，具體實驗過程如下：

(1)模型搭建。模型自下而上構建，將河沙、大白粉、石膏、水等材料均勻混合至膠結成團，制作的相似材料組成、強度等與實際煤巖力學參數(shù)差別很小，能較好地模擬實際巖層，所用原材料的數(shù)量見表1。在煤層底部鋪設73 個高精度無線應力傳感器實時監(jiān)測應力數(shù)據(jù)，并在每層巖層上方均勻覆蓋厚度為1 mm的152.4～254.0 mm 云母片用作分層，模擬巖層的層理結構。模型構建完成自然風干3～4 周后，在煤層上方橫、縱向間隔100 mm 布置位移測點，并根據(jù)工作面埋深對模型頂部施加均勻載荷，計算如下：

表1 物理相似模擬實驗模型材料配比Table 1 Material mix proportion of physical similarity simulation experimental model

式中，σV為模型頂部的應力載荷，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為模型的模擬埋深，m。

(2)模型開采設計。模型開采長度為1 100 mm，為了避免邊界效應對實驗結果的影響，工作面兩側各預留長度為100 mm 的煤柱，開切眼為80 mm，工作面每次推進速度交替指定為20、30 mm，避免來壓步距為某一數(shù)值的倍數(shù)而與現(xiàn)場實際來壓步距存在較大偏差。

(3)數(shù)據(jù)監(jiān)測。在實驗過程中，記錄煤層底板應力傳感器的數(shù)據(jù)變化、位移測點的移動軌跡、裂隙空間坐標、裂隙長度、裂隙發(fā)育高度，采集工作面周期來壓前后的模型圖片。實驗結束后，采用圖像分析法進行二值化處理，通過數(shù)值模擬軟件計算裂隙區(qū)域面積和裂隙率，為深入分析卸壓瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)受工作面推進速度影響的交叉融合演化規(guī)律提供基礎。

2 瓦斯運–儲區(qū)區(qū)域裂隙演化特征

隨著工作面往前推進，巖層經(jīng)歷變形—彎曲—下沉—破斷的過程，形成由橫向離層裂隙與縱向破斷裂隙共同構成的復雜裂隙網(wǎng)絡，供卸壓瓦斯運移和儲集，進而形成卸壓瓦斯運-儲區(qū)。

2.1 瓦斯運–儲區(qū)裂隙開合度變化特征

裂隙內(nèi)瓦斯的流動狀態(tài)與流速、開合度、黏度及密度有關。業(yè)內(nèi)學者對瓦斯通道的發(fā)育特征及其對卸壓瓦斯流態(tài)的影響進行了深入的研究[31-32]，發(fā)現(xiàn)在Karman 準則的基礎上，瓦斯的流動狀態(tài)可采用雷諾數(shù)來判定，瓦斯在裂隙中的流態(tài)依據(jù)雷諾數(shù)主要分為層流、過渡流和紊流。通常地，在靠近采空區(qū)的較小范圍內(nèi)漏風較大，而其他區(qū)域則為類似雷諾系數(shù)的滲流。因此通過二維物理模擬實驗獲得的裂隙開合度可與雷諾數(shù)聯(lián)合確定各種裂隙開合度所對應的瓦斯主要流動狀態(tài)，從而判定瓦斯流動的區(qū)域。

覆巖裂隙開合度分布特征如圖2 所示，不同推進速度下的裂隙開合度均發(fā)生突變，而這種突變確定了瓦斯運-儲區(qū)與覆巖壓實區(qū)的邊界，為瓦斯運-儲區(qū)的形成創(chuàng)造了條件，因此裂隙開合度突變可以作為上覆巖層中瓦斯運-儲區(qū)邊界度量的特征參數(shù)。根據(jù)裂隙開合度的分布特征，壓實區(qū)裂隙開合度均小于1 m，平均0.31～0.42 m，裂隙的閉合阻礙了瓦斯流動，致使卸壓瓦斯選擇裂隙開合度更大的區(qū)域運移，形成了瓦斯運-儲區(qū)，如圖3 所示。由此以裂隙開合度1 m 為界限，區(qū)分瓦斯運-儲區(qū)和覆巖壓實區(qū)。

