煤田火区塌陷区渗透系数分布研究*

王文才　王鑫宙　赵婧雯

(内蒙古科技大学　内蒙古包头 014010)



煤田火区塌陷区渗透系数分布研究*

王文才王鑫宙赵婧雯

(内蒙古科技大学内蒙古包头 014010)

通过分析煤田火区地表下沉量和破碎岩块孔隙率的关系，对地表下沉量进行测量，分析计算得到火区破碎岩块孔隙率的分布方程。在实验室中测量不同孔隙率破碎岩块的渗透系数，拟合建立渗透系数和孔隙率的关系方程，利用求得的关系方程和通过地表下沉量测量法得到的孔隙率分布方程，求得煤田火区塌陷区破碎岩块的渗透系数分布方程。

煤田火区下沉量孔隙率渗透系数分布方程

0　引言

煤田露头火区广泛分布在我国内蒙古、新疆地区，对矿区安全与环境造成严重破坏[1]。煤田露头火区是在开放系统中逐渐发展变化的，形成了由冒落破碎岩块构成的稳定通风供氧通道。火区的漏风通道和风流运动直接影响着煤火的发展和对煤火的防治。对火区漏风通道孔隙率和渗透系数的确定主要通过理论分析建立模型[2]，并且借鉴对采空区孔隙率和渗透系数的研究[3-4]。本文拟通过地表下沉量和塌陷区破碎岩块孔隙率的关系得到孔隙率的分布方程，进而得到塌陷区渗透系数的分布方程。

1　塌陷区孔隙率分布

煤田露头火区主要分布在我国西北部，煤层多属于浅埋煤层，常具有埋藏浅、基岩薄、表土厚的赋存特点。对于浅埋煤层，在开采或烧失后，上覆岩层难以形成稳定的铰接结构而整体切落，且来压历时较短，动载明显，在地表常表现为台阶下沉[5]。在煤层烧空区，直接顶冒落产生的破碎岩块经过了由自由堆积到受上覆岩层重力影响不断被压实的过程，

与上覆岩层的下沉量关系密切。火区烧空区上覆岩层的断裂和沉降规律如图1所示。

图1　烧空区上覆岩层移动规律

由碎涨系数的定义和孔隙率与碎涨系数的关系[6]，忽略原始煤岩体的孔隙，可得塌陷区各点处破碎岩块的孔隙率为

(1)

式中，φ为破碎岩块孔隙率；h1为煤层高度，m；h2为直接顶高度，m；H为地表下沉量，m。

在特定火区，式(1)中h1，h2是固定值，H可通过现场测量得到。由式(1)可通过观测地表沉降，计算塌陷区各点处破碎岩块的孔隙率。表1为某火区地表下沉量测量值。

表1　塌陷区地表下沉量

由地质资料分析，该火区直接顶高度为1.5 m，煤层平均厚度为2 m。将表1数据带入式(1)，得到煤田露头火区塌陷区由燃烧区到烧空区后方各点破碎岩块孔隙率。对数据进行拟合，得孔隙率分布函数为

φ=0.055 96+0.641 39e-0.064 4L

R2=0.983 46

(2)

式中，φ为破碎岩块孔隙率；L为烧空区内各点到燃烧区距离，m。

由式(2)可以看出，在塌陷区内沿着远离燃烧区的烧空区方向，破碎岩块的孔隙率逐渐减小，并呈负指数衰减。

2　孔隙率与渗透系数的关系

2.1实验装置

实验采用自制的水平气相渗透系数测定仪。实验装置如图2所示，中间为长1m、内径0.1m的样品管，两侧加装滤网。为实现对样品管两端的均匀加压，在样品管两侧分别加装长0.2m，内径0.2m的气室。使用压差计和玻璃转子流量计测量样品管两端压差和气体流量。

图2　渗透系数测定装置

2.2实验步骤

(1)取现场粒径较小的破碎岩块，使用标准筛将岩样筛分成粒径为0～2mm，2～5mm，5～10mm，10

～15mm，15～20mm的5组试样。

(2)用大烧杯分别取试样3 000cm3，平铺在烧杯内。用量筒向烧杯内加水，直到水面刚没过试样，记录加水量。

(3)将试样1装入样品管，两侧加装过滤网，封闭装置，检测装置气密性。使用空气压缩机给装置供气，调节空气压缩机功率使气体流量为0.1m3/h，记录装置两端压差。移除试样1，依次装填其他试样，按上述步骤分别测量。

