高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合机理.pdf
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1、高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理赵鹏翔1,2,3,张文进1,李树刚1,2,3,卓日升1,林海飞1,2,3,索亮4,5(1.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054;3.煤炭行业西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心,陕西西安710054;4.四川交通职业技术学院,四川成都611130;5.四川省长大公路隧道(群)运营安全工程实验室,四川成都610095)摘要:裂隙结构具有复杂性和不规则性,对上覆岩层卸压瓦斯的运移和储集具有决定性影响。为了确定高瓦斯厚煤层综采工作面推进过程中瓦斯运移区
2、和储集区交叉融合的动态变化对瓦斯赋存的影响以及在不同推进速度下上覆岩层中的瓦斯运储规律,采用二维物理相似模拟实验分析覆岩裂隙分布特征和瓦斯运储区的几何变化规律,探究不同推进速度下运储区随周期来压交叉融合的变化特征,并以工作面推进速度为关键参数,建立瓦斯运储区的推速效应量化表征模型,揭示推进速度影响下瓦斯运储区的对称周期性构建机制。结果表明,瓦斯的运储区内外边界和运储交界分别位于裂隙开合度和贯通度的突变区域,随着推进速度的增大,运储区边界从采空区中部向两侧缩减;随着工作面推进,瓦斯储集区逐渐过渡成为运移区,两区域范围相互交叉融合,整个过程中运储区在循环“构建破坏构建”,最终形成完整的对称椭圆抛物
3、带状的覆岩裂隙场;裂隙熵的变化随工作面的推进先增大后减小,裂隙率的变化随工作面的推进分别经历了 2 次增大和减小,表明瓦斯运移区和储集区随工作面推进呈“初次形成交叉融合区域分离扩大”的动态变化;此外,在采动裂隙椭抛带理论的基础上,构建瓦斯运储区推速效应量化表征模型,建立瓦斯运储区边界及状态判定流程,揭示推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合演化机理和对称形态的周期性构建机制,为研究采空区卸压瓦斯分布和实现瓦斯富集区定向精准抽采提供指导。关键词:高瓦斯厚煤层;推进速度;覆岩裂隙;瓦斯运储区;交叉融合中图分类号:TD712文献标志码:A文章编号:02539993(2023)09340515Mechan
4、ism of cross-fusion in gas transportation-storage area in fully mechanizedmining face of high gas thick coal seam under different advancing speedsZHAOPengxiang1,2,3,ZHANGWenjin1,LIShugang1,2,3,ZHUORisheng1,LINHaifei1,2,3,SUOLiang4,5(1.College of Safety Science and Engineering,Xian University of Scie
5、nce&Technology,Xian710054,China;2.Key Laboratory of Ministry of Educa-tion for Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Xian University of Science and Technology,Xian710054,China;3.Western Engineering Re-search Center of Mine Gas Intelligent Drainage for Coal Industry,Xian710054,China;4.Sichu
6、an Vocational and Technical College of Communications,Chengdu611130,China;5.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Long Highway Tunnel(Group)Operation Safety,Chengdu610095,China)收稿日期:20220827修回日期:20221124责任编辑:王晓珍DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1257基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(52174205,51974237);四川省交通科技资助项目(2
7、021-C-03)作者简介:赵鹏翔(1987),男,甘肃兰州人,教授,博士生导师,博士。E-mail:引用格式:赵鹏翔,张文进,李树刚,等.高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理J.煤炭学报,2023,48(9):34053419.ZHAOPengxiang,ZHANGWenjin,LIShugang,etal.Mechanismofcross-fusioningastransportation-stor-ageareainfullymechanizedminingfaceofhighgasthickcoalseamunderdifferentadvancingspeed
8、sJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(9):34053419.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023Abstract:Thefracturestructureiscomplexandirregular,whichhasadecisiveinfluenceonthemigrationandstorageofpressure-reliefgasinoverlyingstrata.Duringtheadvancingprocessofthefullymechanizedmining