圖2 不同推進速度下裂隙開合度分布特征Fig.2 Distribution characteristics of fracture openness under different propulsion speeds

圖3 物理相似模擬結果Fig.3 Results of physical similarity simulation

當推進速度不同時，隨開采進程裂隙開合度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的3 段分布。從圖2 可知，推進速度加快，巖層缺乏發(fā)生斷裂的時間，部分離層裂隙迅速被壓實，裂隙開合度不斷減小，運-儲區(qū)裂隙帶從采空區(qū)中部向兩側縮減，故推進速度的加快對裂隙網(wǎng)絡的擴展具有約束作用，推進速度為7 m/d 時的裂隙開合度與3 m/d 和5 m/d 相比，其突變區(qū)域范圍分別縮減了42.2%和21.3%。

2.2 瓦斯運–儲區(qū)裂隙貫通度變化特征

破斷裂隙為瓦斯的升浮提供了通道，其貫通度可描述巖層的破斷程度及破斷裂隙內(nèi)瓦斯運移能力強弱，貫通度低的巖層限制了瓦斯的升浮，迫使瓦斯大量儲集，因此通過裂隙區(qū)貫通度的變化規(guī)律可量化瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)的交界。根據(jù)式(3)可得不同推進速度下覆巖貫通度分布曲線(圖4)，貫通度隨巖層高度的增加而減小，當貫通度下降至0.6 時發(fā)生突變，此時3、5、7 m/d 推進速度對應的高度分別為42、40、38 m，巖層通透性快速下降，瓦斯難以升浮而發(fā)生積聚，形成了瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)的交界，其中推進速度為3 m/d 時的交界高度與5、7 m/d 相比分別高4、2 m。隨著推進速度的增大，巖層回轉變形周期短，巖體垮落快，其下方自由空間小，貫通度逐漸變小。

圖4 不同推進速度下貫通度分布曲線Fig.4 Distribution curves of through degree under different propulsion speeds

式中，Di為上覆巖層中i層的貫通度；hi為第i層的巖層厚度；ai為覆巖中破斷裂隙的發(fā)育長度，m。

2.3 采動覆巖“三帶”橫縱裂隙聯(lián)動演化特征

采動覆巖破壞“三帶”橫縱裂隙聯(lián)動演化特征如圖5 所示，斷裂帶內(nèi)巖層離層和破斷裂隙隨著周期來壓向上發(fā)育并相互貫通，形成瓦斯運移及匯聚的裂隙網(wǎng)絡，圖中藍色區(qū)域為離層裂隙與破斷裂隙發(fā)育高度的差值，創(chuàng)造了利于瓦斯儲集的空間，橫縱裂隙的聯(lián)動演化為瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)的融合和分離提供了基礎。

通過對比圖5(a)～(c)發(fā)現(xiàn)，覆巖“三帶”高度之和隨推進速度減小而下降，其中垮落帶高度減小，斷裂帶高度增大。在垮落帶中，不規(guī)則垮落帶的占比增大，同時規(guī)則垮落帶的占比減小，碎脹系數(shù)增大；在裂隙帶中，巖層由于下落的時間周期較長，各處發(fā)生了不同程度的拉伸斷裂和剪切錯動，巖層出現(xiàn)破斷裂隙的頻率增加，導致了瓦斯運移空間的增大，在此過程中，瓦斯匯聚的空間不斷被破壞，范圍逐漸減小。推進速度增大，工作面上方巖層因短時間內(nèi)形成了范圍較大的懸臂梁結構而穩(wěn)定下降，巖層容易失穩(wěn)垮落，縱向裂隙斷裂時間減少，離層裂隙發(fā)育高度增大，致使瓦斯匯聚的空間明顯擴大。

3 瓦斯運–儲區(qū)對稱周期性構建機制

3.1 瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)幾何參數(shù)演化規(guī)律

通過對卸壓瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)空間形態(tài)表征參數(shù)(高度、寬度)進行測量及分析其隨工作面推進速度變化的規(guī)律，掌握卸壓瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)空間形態(tài)演化規(guī)律，形態(tài)變化規(guī)律如圖6 所示。

