【文章內容簡介】 %，游離瓦斯量占 10%一 20%。在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著瓦斯量占多數(shù)。1—游離瓦斯；2—吸著瓦斯；3—吸收瓦斯；4—煤體；5—煤中孔隙圖 21 煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)Fig 21 Methane exist in the coal在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動態(tài)平衡狀態(tài)，吸附瓦斯分子和游離瓦斯分子處于不斷的交換之中；當外界的瓦斯壓力和溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩、影響分子的能量時，則會破壞其平衡，從而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。由于瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問題；但是，在突出過程的短暫時間內，游離瓦斯會首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以補充。 流體在多孔介質中的運動方程——達西定律1856年法國 ： (22)dxpKu????式中 ——流速，m/s；? ——多孔介質的滲透率， ；K2m ——流體的動力粘度，Pas； ——在 dx長度內的壓差，Pa；dp ——在流體流動方向一致的極小長度，m；x從上式中可以看出，多孔介質的滲透率僅反映了多孔介質的孔隙特征而與流體的性質無關。 達西定律是從不可壓縮流體在均質多孔介質的一維流動中導出的，對于均質多孔介質的三維流動，達西定律為： (23)gradplq????式中 ——比流量矢量；q ——壓力梯度。它在空間三個坐標方向的分量分別為 ， ，l xplx???/yply???/ ；zpz???/透氣系數(shù) 是不變的標量，故矢量 和 共線，表明流體流動方向和等勢面處?qgradp處垂直，并且沿著壓力降低的方向。 在三個坐標軸上的分量表達式為： xlx???/?ypqy (24)zlz?/為了將 Darcy定律推廣到各種不同的情形下，定義：若某一性質與其在介質中的位置無關，則稱介質對于該性質是均勻的，反之則稱介質是非均勻的。若某一性質與其沿11 / 75介質中的方向無關，則稱介質對于該性質的是各項同性的，反之則稱介質是各項異性的。在滲流力學中，主要關心的是滲透率和孔隙度。在天然儲集層中，經(jīng)常會遇到各項異性情形，在不同時期由于沉積物和沉積方式不同，往往造成一個方向的滲透率大于其他方向的滲透率。例如水平方向的滲透率大，鉛垂方向的的滲透率小?？紫抖仁菢肆?，只有均勻與非均勻之分，不涉及方向性的問題。Darcy定律在形式上推廣到三維流動，其方程應為 (25)）（ gpKV?????式中， 是重力加速度矢量，方向向下。對于各項同性介質，滲透率 與方向無關，它g K可以與位置有關或無關。 煤層瓦斯運移的基本規(guī)律 開采煤層中瓦斯的流動瓦斯在煤層中的流動需要有 2個條件：其一是要有一定的流動通道，即煤層要有一定的透氣性；其二是煤體中的瓦斯必須具備一定的壓力。目前的研究認為，在原始煤層的一定范圍內，煤層中的透氣性基本上可以認為是一個定值；因此，可以認為，原始煤層中瓦斯的流動狀態(tài)主要取決于煤體中瓦斯壓力的大小。實踐表明，在甲烷帶內，煤體中瓦斯壓力一般沿煤層傾斜方向隨深度增大而增大；而沿煤層走向變化較小。由于各個地點瓦斯壓力不同，在未開采煤層的小范圍內，如果用一個線將瓦斯壓力相等的點連接起來，即畫出瓦斯壓力等壓線，則煤層中往往分布著比較穩(wěn)定的瓦斯壓力等壓線，如圖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實際上，在礦井中測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?，F(xiàn)場實測也表明，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，煤層中瓦斯流動狀態(tài)宏觀上基本屬于層流運動，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當開采煤層附近的地層中具有鄰近煤層或大量不可采煤層時，一般情況下，在煤層開采后，由于圍巖的移動和地應力的重新分布，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_采空間，如圖 23所示。