【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 22 所示。圖 22 煤層中等瓦斯壓力線Fig22 Lines with the same pressure of the methane in the coal（論文）11實(shí)際上，在礦井中測(cè)定到等瓦斯等壓線往往不是很規(guī)則的，這是煤層中原始瓦斯壓力分布不均以及煤層透氣性不同的原故。在礦井中，這種由高壓流向低壓的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)大多表現(xiàn)為礦井瓦斯涌出，在特殊情況下，則可以形成噴出和突出。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也表明，煤層的透氣性一般都很低，瓦斯在其中的流速也很小。在這種情況下，煤層中瓦斯流動(dòng)狀態(tài)宏觀上基本屬于層流運(yùn)動(dòng)，也就是瓦斯的流速和壓差成正比，與煤的滲透率成正比，符合線性滲透定律。 鄰近層與圍巖中瓦斯流動(dòng)當(dāng)開(kāi)采煤層附近的地層中具有鄰近煤層或大量不可采煤層時(shí)，一般情況下，在煤層開(kāi)采后，由于圍巖的移動(dòng)和地應(yīng)力的重新分布，在地層中造成了大量的裂隙，可使頂?shù)装甯浇簩又械耐咚勾罅坑咳腴_(kāi)采空間，如圖 23 所示。1—卸壓圈；2—冒落圈；3—開(kāi)采煤層；4—卸壓煤層；5—瓦斯流向圖 23 鄰近煤層的瓦斯涌動(dòng)Fig23 Methane emission to the nearby coal目前研究認(rèn)為，在回采工作面第一次落頂后，即引起煤層頂板巖層的冒落破裂和變形，在采空區(qū)附近會(huì)造成一個(gè)卸壓圈。一般情況下處于冒落區(qū)的鄰近煤層有些會(huì)直接向采空區(qū)放散瓦斯，而有一些則是通過(guò)裂隙向采空區(qū)放散瓦斯。有一些煤層雖然卸壓，但不能立即放出瓦斯，而是過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)巖石裂隙發(fā)展到該煤層后，煤體中的瓦斯才通過(guò)裂隙向采空區(qū)放散。通常情況下，上部卸壓變形區(qū)域排放瓦斯的范圍是隨時(shí)間和空間的不斷發(fā)展而發(fā)展、并在達(dá)到一定程度后即停止的，距開(kāi)采層不同距離的上鄰近層瓦斯進(jìn)入采區(qū)的時(shí)間和涌出量決定于開(kāi)采層頂部巖層的冒落情況、層間巖石的性質(zhì)、鄰近層的厚度、瓦斯含量和：深部煤層群采動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究12工作面的長(zhǎng)度等因素，它的涌出是比較迅速的，往往發(fā)生在第一次冒落以后，開(kāi)采上方有幾個(gè)上鄰近層時(shí)，在工作面推進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)瓦斯涌出量突然增加的現(xiàn)象。下鄰近層的瓦斯涌出情況與上鄰近層有所不同。在工作面推進(jìn)后，由于采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的空間，在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，開(kāi)采層下方的地層即向采空空間鼓起，其移動(dòng)的距離可達(dá) 10mm 以上，這樣，在層間形成了大量的裂隙，形成了下部地層中的瓦斯向采空區(qū)放散的條件。下部巖層向上鼓起的程度隨距采空區(qū)的距離不同而不同，下鄰近層的頂板向上移動(dòng)的量大于其底板巖層向上移動(dòng)的量，這樣就是鄰近層膨脹。下鄰近層的瓦斯涌出一般是比較緩慢的，但當(dāng)層間巖層強(qiáng)度低而且距離不大時(shí)，在下鄰近層高壓瓦斯壓力的推動(dòng)下，可以形成猛烈鼓起，造成地板破裂，瓦斯噴出。 瓦斯在采空區(qū)涌出分析煤礦內(nèi)的采空區(qū)是一個(gè)巨大的巷道網(wǎng)絡(luò)和采動(dòng)裂隙空洞區(qū)域，其延展的范圍縱深幾百米，面積達(dá)數(shù)平方公里，瓦斯在這一巨大空間中的運(yùn)移主要受控于礦井的壓力分布。