瓦斯運移區(qū)的高度和寬度存在明顯的同步規(guī)律性增大。如圖6(a)所示，隨著工作面的推進，瓦斯運移區(qū)的高度和寬度呈現(xiàn)持續(xù)增大的變化趨勢，增長的幅度先增加后減小。在高強開采的情況下，會對上覆巖層造成較大的擾動，使各巖層之間產(chǎn)生離層，因此離層裂隙發(fā)育至較高的層位，而巖層斷裂不完全或沒有斷裂就發(fā)生了垮落，與推進速度較低時相比，瓦斯運移區(qū)的高度和寬度較小。

瓦斯儲集區(qū)的高度和寬度呈非同步變化。如圖6(b)，瓦斯儲集區(qū)形成之后，其高度在第1 至第3 次周期來壓期間呈指數(shù)增長的趨勢，從第4 次周期來壓開始，受關鍵層的影響，瓦斯儲集區(qū)的發(fā)育高度受到限制，區(qū)域擴大的速度下降，而寬度呈現(xiàn)“增—減—增”的變化規(guī)律，這是由于在第5 次周期來壓之前，瓦斯儲集區(qū)與運移區(qū)處于相互交叉融合的狀態(tài)，2 者沒有完全分離，在第5 次周期來壓時，離層裂隙繼續(xù)發(fā)育，破斷裂隙基本停止發(fā)育，瓦斯運移區(qū)不再擴大，而瓦斯儲集區(qū)繼續(xù)向上擴展，逐漸獨立形成，因此寬度發(fā)生驟減，然后隨工作面推進其區(qū)域范圍逐漸擴大。隨著推進速度的加快，上覆巖層易形成懸臂梁結構，工作面和壓力拱之間的距離增加，裂隙的發(fā)育時間減少，因此瓦斯儲集區(qū)的空間分布受到了限制，運-儲區(qū)發(fā)育的區(qū)域范圍減小。

3.2 瓦斯運-儲區(qū)交叉融合動態(tài)變化特征

在開采擾動的影響下，上覆巖層產(chǎn)生的裂隙由于尺寸、方向、位置不同而形成了瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)，區(qū)域之間及其內(nèi)部的裂隙相互交錯，分布不均勻，具有無序性與隨機性的特征。研究表明[33]，基于信息熵具有描述信息源不確定度的特性，可以分別用概率熵、模糊熵和混合熵來定量描述不確定信息的隨機性、模糊性和復合不確定性，而覆巖裂隙擴展的方向存在概率特征，因此在信息論和概率熵模型的基礎上，可通過定義覆巖裂隙熵來量化裂隙擴展的方向分布特征和裂隙系統(tǒng)的無序化程度，從而表征瓦斯運-儲區(qū)相互交叉融合的動態(tài)過程。

在裂隙熵中，沿平面取一起點，將方向區(qū)間0°到180°劃分為10 等分，計算裂隙在區(qū)間內(nèi)的分布概率并將其歸一化處理，即可得到裂隙熵的范圍。采用信息熵和裂隙面積與研究區(qū)域面積之比可分別描述覆巖裂隙的方向隨機性和分布密集度，由此定義裂隙熵Kf和裂隙率Rf的計算公式[34]可表示為

式中，pi為某區(qū)域中的裂隙在此區(qū)域中出現(xiàn)的概率；n為區(qū)域的劃分個數(shù)；pj為區(qū)域內(nèi)劃分面積的概率；m為區(qū)域內(nèi)劃分面積的個數(shù)；Sf為裂隙的總面積，m2；Sa為研究區(qū)域的總面積，m2。

瓦斯運-儲區(qū)裂隙熵的變化表明了裂隙系統(tǒng)的狀態(tài)，裂隙熵的增加表明裂隙系統(tǒng)由有序向無序發(fā)展的過程。為了更準確分析瓦斯運-儲區(qū)的演化規(guī)律，采用區(qū)域劃分的方法，由于1～2 m 單元無法完全覆蓋完整的裂隙，3 m 以上的單元影響計算精度，故以瓦斯運-儲區(qū)豎向每3 m 為一個單元，對每個單元進行裂隙率和裂隙熵計算。