1—卸壓圈；2—冒落圈；3—開采煤層；4—卸壓煤層；5—瓦斯流向圖 23 鄰近煤層的瓦斯涌動Fig23 Methane emission to the nearby coal目前研究認為，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)附近會造成一個卸壓圈。一般情況下處于冒落區(qū)的鄰近煤層有些會直接向采空區(qū)放散瓦斯，而有一些則是通過裂隙向采空區(qū)放散瓦斯。有一些煤層雖然卸壓，但不能立即放出瓦斯，而是過一段時間，當巖石裂隙發(fā)展到該煤層后，煤體中的瓦斯才通過裂隙向采空區(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間和空間的不斷發(fā)展而發(fā)展、并在達到一定程度后即停止的，距開采層不同距離的上鄰近層瓦斯進入采區(qū)的時間和涌出量決定于開采層頂部巖層的冒落情況、層間巖石的性質、鄰近層的厚度、瓦斯含量和13 / 75工作面的長度等因素，它的涌出是比較迅速的，往往發(fā)生在第一次冒落以后，開采上方有幾個上鄰近層時，在工作面推進過程中會出現(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。在工作面推進后，由于采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的空間，在強大的地應力作用下，開采層下方的地層即向采空空間鼓起，其移動的距離可達 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的量大于其底板巖層向上移動的量，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，但當層間巖層強度低而且距離不大時，在下鄰近層高壓瓦斯壓力的推動下，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)涌出分析煤礦內的采空區(qū)是一個巨大的巷道網(wǎng)絡和采動裂隙空洞區(qū)域，其延展的范圍縱深幾百米，面積達數(shù)平方公里，瓦斯在這一巨大空間中的運移主要受控于礦井的壓力分布。當采空區(qū)的冒落空間擴展到鄰近的采空空間時，如該區(qū)域儲存大量瓦斯，在壓力作用下也可以流入正在開采的空間，使采取瓦斯涌出量驟然增加：正中來自開采空間區(qū)域外的瓦斯，不僅可以來自左右相鄰區(qū)域，也可以來自上下區(qū)域。這一點在多煤層也就是煤層群開采中尤為顯著。當在地層中存在充滿瓦斯的巨大斷層裂隙系統(tǒng)時，由于采礦工作造成的巖層移動往往會使這些瓦斯通過裂隙而進入開采空間，這樣就增加了分析研究瓦斯問題的難度。故而在研究煤層瓦斯流動的規(guī)律之外，還要把瓦斯看成是一個大的系統(tǒng)，這樣才能獲得比較全面準確的認識。3 煤層開采巖層移動及規(guī)律 采動覆巖運動規(guī)律 采動覆巖運動形式理論與實踐研究結果表明 [26]，采場上覆巖層懸露后發(fā)展到破壞有彎拉破壞和剪切破壞兩種運動形式。彎拉破壞發(fā)展過程是：隨采場推進，上覆巖層懸露 在重力作用下彎?曲 巖層懸露達一定跨度。彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，在深入煤壁的端部開裂 中部?開裂形成“假塑性巖梁” 當其沉降值超過“假塑性巖梁”允許沉降值時，懸露巖層自行冒落。巖層運動由彎曲沉降發(fā)展至破壞的力學條件是巖層中的最大彎曲拉應力達到其抗拉強度。懸露巖層中部拉開后，是否發(fā)展至冒落，則由其下部允許運動的空間高度決定。只有其下部允許運動的空間高度超過運動巖層的允許沉降值，巖層運動才會由彎曲沉降發(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動空間高度，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——煤層開采高度，m；h巖層剪（切）斷破壞的發(fā)展過程是：巖層懸露后只產(chǎn)生大的彎曲，懸露巖層端部開裂，在巖層中部未開裂（或者開裂很小）的情況下，整體切斷塌垮。上覆巖層內部移動特征 [27]如圖所示，沿傾斜方向剖面，測點基本沿著與層面垂直的方向向下移動如圖 31（a）所示，沿走向剖面，測點先向采空區(qū)方向移動，然后又轉向15 / 75工作面推進方向移動，最后基本恢復到原來的位置，如圖 31（b） 。圖 a圖 b圖 31 上覆巖層移動發(fā)展規(guī)律 The law of overlying rock deformation and dispacement 覆巖采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律地下礦體的采出必定會引起采場圍巖的應力重新分布，引起圍巖的變形、破壞及運動，從而導致圍巖裂隙狀態(tài)的變化。