當(dāng)采空區(qū)的冒落空間擴(kuò)展到鄰近的采空空間時(shí)，如該區(qū)域儲(chǔ)存大量瓦斯，在壓力作用下也可以流入正在開(kāi)采的空間，使采取瓦斯涌出量驟然增加：正中來(lái)自開(kāi)采空間區(qū)域外的瓦斯，不僅可以來(lái)自左右相鄰區(qū)域，也可以來(lái)自上下區(qū)域。這一點(diǎn)在多煤層也就是煤層群開(kāi)采中尤為顯著。當(dāng)在地層中存在充滿瓦斯的巨大斷層裂隙系統(tǒng)時(shí)，由于采礦工作造成的巖層移動(dòng)往往會(huì)使這些瓦斯通過(guò)裂隙而進(jìn)入開(kāi)采空間，這樣就增加了分析研究瓦斯問(wèn)題的難度。故而在研究煤層瓦斯流動(dòng)的規(guī)律之外，還要把瓦斯看成是一個(gè)大的系統(tǒng)，這樣才能獲得比較全面準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。（論文）133 煤層開(kāi)采巖層移動(dòng)及規(guī)律 采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律 采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)形式理論與實(shí)踐研究結(jié)果表明 [26]，采場(chǎng)上覆巖層懸露后發(fā)展到破壞有彎拉破壞和剪切破壞兩種運(yùn)動(dòng)形式。彎拉破壞發(fā)展過(guò)程是：隨采場(chǎng)推進(jìn)，上覆巖層懸露 在重力作用下彎?曲 巖層懸露達(dá)一定跨度。彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，在深入煤壁的端部開(kāi)裂 中部?開(kāi)裂形成“假塑性巖梁” 當(dāng)其沉降值超過(guò)“假塑性巖梁”允許沉降值時(shí)，懸露巖層自行冒落。巖層運(yùn)動(dòng)由彎曲沉降發(fā)展至破壞的力學(xué)條件是巖層中的最大彎曲拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度。懸露巖層中部拉開(kāi)后，是否發(fā)展至冒落，則由其下部允許運(yùn)動(dòng)的空間高度決定。只有其下部允許運(yùn)動(dòng)的空間高度超過(guò)運(yùn)動(dòng)巖層的允許沉降值，巖層運(yùn)動(dòng)才會(huì)由彎曲沉降發(fā)展至冒落。否則，將保持“假塑性巖梁”狀態(tài)。因此，煤層上方第 n 個(gè)巖層彎曲破壞發(fā)展至冒落條件為： 。onS? (31)????11)(ntAtKmh式中：——懸露巖層下部允許運(yùn)動(dòng)空間高度，m；nS——懸露巖層發(fā)展為 “假塑性巖梁”的允許沉降值；o——已冒落巖層的總高度，m；???1nt——已冒落巖層的碎脹系數(shù)；AK——煤層開(kāi)采高度， m；h巖層剪（切）斷破壞的發(fā)展過(guò)程是：巖層懸露后只產(chǎn)生大的彎曲，懸露巖層端部開(kāi)裂，在巖層中部未開(kāi)裂（或者開(kāi)裂很?。┑那闆r下，整體切斷塌垮。上覆巖層內(nèi)部移動(dòng)特征 [27]如圖所示，沿傾斜方向剖面，測(cè)點(diǎn)基本沿著與層面垂直的方向向下移動(dòng)如圖 31（a）所示，沿走向剖面，測(cè)點(diǎn)先向采空區(qū)方向移動(dòng)，然后又轉(zhuǎn)向：深部煤層群采動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究14工作面推進(jìn)方向移動(dòng)，最后基本恢復(fù)到原來(lái)的位置，如圖 31（b） 。圖 a圖 b圖 31 上覆巖層移動(dòng)發(fā)展規(guī)律 The law of overlying rock deformation and dispacement 覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律地下礦體的采出必定會(huì)引起采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力重新分布，引起圍巖的變形、破壞及運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致圍巖裂隙狀態(tài)的變化。