由每次周期來壓瓦斯運-儲區(qū)裂隙率和裂隙熵的梯度變化可知，裂隙總體表現(xiàn)為趨于同一方向，面積逐漸減小，但是由于采動作用的影響，其變化速率不同。裂隙熵的變化隨工作面的推進先增大后減小，裂隙率的變化隨工作面的推進分別經(jīng)歷了2 次增大和減小，結合隨周期來壓的覆巖裂隙變化和瓦斯運-儲區(qū)域演化，分析瓦斯運-儲區(qū)的交叉融合動態(tài)變化過程。

如圖7(a)、(b)所示，瓦斯運-儲區(qū)初次形成：初次來壓時，巖石破碎分散，瓦斯流動紊亂，采空區(qū)整體空間較小，瓦斯運儲一體，以循環(huán)運移為主，垮落巖層上方形成空洞，自距煤層底板高6 m 起，裂隙率隨高度增加而穩(wěn)定增大，最大值達到56.4%。第1 次周期來壓時覆巖斷裂，巖石破碎較嚴重，形成大量裂隙，裂隙寬度和密度較大，裂隙的方向分布趨于混亂，裂隙場的無序程度增加，裂隙率和裂隙熵增大，采空區(qū)上部空間較大，瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)初次形成，此時空洞受到壓縮，裂隙場最高處裂隙率減小至39.9%。

圖7 瓦斯運-儲區(qū)裂隙率和裂隙熵梯度變化Fig.7 Gradient variation of fracture rate and fracture entropy in gas transport-storage area

如圖7(c)所示，瓦斯運-儲區(qū)第1 次交叉融合：由于周期來壓引起覆巖對原垮落巖石的二次擠壓，舊裂隙的壓密和新裂隙的產(chǎn)生導致裂隙熵的繼續(xù)增大和裂隙率快速減小，裂隙面積有所減小，空洞進一步壓縮，裂隙場最高處裂隙率為27.4%。在距煤層底板高度15 m 處，裂隙率減小的同時裂隙熵開始增大，裂隙場的無序程度增加，原瓦斯儲集區(qū)巖層出現(xiàn)不完全斷裂而發(fā)生破壞，致使一部分儲集的瓦斯沿完全破斷裂隙繼續(xù)向上運移，另一部分儲集的瓦斯沿不完全斷裂裂隙升浮，隨后到達最高點停止運移并積聚，該范圍形成瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)相互交叉融合的區(qū)域。

如圖7(d)所示，瓦斯運-儲區(qū)第2 次交叉融合：垮落帶對裂隙熵的增大有主要貢獻，覆巖垮落高度增大，斷裂帶也增大，在斷裂帶內(nèi)的裂隙熵隨高度增加而逐漸減小，上部巖層裂隙熵較低，無序性程度較低，受到采動影響較小。覆巖裂隙率隨梯度的增加表現(xiàn)為先減小后增大，這是由于裂隙場上部空洞的存在，巖層活動空間充足，裂隙場最高處裂隙率為18.6%。在裂隙熵減小和裂隙率增大的節(jié)點，上覆巖層裂隙無序性減小，即瓦斯的流動方向趨于同向，流動狀態(tài)從紊流逐漸過渡到層流，裂隙開合度的減小導致流動速度也減小，該區(qū)域即瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)邊界交叉的位置，兩區(qū)域再次出現(xiàn)交叉融合，交叉融合的位置上升至距煤層底板高18 m 處。

如圖7(e)所示，瓦斯運-儲區(qū)第3 次交叉融合：上覆巖層的繼續(xù)垮落和下沉致使裂隙場最高處裂隙率下降為7.6%，整體裂隙面積受到壓縮，裂隙發(fā)育空間減小，新裂隙產(chǎn)生的速率減小，舊裂隙壓實的速率增大，因此裂隙熵減小，裂隙率先增大后減小。瓦斯升浮的速度受此影響，位于裂隙場上部的瓦斯的運移速度快速下降，運移區(qū)和儲集區(qū)發(fā)生第3 次交叉融合，位置位于距煤層底板高27 m 處。