巖層移動與開采沉陷是采礦科學的基礎之一，也是保護層開采防突作用考察的基礎。根據(jù)砌體梁理論 [2831]對煤層開采后覆巖移動規(guī)律提出了“橫三區(qū)” “豎三帶” ，如圖32即沿工作面推進方向上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、高層區(qū)、重新壓實區(qū)，由上而下巖層移動分為冒落帶、裂隙帶、整體彎曲下沉帶。實踐表明，上覆巖層的巖性對巖層移動、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 覆巖移動的“橫三區(qū)” 、 “豎三帶”礦壓模型 Ground pressure Model of overburden displacement 煤層開采巖層運移破壞的“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，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。冒落帶內巖層破壞特點是：（a）隨著煤層的開采，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，無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內。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，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，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，一般是穩(wěn)定時間越長，壓實性越好，但永遠不會恢復到原巖體的體積。17 / 75（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。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，但仍保持層狀結構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。層內產(chǎn)生大量的裂隙、裂縫，具有良好的透氣、導水性。按裂隙產(chǎn)生的數(shù)量及性質，裂隙帶又可分為貫穿裂隙帶與非貫穿裂隙帶。貫穿裂隙帶內巖層內部的裂隙、裂隙密度大且相互貫穿，是瓦斯的良好流通通道。非貫穿裂隙帶內巖層內部的裂隙密度小且連通性差，對瓦斯、水的流動阻力較大。裂隙帶的高度一般為采高的 10—30倍。當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。此帶內巖層的移動特點：（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)，因而其壓實程度較好。（b）彎曲帶內巖層的沉陷過程是連續(xù)而有規(guī)律的，并保持其整體性層狀結構，不存在或極少存在離層裂縫。在豎直面內，各部分的移動值相差很小。（c）彎曲帶的高度主要受開采深度的影響。當采深很大時，彎曲帶的高度可大大超過冒落帶和裂隙帶的高度之和。此時，開采形成的裂隙帶不會達到地表，地表的移動和變形相對比較平緩。 關鍵層運動對鄰近層瓦斯涌出的影響分析 關鍵層定義及判別 巖層控制的關鍵層理論，為深入研究巖層內部移動的動態(tài)過程和巖層采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律提供了強有力的理論工具。關鍵層理論的基本學術思想是：基于成巖時間及礦物成分不同，煤系地層形成了厚度不等、強度不同的多層巖層，其中一層至數(shù)層厚硬巖石在巖層移動中起主要的控制作用，將對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層成為關鍵層。關鍵層的判別主要依據(jù)是其變形和破壞特征，即在關鍵層破斷時，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調一致的，前者稱為巖層活動的主關鍵層，后者稱為亞關鍵層。也就是說，關鍵層的斷裂將導致全部或相當部分的上覆巖層的整體運動。覆巖中的亞關鍵層可能不止一層，而主關鍵層只有一層。為了弄清開采時由下往上傳遞的巖層移動動態(tài)過程，并對巖層移動過程中形成的采場礦壓顯現(xiàn)、煤巖體中水與瓦斯的流動和地表沉陷等狀態(tài)的變化進行有效檢測和控制，關鍵在于弄清關鍵層的變形破斷及其運動規(guī)律以及在運動過程中與軟巖層間的相互耦合作用關系。 煤層開采后將引起上覆巖層的移動和破斷，從而在覆巖中形成采動裂隙。覆巖采動裂