巖層移動(dòng)與開(kāi)采沉陷是采礦科學(xué)的基礎(chǔ)之一，也是保護(hù)層開(kāi)采防突作用考察的基礎(chǔ)。根據(jù)砌體梁理論 [2831]對(duì)煤層開(kāi)采后覆巖移動(dòng)規(guī)律提出了“橫三區(qū)” “豎三帶” ，如圖32 即沿工作面推進(jìn)方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、高層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，由上而下巖層移動(dòng)分為冒落帶、裂隙帶、整體彎曲下沉帶。實(shí)踐表明，上覆巖層的巖性對(duì)（論文）15巖層移動(dòng)、變形和斷裂有很大的影響。A 一煤壁支撐影響區(qū)(ab)。B 一離層區(qū)(bc)。C 一重新壓實(shí)區(qū)。a 一支撐影響角I 一冒落帶。II 一裂縫帶。III 一彎曲下沉帶圖 32 覆巖移動(dòng)的“橫三區(qū)” 、 “豎三帶”礦壓模型 Ground pressure Model of overburden displacement 煤層開(kāi)采巖層運(yùn)移破壞的“三帶”工作面上覆巖層由上向下按其破壞程度可分為三個(gè)帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。（1）冒落帶：冒落帶是指用全部垮落法管理頂板時(shí)，回采工作面放頂后引起煤層頂板巖層產(chǎn)生冒落破壞的范圍。冒落帶內(nèi)巖層破壞特點(diǎn)是：（a）隨著煤層的開(kāi)采，頂板巖層在自重的作用下，發(fā)生彎曲、斷裂、破碎成塊而冒落。冒落巖塊大小不一，無(wú)規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)。根據(jù)冒落巖塊的破壞和堆積情況，冒落帶可分為不規(guī)則冒落帶和規(guī)則冒落帶兩部分。在不規(guī)則冒落帶內(nèi)，巖層完全失去原有的層位，巖塊破碎、堆積紊亂在規(guī)則冒落帶內(nèi)，巖層基本上保持原有層次，位于不規(guī)則冒落帶之上。（b）冒落巖層具有可壓縮性。冒落巖塊的空隙隨著上覆巖層的下沉，壓力的增大，在一定程度上可得到壓實(shí)，一般是穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，壓實(shí)性越好，但永遠(yuǎn)不會(huì)恢復(fù)到原巖體的體積。：深部煤層群采動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究16（c）冒落巖石具有一定的碎脹性，冒落巖塊空間較大，連通性好，有利于瓦斯和水通過(guò)。冒落巖石的體積大于冒落前的原巖體積。巖石具有的碎脹性是使冒落能自行停止的根本原因。（2）裂隙帶在采空區(qū)上方覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層及所屬的空間范圍稱為裂隙帶。裂隙帶通常位于冒落帶和彎曲下沉帶之間。裂隙帶內(nèi)巖層產(chǎn)生較大的彎曲、變形及破壞，其破壞特征是巖層不僅發(fā)生垂直層理面的裂縫或斷裂，而且產(chǎn)生順層理面的離層。層內(nèi)產(chǎn)生大量的裂隙、裂縫，具有良好的透氣、導(dǎo)水性。按裂隙產(chǎn)生的數(shù)量及性質(zhì)，裂隙帶又可分為貫穿裂隙帶與非貫穿裂隙帶。貫穿裂隙帶內(nèi)巖層內(nèi)部的裂隙、裂隙密度大且相互貫穿，是瓦斯的良好流通通道。非貫穿裂隙帶內(nèi)巖層內(nèi)部的裂隙密度小且連通性差，對(duì)瓦斯、水的流動(dòng)阻力較大。裂隙帶的高度一般為采高的 10—30 倍。當(dāng)然這不包括冒落帶的高度。（3）彎曲下沉帶：彎曲下沉帶位于裂隙帶之上直至地表。此帶內(nèi)巖層的移動(dòng)特點(diǎn)：（a）巖層在自重力的作用下產(chǎn)生層面法向彎曲，在水平方向處于雙向受壓縮狀態(tài)，因而其壓實(shí)程度較好。（b）彎曲帶內(nèi)巖層的沉陷過(guò)程是連續(xù)而有規(guī)律的，并保持其整體性層狀結(jié)構(gòu)，不存在或極少存在離層裂縫。在豎直面內(nèi)，各部分的移動(dòng)值相差很小。（c）彎曲帶的高度主要受開(kāi)采深度的影響。當(dāng)采深很大時(shí)，彎曲帶的高度可大大超過(guò)冒落帶和裂隙帶的高度之和。