9、faceinthehigh-gasthick-coalseam,inordertodeterminetheimpactofdynamicchangeofintersectionandfusionofthegastransportandstorageareaonthegasoccurrence,andthegastransportandstoragelawintheoverlyingstrataunderdifferentadvancingspeeds,thetwo-dimensionalphysicalsimilaritysimulationwasconductedtoanalyzethefr
10、acturedistributioncharacterist-icsoftheoverlyingstrataandthegeometricchangelawofthegastransport-storagearea,andexplorethechangecharac-teristicsofthegastransport-storageareawiththeperiodicweightingunderdifferentadvancingspeeds.Additionally,tak-ingtheadvancingspeedoftheworkingfaceasakeyparameter,thequ
11、antitativecharacterizationmodelofthepropulsionspeedeffectofthegastransport-storageareawasestablished,andthesymmetricalperiodicconstructionmechanismofthegastransport-storageareaundertheinfluenceoftheadvancingspeedwasrevealed.Theresultsshowthattheinnerandouterboundariesandtheboundarybetweenthegastrans
12、portareaandstorageareaarelocatedinthemutationareasofthefractureopennessandthroughdegreerespectively.Withtheincreaseoftheadvancingspeed,theboundaryofthetransport-storageareaisreducedfromthemiddleofthegoaftobothsides.Astheworkingfaceadvances,thegasstorageareagraduallytransitsintoamigrationarea,andthet
13、woareascrossandfusewitheachother.Duringthewholeprocess,thetransport-storageareaisinthecycleof“construction-destruction-construction”,andfinallyformacompletesymmetricalellipticalparabolicbandedoverburdenfracturefield.Thechangeoffractureentropyincreasesfirstandthendecreaseswiththeadvanceoftheworkingfa
14、ce,andthechangeoffracturerateincreasesanddecreasestwicewiththeadvanceoftheworkingfacerespectively,indicatingthatthegasmigrationareaandthestorageareashowthedynamicchangeof“initialformation-crossfusion-regionalseparationandexpansion”withtheadvanceoftheworkingface.Inaddition,basedonthetheoryofmining-in
15、ducedfractureellipticparaboloidzone,thequantitativecharacterizationmodelofpropulsionspeedef-fectofgastransport-storagezonewasconstructed,andtheboundaryandstatedeterminationprocessofgastransport-stor-agezonewasestablished.Thecross-fusionevolutionmechanismandsymmetricperiodicconstructionmechanismofgas
16、transport-storageareaundertheinfluenceofadvancingspeedwererevealed,whichprovideaguidanceforstudyingthedistributionofpressure-reliefgasingoafandrealizingthedirectionalandaccurateextractionofgasenrichmentzone.Key words:highgasthickcoalseam;propulsionspeed;overlyingrockfractures;gastransport-storageare
