基于渗流力学的高瓦斯综放面窄煤柱宽度确定机制

王 凯 郝兵元 张鹏鹏 乔永凤

(1. 山西工程技术学院矿业工程系，山西省阳泉市，045000；2. 太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)



基于渗流力学的高瓦斯综放面窄煤柱宽度确定机制

王 凯1郝兵元2张鹏鹏2乔永凤1

(1. 山西工程技术学院矿业工程系，山西省阳泉市，045000；2. 太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

针对高瓦斯综放面沿空窄煤柱阻隔邻空区瓦斯有效性的问题，采用渗流力学及数值模拟的方法分析了煤柱内稳定区厚高比与瓦斯渗流量关系，以及不同宽度煤柱受动压影响时两侧破碎区演化规律。结果表明，超前支承压力强烈影响范围内，窄煤柱稳定区厚高比达到0.5，即可有效阻隔邻空区瓦斯。煤柱较小时，超前支承压力强烈影响范围内煤柱全部进入破碎状态；随煤柱宽度增大，超前支承压力强烈影响范围内煤柱出现稳定区，其两侧破碎区厚度之和为定值。研究成果在阳煤五矿8407综放面成功应用，并取得了显著的技术经济效益。

高瓦斯 综放面 渗流力学 数值模拟 窄煤柱 合理宽度

沿空窄煤柱护巷技术具有煤炭资源回收率高、经济及社会效益好等优势，得到煤矿企业广泛采用。在窄煤柱应用实践中，由于不同矿井的煤层地质条件及开采技术差异性，合理宽度确定成为难点。之前多数研究成果侧重于窄煤柱自身稳定性、应力环境以及对沿空巷道的维护效果，从阻隔邻空区瓦斯渗流角度确定窄煤柱宽度方向研究较少。阳泉矿区15#煤层通常采用综采放顶煤方法开采，该煤层属于高瓦斯煤层，区段之间留设20～30 m护巷煤柱，一直视窄煤柱布置方式为“雷区”，主要忧于窄煤柱在剧烈动压作用下被压裂而致使邻空区瓦斯进入回采空间继而引发事故。本文以阳煤集团五矿8407综放面为工程背景，建立渗流力学模型，确定窄煤柱稳定区厚度，运用数值模拟方法计算煤柱两侧破碎区厚度，进而确定高瓦斯沿空窄煤柱宽度。该研究对阳泉矿区15#煤层及其他矿区类似条件煤层窄煤柱应用意义重大。

1 工程地质概况

8407综放面北部为南茹村保护煤柱，东邻已采8409工作面。煤层平均厚度6.8 m，平均埋深360 m，绝对瓦斯涌出量为190 m3/min，相对瓦斯涌出量为72 m3/t。回风平巷净宽5.0 m，净高4.0 m。巷道采用锚固支护方式。煤层直接顶泥岩厚4.48 m，基本顶为细砂岩，厚5.81 m，顶底板岩石力学参数如表1所示。

表1 煤层顶底板地质力学参数

2 窄煤柱宽度确定

2.1 窄煤柱稳定区宽度

综放面窄煤柱及沿空巷道通常位于采空侧塑性区与破碎区煤体内。沿空巷道开挖后，形成的窄煤柱由两侧破碎区和中部稳定区两部分组成，破碎区处于峰后应力状态，其裂隙极为发育，相互贯通。根据巷道围岩注浆效果实测揭示，注浆液在窄煤柱破碎区内的渗流性能比原岩体高出3～4个数量级，而瓦斯气体的粘滞系数远小于浆液，在破碎区内流动性更强。稳定区煤体处于塑性状态，该部分煤体内存在大量原生裂隙及次生裂隙，具有一定的渗透性，同时，稳定区又属于窄煤柱的主承载部分，垂直于支承压力作用方向的裂隙受压闭合，其渗透性高于原岩状态煤体，但远低于破碎区。因此，能否有效阻隔相邻采空区瓦斯，主要取决于窄煤柱内稳定区的几何尺寸及渗透性。

根据渗流力学中的达西定律，将窄煤柱内处于不同破坏状态的煤体建立图1所示模型。

图1 窄煤柱瓦斯渗流模型

煤柱两侧破碎区渗透率为K1，稳定区渗透率K2，采空侧破碎区宽度L1，稳定区宽度L2，回采侧破碎区宽度L3，煤柱两侧瓦斯压差为Δp=p1-p2。

采空侧向回采侧的瓦斯渗流量，由达西定律知：

(1)