此時(shí)，開(kāi)采形成的裂隙帶不會(huì)達(dá)到地表，地表的移動(dòng)和變形相對(duì)比較平緩。 關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)鄰近層瓦斯涌出的影響分析 關(guān)鍵層定義及判別 巖層控制的關(guān)鍵層理論，為深入研究巖層內(nèi)部移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律提供了強(qiáng)有力的理論工具。關(guān)鍵層理論的基本學(xué)術(shù)思想是：基于成巖時(shí)間及礦物成分不同，煤系地層形成了厚度不等、強(qiáng)度不同的多層巖層，其中一層至數(shù)層厚硬巖石在巖層移動(dòng)中起主要的控制作用，將對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起控制作用的巖層成為關(guān)（論文）17鍵層。關(guān)鍵層的判別主要依據(jù)是其變形和破壞特征，即在關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的，前者稱為巖層活動(dòng)的主關(guān)鍵層，后者稱為亞關(guān)鍵層。也就是說(shuō)，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層的整體運(yùn)動(dòng)。覆巖中的亞關(guān)鍵層可能不止一層，而主關(guān)鍵層只有一層。為了弄清開(kāi)采時(shí)由下往上傳遞的巖層移動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，并對(duì)巖層移動(dòng)過(guò)程中形成的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)、煤巖體中水與瓦斯的流動(dòng)和地表沉陷等狀態(tài)的變化進(jìn)行有效檢測(cè)和控制，關(guān)鍵在于弄清關(guān)鍵層的變形破斷及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與軟巖層間的相互耦合作用關(guān)系。 煤層開(kāi)采后將引起上覆巖層的移動(dòng)和破斷，從而在覆巖中形成采動(dòng)裂隙。覆巖采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布與水體下采煤、卸壓瓦斯抽采工程問(wèn)題密切相關(guān)。為了優(yōu)化卸壓瓦斯抽采的鉆孔布置，減少鉆井工程量，提高卸壓瓦斯抽采率，運(yùn)用關(guān)鍵層理論可以得出以下基本規(guī)律，沿工作面推進(jìn)方向，關(guān)鍵層下離層動(dòng)態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律：關(guān)鍵層初次破斷前，最大離層位于采空區(qū)中部。關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部趨于壓實(shí)，而采空區(qū)兩側(cè)仍各保持一個(gè)離層區(qū)。其最大寬度及高度僅為關(guān)鍵層初次破斷前的 1/3 左右。沿頂板高度方向，隨著工作的推進(jìn)，高層呈跳躍式由下往上發(fā)展。首先，第 I 亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后，離層呈“O”形圈分布，如圖。此時(shí)，上部第 II 關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后，離層呈“O”形圈，如此發(fā)展至主關(guān)鍵層。