17、a;cross-fusion为实现高产高效,许多矿井在条件允许时,通过增加采高和工作面长、提高推进速度等措施来增加工作面单产1-2,而采高和工作面长设计受地质条件和生产技术水平影响较大,推进速度可控性较强,在一定程度上能减小覆岩变形,从而缓解矿山压力。随着开采强度的不断增加,瓦斯突出和爆炸的事故发生率随之上升3-5,严重影响煤炭开采效率。采空区上覆岩层中瓦斯的运移和储集受裂隙的位置、角度、密度、几何尺寸和贯通度等因素的影响,因此,研究不同推进速度下上覆岩层裂隙的特征和演化规律对于了解煤矿工作面卸压瓦斯运移和储集能力至关重要。由于覆岩裂隙结构具有复杂性和不规则性,难以定量描述瓦斯运移的路径,也无
18、法确定瓦斯储存的位置6-9。目前,为了解瓦斯在煤岩层中的运动规律,确定其积聚的范围,国内外众多学者对采动覆岩裂隙网络演化及其形态等方面进行了大量的研究。袁亮等10提出了低渗透煤层瓦斯抽采的高水平环状裂隙模型,为类似地质条件下低渗透煤层的开采提供了参考。基于“O”形圈和关键层理论,李树刚等11-12结合二维物理相似模拟和数值模拟,提出了更适合描述近水平综采工作面裂隙分布的模型。伍永平等13-15建立了大倾角煤层走向长壁开采岩体结构空间模型,对非对称煤岩的滑落失稳,进而诱发动力学灾害的机理进行了深入分析,并确定了维持大倾角工作面稳定性的区段煤柱合理尺寸。ZHOU 等16运用相似模拟实验方法,结合数
19、字近景摄影测量技术,研究不同煤层倾角条件下覆岩位移场变化规律,并根据位移矢量方向将位移场分为 5 个区域,同时定义了位移指数以分析位移场的对称性。就实际工业适用性而言,QU 等17-19进行了大量的模拟研究,并将实验结果与上述理论进行比较,获得与工程应用更为匹配的简化模型。为定量描述裂隙结构的非均质性,更为准确地判定瓦斯流动去向,部分学者开始以分形维度的视角,采用分形的数学方法来研究瓦斯运移通道的发育规律。XIE 等20将分形理论应用于岩石力学,解释了复杂的岩石裂缝不规则性,确定了粗糙度与分形维数之间的关系。结合分形理论,WANG 等21对采动覆岩裂隙发育及其分形特征进行了研究,发现随着采高的
20、3406煤炭学报2023年第48卷增加,裂隙网络的分形维数主要表现为快速上升,缓慢增加和稳定变化 3 个阶段。LIANG 等22通过建立不同水平区和垂直区的分形维数与采动覆岩裂隙长度的关系,表明水平区和垂直区的分形维数具有自相似性,采动裂隙的分形维数分布总体上呈“W”型趋势。YANG 等23通过建立基于采动裂隙分形维数的煤层透气性系数计算模型,分析裂隙发育与分形维数的关系,确定瓦斯运移规律和瓦斯富集的裂隙区域。GAO等24利用数值模拟和分形理论探讨了上覆岩层的演化过程和时空分布特征,认为采动作用使上覆岩层退化,内部损伤累积最终导致上覆岩层破坏。为掌握采动影响区覆岩裂隙时空演化规律,李宏艳等25
21、采用数理统计和分形理论对裂隙场分布进行定性分析,通过分析裂隙张开的程度得出中、高角度过渡区是瓦斯抽采工程措施实施的主要区域。ZHAO 等26-27基于分形维数计算和二维物理相似模拟实验结果,提出了计算不同影响因素下瓦斯运移通道演化特征的有效模型。上述研究主要集中于煤层采高和倾角对覆岩裂隙场演化和瓦斯流动的影响,而针对于开采过程中瓦斯运储的推进速度效应研究较少,同时,采空区上覆岩层在载荷作用下将发生压缩变形28-29,该变形具有时间效应,推进速度决定了压缩时间和变形量,对瓦斯运移和储集空间的发育和移动产生重要影响。因此,笔者旨在研究不同推进速度下覆岩瓦斯运储区的裂隙演化规律,分析瓦斯运移区和储集
22、区在不同推进速度下的交叉融合动态变化特征,建立瓦斯运储区的推速效应量化表征模型,形成瓦斯运储区边界及状态的判定流程,从而揭示瓦斯运储区的对称周期性构建机制。1物理模拟实验1.1实验原型实验原型选取山西某高瓦斯矿井工作面,煤层走向长度为 2081.0m,平均埋深为 410.0m,平均厚度为 5.1m,平均倾角为 7,属于近水平煤层。工作面采用综合机械化一次采全高的回采方式。煤层及上覆岩层的部分物理参数如图 1 所示。泥岩砂质泥岩中砂岩炭质泥岩细砂岩粉砂岩石灰岩铝质泥岩15号煤0 0.10.20.30.40.5泊松比0369 12 15剪胀角/()04080抗压强度/MPa0 10 20 30 4
23、0 50内摩擦角/()2004060弹性模量/MPa容重/(kNm-3)06 12 18 24 30图1煤岩层物理力学参数Fig.1Physicalandmechanicalparametersofcoalandrockstrata实验平台的设计尺寸为 1100mm140mm1000mm,物理模型遵循实验原型的地质条件和物理模拟实验条件,满足相似定理,模型与原型之间的几何相似比为 1100,时间相似比为 110,容重相似比为 11.5,应力相似比为 1150。1.2工作面推进速度的确定在煤矿生产过程中,推进速度对生产安全和效率有着至关重要的影响。推进过慢,可能造成采空区遗煤自燃,引发矿井火灾。
24、然而,推进过快可能导致瓦斯涌出过快,涌出量过大,提升瓦斯事故发生概率。在实际生产过程中,工作面日产量为 6204t,平均推进速度为 4.5m/d。综合考虑煤自燃及瓦斯涌出问题,由式(1)可确定待测工作面日推进速度的最小值 vmin和最大值 vmax30:vmin=Lmaxmin=2.85m/dvmax=WLhc=8.17m/d(1)第9期赵鹏翔等:高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理3407式中,Lmax为氧化升温带最大宽度,m;为实验氧气体积分数与实际氧气体积分数相似比例系数;min为浮煤最短自然发火期,d;W 为日产量,t;L 为工作面长度,m;h 为工作面高度,m
25、;为煤的密度,t/m3;c 为采出率,%。计算得,保证工作面安全生产的最小推进速度为2.85m/d,最大推进速度为 8.17m/d。综上,工作面合理的推进速度为 2.858.17m/d。实际工作面推进速度 4.5m/d 为安全的中等推进速度,因而笔者以 2m/d 为差值,设置实验条件为 3、5、7m/d,将高瓦斯厚煤层推进速度划分为低速、中速、高速 3 个区域范围。1.3实验方案利用西安科技大学西部矿山煤与瓦斯共采实验室的二维平面模拟实验台进行煤层走向采动覆岩裂隙演化物理相似模拟实验。以山西某高瓦斯矿井实际开采工艺设计实验,工作面沿走向推进,具体实验过程如下:(1)模型搭建。模型自下而上构建,
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