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1、第21卷第3期(总第130期)煤矿开采Vol．21No．3(SeriesNo．130)2016年6月COALMININGTECHNOLOGYJune2016上覆煤层开采后下伏煤层渗透性变化规律研究121冯辉,高杰,胡钦涛(1．陕西郭家河煤业有限责任公司,陕西宝鸡721505;2．宁夏理工学院,宁夏石嘴山753000)3D[摘要]上覆煤层开采后,掌握下伏煤层渗透率的变化规律是瓦斯抽采的关键。采用FLAC对上覆煤层开采进行数值模拟,模拟结果显示:当膨胀变形为正时,下伏煤层煤体被加载压缩;当膨胀变形为负时,下伏煤层煤
2、体被卸载拉伸。采用瞬态压力脉冲法测定下伏煤层的渗透率,由实验室加载-卸载实验得到渗透模型:加载过程中渗透率与轴向应变成负指数函数关系;卸载过程中渗透率与轴向应变成正指数函数关系。最终得出膨胀变形值与渗透率方程关系,以此分析上覆煤层开采后下伏煤层渗透率的演化规律。[关键词]下伏煤层;渗透率;瓦斯;加载-卸载[中图分类号]TD712．52[文献标识码]B[文章编号]1006-6225(2016)03-0117-05ResearchonPermeabilityChangeLawofUnderlyingCoalSeam
3、afterOverlyingCoalSeamMining大量实践证明,煤层开采过后,邻近煤岩体的原有地应力的平衡状态被打破,导致顶底板的煤岩体出现移动变形、膨胀卸压,从而产生大量纵向和横向的裂隙和孔隙。在此过程中,邻近煤层原有的[1-2]平衡瓦斯压力也被打破,发生卸压现象。上覆煤层开采引起下伏煤层的变形,上覆煤层采动过程中,下伏煤层经历了不同的受力过程,即加载-卸[3-5]载过程;自从哈秋舲提出“卸荷岩体力学”以来,不同的学者分别采用卸载实验来研究卸载状态下岩石的强度特征、变形破坏特征、破坏形式图13313工作
4、面煤层柱状等,普遍证实了加、卸载不同力学路径下,煤岩体2上覆煤层开采数值模拟[6-8]的力学性质有着本质的区别。本文以上覆煤层2．1数值模型建立开采为背景,通过卸载实验,研究下伏煤层卸载煤3D采用FLAC对上覆煤层开采进行数值模拟,体的渗透性规律。数值计算模型如图2所示。模型大小为400m×400m×200m,底部边界固定,四周为滚轴边界,1试验工作面概况上部施加原岩应力6．5MPa,水平施加4MPa应力。山西吕梁离柳矿区某矿3号煤层3313工作面地面标高942~1089m,工作面标高为560~605m,工作面
5、走向长度为1633m,倾向长度为170(60)m。煤层结构简单,近似水平,倾角平均4°,煤层平均厚度2m。3313工作面地质构造简单,基本为单斜构造,埋深382~484m,瓦斯压力0．21~33D1．03MPa,瓦斯含量2．35~11．29m/t。3313工作图2FLAC数值模型计算3面实际配风量935m/min,绝对瓦斯涌出量为获得上覆煤层开采后下伏煤层膨胀变形情314．9m/min。工作面煤层柱状图如图1所示。况,在4号煤层下伏煤层顶板及底板布置位移监测[收稿日期]2015-09-07[DOI]10．135
6、32/j．cnki．cn11-3677/td．2016．03．031[作者简介]冯辉(1987-),男,河南商丘人,硕士,从事瓦斯治理工作。[引用格式]冯辉,高杰,胡钦涛．上覆煤层开采后下伏煤层渗透性变化规律研究[J].煤矿开采,2016,21(3):117-121．117总第130期煤矿开采2016年第3期点,监测点之间的距离为5m,如图3所示。2．2模拟结果分析3D利用FLAC本身携带的hist命令将保护层开挖50m,100m和200m以后的顶板、底板位移值进行提取,然后利用Matlab计算下伏煤层在上覆煤
7、层开挖不同距离后的膨胀变形变化情况,如图4所示。下伏煤层的膨胀变形率是指下伏煤层底板、顶板位移之差与下伏煤层厚度的百分比,它可以用来判定下伏煤层的卸压程度,公式为:d-d底板顶板S=×1000(1)图3被保护层监测点位置m图4上覆煤层开挖不同距离下伏煤层膨胀变形情况式中,S为煤层膨胀变形率,‰;d煤层顶板位式中,P为储气罐的压力,MPa;α为气体压力随顶板移,m;d底板为煤层底板位移,m;m为煤层厚度,时间衰减过程中的指数拟合因子;k为渗透率,2m。mD;A为试样面积,m;L为试样长度,m;V为由图4可知,膨胀
8、变形有正负之分,当膨胀变储气罐的体积,mL;μ为动力黏度,MPa·s;β形为正时,下伏煤层煤体被加载压缩;当膨胀变形为气体压缩因子,MPa。为负时,下伏煤层煤体被卸载拉伸,具体结果如表当V=V时,在不计管路体积的条件下,updown1所示。公式(3)可简化为表1被保护层膨胀变形结果kA2α=(4)开挖距离/m最大拉伸变形/‰最大压缩变形/‰uLβVup504．21．3根据公式(2)和(