（a）傾斜剖面圖 （b）平面圖圖 33 “O”圈示意圖 “O”shaped circle 關(guān)鍵層及其運(yùn)動(dòng)在采場(chǎng)覆巖層中存在多個(gè)巖層時(shí)，對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起決定作用的巖層稱為關(guān)鍵層，前者稱為主關(guān)鍵層，后者稱為亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷：深部煤層群采動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究18的特征，即在關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)時(shí)，所控制的全部或局部巖層的下沉變形時(shí)相互協(xié)調(diào)一致的，關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致其所控制的巖層隨之產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵層控制著上覆裂隙的動(dòng)態(tài)發(fā)展，相關(guān)研究結(jié)果表明：采動(dòng)裂隙由下往上的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程是非勻速的，而是受下位關(guān)鍵層的控制，隨關(guān)鍵層的破斷而突變。 關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)鄰近層瓦斯涌出的影響分析瓦斯在煤層中賦存主要為游離和吸附兩種狀態(tài)，并以吸附態(tài)為主。煤層瓦斯只有在游離狀態(tài)下并且有大量裂隙通道存在時(shí)方能大量涌出。在特定的煤層賦存條件下，煤層瓦斯的吸附—解吸主要受到瓦斯壓力影響。煤層采動(dòng)過(guò)程中，覆巖在下部關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)的控制下隨之彎曲下沉進(jìn)而破斷。隨著關(guān)鍵層的彎曲下沉，覆巖層內(nèi)將產(chǎn)生壓力卸壓區(qū)和增高區(qū)。處在卸壓去內(nèi)的含瓦斯煤體卸壓膨脹，瓦斯壓力減小，吸附瓦斯得到解吸，游離瓦斯增多。關(guān)鍵層的突然破斷，將引起其所控制的巖層隨之整體破斷，產(chǎn)生上下貫通的穿層裂隙。 小結(jié)深部煤層開(kāi)采、工作面頂、地板垮落呈現(xiàn)不同特征：（1）上層煤頂板垮落破壞從工作面中上部開(kāi)始，隨工作面沿走向推進(jìn)，采空區(qū)上部頂板破壞向高層位及工作面下部延伸；導(dǎo)致在工作面傾向頂板垮落卸荷的非均勻特征導(dǎo)致在工作面中上部垂直和水平應(yīng)力接近或等于零，而下部頂板未充分垮落，應(yīng)力未完全釋放，所以該區(qū)域應(yīng)力值急劇增大。（2）開(kāi)采深部煤層時(shí)，由于上層煤采空區(qū)充填特征的非均勻性，即沿傾向中下部充填充分，上部不充分，導(dǎo)致頂板變形破壞首先開(kāi)始于工作面中部，并向兩巷方向發(fā)展；頂板垂直位移特征與上層煤不同，變化趨勢(shì)復(fù)雜，其最大位移處于工作面中下部；應(yīng)力曲線出現(xiàn)非均勻變化，在工作面中部應(yīng)力值大于運(yùn)輸平巷處，其變化趨勢(shì)與開(kāi)采上層煤時(shí)不一致，在兩巷一定范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力值突變。（3）各煤層底板應(yīng)力和位移特征相似，但由于下層煤底板受到上層煤層開(kāi)采擾動(dòng)影響，底板巖體整體強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致支架下部失穩(wěn)可能性增大，應(yīng)采取合理措施防治。（4）在深部煤層群開(kāi)采中，應(yīng)力集中于上層煤運(yùn)輸平巷處，并隨下層煤的開(kāi)采，集中區(qū)應(yīng)力值逐漸增大，但其位置并未隨著開(kāi)采轉(zhuǎn)移至下層煤運(yùn)輸平巷處，二是始終處于上層煤運(yùn)輸平巷外側(cè)，與中、下層煤運(yùn)輸平巷處處于同一水平；當(dāng)開(kāi)采下區(qū)段煤層時(shí)該應(yīng)力（論文）19集中區(qū)將成為造成下區(qū)段保護(hù)煤柱及回風(fēng)平巷變形破壞的主要影響因素，及時(shí)采取控制治理措施是深部深層煤開(kāi)采的保證。4 采動(dòng)影響下瓦斯運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型 基本假設(shè)瓦斯在孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)的