2.3实验结果和分析

实验步骤(2)中测得的加水量即为破碎岩块样品中孔隙的体积，由孔隙率定义，破碎岩块孔隙率可由式(3)算得。

(3)

式中，V1为破碎岩块孔隙体积，即实验中的加水量，mL；V为破碎岩块堆积状态下的体积，cm3。

实验步骤(3)中，由于破碎岩块中气体流速较低，一般认为属于层流，符合多孔介质渗流理论中的达西定律,破碎岩块的渗透系数与装置两端压差、内部气体流量满足关系：

(4)

式中，K为渗透系数，m2/(Pa·s)；Q为气体体积流量，m3/s；A为气流通道横截面积，m2；H为压力差，Pa；L为渗流长度，m。

实验测得数据及通过式(3)、式(4)计算的各试样孔隙率和渗透系数结果如表2所示。

表2　实验数据及计算结果

由表2可以看出，随着各试样孔隙率的变化，渗透系数随之变化。破碎岩块的孔隙率增大，其渗透系数随之增大，并且变化过程接近指数增长。对渗透系数和孔隙率的关系进行拟合，得到渗透系数随孔隙率变化的关系式：

K=-3.49×10-8+1.04×10-8e18.9φ

R2=0.996 26

(5)3塌陷区渗透系数的分布

在煤田露头火区中，烧空区上部直接顶冒落，破碎岩块形成多孔介质漏风通道。上部老顶周期性破断后，形成的岩块加载在冒落的破碎岩块上，由于重力影响，下部破碎岩块被缓慢压实，孔隙率逐渐减小。破碎岩块被压实的过程表现为地表的下沉，通过测量地表下沉量，利用式(5)和数据拟合，可方便求得火区破碎岩块孔隙率分布方程。方程显示的分布规律与通过随机分布实验法[7]、Mivnt图像分析法[8]得到的孔隙率分布规律相似。

在同一火区中，由于地质条件相似，烧空区破碎岩块的粒径大小和分布情况相似，仅由于受上覆岩层压力不同而使孔隙率不同，且孔隙率的值分布在0.1～0.5之间。因此可以认为，烧空区破碎岩块的渗透系数仅与孔隙率有关，并满足式(5)。将式(2)带入式(5)，可得到测量火区的渗透系数分布方程为

K=-3.49×10-8+1.04×10-8e1.06+12.12e-0.064 4L

(6)

4　结论

(1)塌陷区孔隙率可通过地表下沉量测量和计算得到。塌陷区孔隙率沿煤火烧空区逐渐减小，符合负幂指数变化规律。

(2)破碎岩块的渗透系数随着岩块的孔隙率增大而增大，并呈现出指数增长规律。

(3)通过对地表下沉量的测量计算得到的塌陷区孔隙率分布方程和实验得到的渗透系数与孔隙率关系方程，可方便地得到煤田火区塌陷区的渗透系数分布方程。

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Study on the Distribution of Subsidence Permeability Coefficient for Coalfield Fire Area

WANG WencaiWANG XinzhouZHAO Jingwen

(InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnologyBaotou,InnerMongolia014010)

This paper analyzes the relation between the surface subsidence and broken rock porosity of coalfield fire area,to measure the surface subsidence and find out the distribution equation of broken rock porosity in fire area.ln the laboratory measurement,the permeability coefficient of broken rock with different porosity is measured,to fit and set up the relationship equation between the permeability coefficient and porosity and the distribution equation of subsidence permeability coefficient of broken rock in coalfild fire area is found out by using the obtained relationship equation and porosity distribution equation from surface subsidence measurement.

coalfield fire areasubsidenceporositypermeability coefficientdistribution equation

国家自然科学基金(51364028,51064018)。

王文才，男，1964年生，博士，教授，博士研究生导师，主要从事安全工程及矿业技术经济的教学与研究工作。

2015-09-15)