如圖7(f)所示，瓦斯運-儲區(qū)邊界分離，區(qū)域擴大：隨著離層裂隙以“發(fā)育-壓縮”的循環(huán)模式快速向上傳遞，空洞消失，裂隙離層空間逐漸減小，不易產(chǎn)生破斷裂隙，裂隙方向趨于一致，裂隙率和裂隙熵均快速減小，瓦斯上升受阻，運移區(qū)位置基本不發(fā)生變化，儲集區(qū)隨裂隙網(wǎng)絡的擴展而同步擴大。

結合上述分析，裂隙率和裂隙熵可作為瓦斯運-儲區(qū)演化的指標參數(shù)，根據(jù)其變化來判斷瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)的邊界狀態(tài)變化，從而判定瓦斯運-儲區(qū)交叉融合的時期，見表2，其中“↑”表示增大，“↓”表示減小。

表2 瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)邊界狀態(tài)變化Table 2 Boundary state change of gas migration zone and storage zone

3.3 瓦斯運–儲區(qū)交叉融合推速效應演化機理

3.3.1推速影響下瓦斯運-儲區(qū)交叉融合特征分析

為研究推進速度對瓦斯運-儲區(qū)的交叉融合過程的影響，選取第1 至第2 次周期來壓時(工作面推進30～45 m)不同推進速度的物理相似模擬結果進行分析。如圖8(a)～(c)所示，通過對比不同推進速度下瓦斯運-儲區(qū)交叉融合過程發(fā)現(xiàn)，加快工作面推進速度后，相同高度位置的巖層斷裂減少，且破斷裂隙的寬度減小。在瓦斯儲集區(qū)上方巖層破斷后，瓦斯向上運移的過程中儲集區(qū)逐漸過渡為運移區(qū)，隨著推進速度的加快，儲集區(qū)和運移區(qū)交叉融合的范圍因裂隙不充分發(fā)育而有所限制，瓦斯儲集區(qū)受煤層開采而遷移的影響更小，位置的變化相對較穩(wěn)定，兩區(qū)域交叉融合的范圍從大到小依次為：3 m/d＞5 m/d＞7 m/d。

圖8 瓦斯運-儲區(qū)交叉融合物理相似模擬示意Fig.8 Physical similarity simulation diagram of cross-fusion in gas transportation-storage area

3.3.2瓦斯運-儲區(qū)交叉融合推速效應量化表征

在采空區(qū)巖層裂隙經(jīng)歷多次發(fā)育和壓縮期間，瓦斯初始以循環(huán)運移為主，從運儲一體過渡為瓦斯儲集區(qū)，儲集區(qū)上方巖層受到擠壓發(fā)生彎曲變形，在斷裂破壞后運儲區(qū)開始交叉，巖層完全破斷時運儲區(qū)完全融合，逐漸發(fā)展成為運移區(qū)，最后隨離層裂隙的發(fā)育瓦斯儲集區(qū)域擴展，整個過程呈現(xiàn)了運-儲區(qū)交叉融合的動態(tài)變化，如圖9 所示。瓦斯運-儲區(qū)經(jīng)歷“形成—破壞—形成”的循環(huán)構建過程，最終形成完整的橢圓拋物帶狀的覆巖裂隙場，橢拋帶內(nèi)橫向離層裂隙和縱向破斷裂隙都較為發(fā)育，其中大量的卸壓瓦斯活躍地運移和積聚。

圖9 瓦斯運-儲區(qū)交叉融合示意Fig.9 Schematic diagram of cross-fusion in gas transportation-storage area

為了進一步量化瓦斯運-儲區(qū)在推進速度影響下交叉融合的過程，研究瓦斯運-儲區(qū)的對稱周期性構建機制，基于物理相似模擬實驗結果，以工作面推進方向為x軸，垂直于推進方向為y軸，垂直于工作面為z軸，建立如圖10 所示的瓦斯運-儲區(qū)空間模型。

圖10 瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)空間模型Fig.10 Spatial model of gas migration zone and storage zone

