宋曉燕,謝中朋

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070)

地層中巖層和煤體都處在地應(yīng)力場(chǎng)的作用之下。在礦井瓦斯動(dòng)力學(xué)研究過程中，地應(yīng)力對(duì)煤與巖石的滲透率起著決定性的作用，而滲透率對(duì)研究瓦斯的賦存、壓力分布、解吸抽放及運(yùn)移規(guī)律等具有重要的意義。

1 巖體應(yīng)力分布數(shù)學(xué)模型

1.1 巖體應(yīng)力求解方法

目前進(jìn)行巖體應(yīng)力分析的主要方法采用有限元法，有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，有限元的實(shí)質(zhì)是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。

ANSYS是美國ANSYS軟件公司開發(fā)的大型通用有限元計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能，在求解過程中只需設(shè)定初始及邊界條件其余事情則由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，這樣就為我們提供了一個(gè)優(yōu)良的工作環(huán)境，使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)煤巖體應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。

1.2 巖體應(yīng)力定解條件

設(shè)煤層底板固定不動(dòng)即受到縱橫向約束，煤層頂板所受垂直壓力為巖體自重力(采用巖體應(yīng)力測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定)，煤體暴露面不受約束。

載荷的選取通過下面的計(jì)算來確定：假設(shè)老頂以上各巖層平均密度為2.4t/耐，老頂所在深度為-600m，則上表面均布?jí)毫=600×2.4×103×9.8=14.112(MPa)，這里忽略了地表載荷和動(dòng)載荷，實(shí)際情況是允許的。表1給出了計(jì)算選取的巖層性質(zhì)參數(shù)。計(jì)算采用8節(jié)點(diǎn)六面體元，整個(gè)模型共包括5469個(gè)單元，11972個(gè)節(jié)點(diǎn)[2],[3]。

表1 巖體及煤層參數(shù)表

2 工作面前方應(yīng)力分布模擬結(jié)果

圖1 工作面等效應(yīng)力分布

圖2 工作面Y向應(yīng)力分布

3 地應(yīng)力作用對(duì)滲透率的影響

國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究表明，煤體承受機(jī)械載荷時(shí)，滲透率下降很大，當(dāng)載荷增大到一定程度后，再繼續(xù)增大載荷時(shí)滲透率的下降很小，基本保持穩(wěn)定[4]。在0～4MPa到15～40MPa的壓力區(qū)間內(nèi)滲透率與壓力的關(guān)系可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

k=k0e-bσ

(1)

式中：

k——承壓煤樣的滲透率，md；

k0——未承壓煤樣的滲透率，md；

b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，1/MPa；

σ——施加到煤樣上的壓力，MPa。

因此，在工作面前方卸壓帶內(nèi)，由于地應(yīng)力顯著下降，將使得煤體透氣性較原始透氣性大幅度上升[5]。在集中應(yīng)力帶內(nèi)，由于地應(yīng)力較高，煤體的透氣性將有所減小[6]。

根據(jù)B.B.霍多特的研究結(jié)果，我們把從煤壁到工作面前方煤層內(nèi)垂直應(yīng)力增大為原巖應(yīng)力gH處的距離稱為卸壓帶寬度，可由下式計(jì)算：

(2)

式中：

l——工作面前方卸壓帶寬度，m；

S——煤層暴露斷面的面積，m2；

g——上覆巖層的容重，t/m3；

H——煤層開采深度，m；

其余符號(hào)同前。

卸壓帶內(nèi)煤體中的垂直應(yīng)力為：

(3)

所以，卸壓帶內(nèi)煤體的透氣性系數(shù)可由下式確定[7]：

λ=λ*e-βbσ

(4)

式中：

λ——卸壓帶內(nèi)煤體中垂直應(yīng)力為s 處的透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；

λ*——工作面煤壁處的透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；

βb——工作面前方卸壓帶內(nèi)透氣性增長系數(shù)，1/MPa。

回采工作面前方煤層應(yīng)力與滲透率分布如圖3示。

圖3 回采工作面前方煤層支承應(yīng)力與滲透率分布模擬圖

4 模擬結(jié)果分析

1)煤礦井下采礦作業(yè)破壞了原始地層中的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時(shí)間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應(yīng)力(又稱支承壓力)，當(dāng)集中應(yīng)力值達(dá)到煤體的強(qiáng)度極限后，該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，經(jīng)過一定時(shí)間后，形成卸壓區(qū)(應(yīng)力松弛區(qū))，應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，如圖1、圖2、圖3所示，在這三個(gè)區(qū)中，煤體所受應(yīng)力和變形性質(zhì)各有差異。

2) 通過模擬結(jié)果可知，工作面拐角附近形成應(yīng)力集中，由于煤層強(qiáng)度低于所受集中應(yīng)力，沿煤壁法線方向依次形成泄壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，在泄壓區(qū)煤層透氣性系數(shù)最大，在應(yīng)力集中透氣性系數(shù)最小，在原始應(yīng)力區(qū)以后透氣性系數(shù)趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

5 結(jié)論

由于塑性區(qū)和卸壓區(qū)中的煤體經(jīng)受了峰值應(yīng)力的作用，超過了煤體的最大承載能力，順這一區(qū)域內(nèi)的煤體通常只能承擔(dān)一部分集中應(yīng)力，而大多數(shù)情況下，緊靠采掘空間的卸壓區(qū)中的煤體甚至連集中應(yīng)力區(qū)以外，一般的原巖應(yīng)力也擔(dān)負(fù)不了，而只能擔(dān)負(fù)低于原巖應(yīng)力的部分，在含瓦斯煤體中，極限狀態(tài)區(qū)煤體中的應(yīng)力狀態(tài)，瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)的長短及其承載能力，對(duì)煤和瓦斯突出有很大影響，實(shí)踐表明：倘若在采掘工作面前方始終存在一定寬度的卸壓區(qū)，則不會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象；否則，就容易發(fā)生煤和瓦斯突出現(xiàn)象。

[1] 劉國慶,楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[2] 謝中朋.煤礦瓦斯流動(dòng)理論與反問題研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2004.

[3] 謝中朋.煤層瓦斯流動(dòng)參數(shù)反演研究[C]//煤礦重大災(zāi)害防治戰(zhàn)略研究與進(jìn)展.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[4] 申寶宏，劉見中等.我國煤礦瓦斯治理的技術(shù)對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010,32(7):673-679.

[5] 馮增朝.低滲透煤層瓦斯強(qiáng)化抽采理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[6] 吳海進(jìn).高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透理論與技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[7] 何偉鋼，唐書恒，謝曉東.地應(yīng)力對(duì)煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011, 19(4): 353-355.