根據(jù)瓦斯運-儲區(qū)空間模型，工作面推進距離b為

式中，v為工作面推進速度，m/d；t為工作面推進的時間，d。

由經(jīng)驗公式[35]可知，導水裂隙帶高度(包括垮落帶最大高度)，即外橢拋帶發(fā)育高度H2為

式中，M為煤層開采高度，m；l為煤分層層數(shù)。

文獻[36]結合大量現(xiàn)場實測及物理、數(shù)值模擬得到了采動裂隙橢拋帶表達方程：

聯(lián)立式(4)～(7)，構建以裂隙率和裂隙熵為指標 參數(shù)的瓦斯運-儲區(qū)交叉融合推速效應數(shù)學模型：

式中，a為工作面寬度，m；b為工作面推進距離，m；H1為內(nèi)橢拋帶發(fā)育高度，m；H2為外橢拋帶發(fā)育高度，m；K1、K2為橢拋帶內(nèi)外邊界所包圍范圍下的巖層破斷碎脹系數(shù)；A1、A2為內(nèi)橢拋帶與開切眼、工作面的距離，m；B1、B2為工作面進、回風巷處內(nèi)橢拋帶與側幫的距離，m；x為工作面走向長度，m；y為工作面傾向長度，m；z為斷裂帶發(fā)育高度，m。

3.3.3瓦斯運-儲區(qū)邊界及狀態(tài)判定流程

基于前述分析，對采動覆巖瓦斯運-儲區(qū)的邊界及不同時期對應的區(qū)域狀態(tài)進行判定，判定流程如圖11 所示。主要分2 步：①對比覆巖裂隙場整體的裂隙開合度和貫通度數(shù)值變化，覆巖壓實區(qū)裂隙開合度均小于1 m，且瓦斯運-儲區(qū)與壓實區(qū)邊界處的裂隙開合度存在明顯突變，破斷裂隙平均貫通度在下降至0.6 后開始快速減小，破斷裂隙數(shù)量明顯減少，從而識別瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)。②首先根據(jù)裂隙熵和裂隙率的同步變化趨勢對瓦斯運-儲區(qū)隨周期來壓發(fā)生的狀態(tài)變化進行進一步判定，判斷運移區(qū)和儲集區(qū)之間是否出現(xiàn)分界；其次，分別獲取裂隙熵單調(diào)變化和裂隙率增大的時期，區(qū)分運移區(qū)和儲集區(qū)交叉融合的次序。

4 結論

(1)利用二維物理相似模擬實驗研究不同推進速度下瓦斯運-儲區(qū)裂隙開合度、貫通度和“三帶”橫縱裂隙高度的變化規(guī)律，得到瓦斯運-儲區(qū)的裂隙開合度大于1 m，運移區(qū)和儲集區(qū)的破斷裂隙貫通度分別為0.6～1 m 和0.1～0.6 m。隨著推進速度的增大，運-儲區(qū)裂隙帶從采空區(qū)中部向兩側縮減，縱向裂隙斷裂時間減少，瓦斯運-儲區(qū)的范圍減小，而離層裂隙發(fā)育高度增大，使瓦斯匯聚的空間明顯擴大。

(2)根據(jù)瓦斯運-儲區(qū)裂隙具有無序性與隨機性的特征，定義覆巖裂隙熵來量化裂隙擴展的方向分布特征和裂隙系統(tǒng)的無序化程度，并與裂隙率同步對比，判斷瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)的狀態(tài)變化，從而判定瓦斯運-儲區(qū)交叉融合的時期。裂隙熵的變化隨工作面的推進先增大后減小，裂隙率的變化隨工作面的推進分別經(jīng)歷了2 次增大和減小，不同時期裂隙熵和裂隙率不同的變化趨勢表征了瓦斯運移區(qū)和儲集區(qū)隨工作面推進呈“初次形成—交叉融合—區(qū)域分離擴大”的動態(tài)變化。

(3)基于采動覆巖橢拋帶理論，結合瓦斯運-儲區(qū)的動態(tài)變化特征，以推進速度作為影響因素，構建瓦斯運-儲區(qū)推速效應量化表征模型，建立瓦斯運-儲區(qū)邊界及狀態(tài)判定流程，掌握不同推進速度下瓦斯的流向和儲集，揭示了瓦斯運-儲區(qū)交叉融合的演化機理和對稱形態(tài)的周期性構建機制，為研究采空區(qū)卸壓瓦斯分布和實現(xiàn)瓦斯富集區(qū)定向精準抽采提供指導。