式中：q——瓦斯渗流量，m3/s；

K2——煤柱稳定区渗透率，取1×10-15m2；

X——煤柱长度，取10 m；

H——煤柱高度，m；

L2——煤柱稳定区厚度，m；

Δp——煤柱稳定区两侧气体压差，取1×103Pa；

μ——瓦斯粘滞系数，取1.08×10-8Pa·s；

γ——煤柱稳定区厚高比。

瓦斯渗流量q与煤柱稳定区厚高比γ的关系曲线如图2所示。

由图2可见，当窄煤柱稳定区厚高比小于0.5时，随厚高比增大，瓦斯渗流量迅速减小；当煤柱稳定区厚高比大于0.5时，随着厚高比增大，瓦斯渗流量继续减小，但减小速率极为缓慢。厚高比为0.5所在位置近似于曲线的拐点，处于该点左侧时，增加厚高比能够有效抑制瓦斯渗流量，位于该点右侧时，继续增加厚高比对减少瓦斯渗流量效果已不明显。因此，在高瓦斯综放面沿空窄煤柱留设中，为有效阻隔邻空区瓦斯渗流至回采空间，回采面前方窄煤柱内稳定区厚度应不小于0.5倍巷道高度。

图2 瓦斯渗流量与煤柱稳定区厚高比关系曲线

2.2 窄煤柱两侧破碎区宽度

沿空巷掘出后，窄煤柱两侧均形成一定厚度破碎区，随工作面向前推进，位于超前支承压力强烈影响的煤柱两侧破碎区将进一步扩展，稳定区不断缩小。传统的极限平衡理论公式计算巷道围破碎区厚度得到广泛应用，但计算值往往与实际观测结果相差甚远，数值计算方法能够很好地反映出煤柱两侧破碎区发展演化过程。

2.2.1 模型建立

依据阳煤集团五矿8407综放面工作条件，建

立长×宽×高为140 m×95 m×37.5 m的模型，如图3所示，煤柱宽度分别取4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m和15 m。模型左右前后边界施加水平方向0位移约束，下边界施加垂直和水平方向0位移约束，上边界施加7 MPa荷载。

图3 数值计算模型

2.2.2 结果分析

老顶初次来压时矿压显现强度较周期来压更强，破坏性更大，掌握工作面初次来压时煤柱内煤体的破坏情况对煤柱宽度确定更具实际意义。据长期观测，阳煤集团五矿15#煤层综放面初次来压步距为30～40 m。因此，考察模拟工作面开采40 m时煤柱内破碎区的变化情况。不同宽度煤柱内煤体模拟破坏情况如图4所示。

图4 不同宽度煤柱内煤体破坏情况

由图4可见，煤柱宽度小于8 m时，巷道形成后，煤柱两侧全部处于塑性状态；随着工作面向前推进，煤柱内塑性区受到扰动逐步进入破碎状态；工作面推进至40 m时，宽度小于8 m的煤柱在工作面前方35 m范围内其煤体全部进入破碎状态，煤柱宽9 m时，工作面前方5 m范围内煤柱完全破碎，煤柱宽度大于10 m时，工作面前方煤柱无完全破碎区。

工作面开采至40 m时，煤柱宽度由8 m增至15 m过程中，煤柱两侧破碎区厚度之和基本保持为8 m，中部稳定区厚度逐渐增加，如图5所示。据此可确定窄煤柱两侧破碎区最大厚度之和为 8 m。

图5 煤柱两侧破碎区及稳定区厚度与煤柱厚度关系

2.3 窄煤柱宽度确定

8407工作面回风平巷净高4 m，据前述分析，受工作面超前支承压力强烈影响范围内，窄煤柱内稳定区厚度不应小于2 m，而煤柱两侧最大破碎区厚度之和保持在8 m左右，由此可确定沿空窄煤柱宽度为10 m。

3 工程应用

8407综放面回风巷沿采空区留设10 m窄煤柱掘出后，在巷内布置3个测站，每一测站煤柱内不同深度安设12个钻孔应力计，孔深分别为1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m，由浅至深依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和12#，相邻钻孔水平间距为0.3 m，距底板高2 m，在孔底各安设一个GYW20W围岩应力传感器，每个测站巷道顶角处安置2个瓦斯传感器，测站布置如图6所示。

由于工作面超前支护架棚施工中破坏了观测设备与线缆，迫使测站Ⅱ与测站Ⅲ数据采集中断。图7与图8为测站Ⅰ煤柱内应力计瓦斯浓度与工作面推进关系曲线。

随工作面推进，1#、2#、3#、4#、10#、11#与12#应力计读数先增大后减小，可见这些应力计所在位置煤体最终进入破碎状态；5#、6#、7#、8#和9#应力计读数持续增大，表明这5个应力计所在位置煤体处于峰前应力状态，具有较强的承载能力，如图7所示，由此可知，回采侧煤柱破碎区厚度约2.5～3 m，采空侧破碎区厚度约5～5.5 m，中部稳定区约2 m，这与理论计算及数值模拟结果吻合性较好。由图8可知，观测期间瓦斯浓度低于0.15%，证实了10 m宽窄煤柱能够有效阻隔邻空区瓦斯。

图6 工作面测站布置方式

图7 应力计读数与测站至工作面距离关系

图8 测站瓦斯浓度与测站至工作面距离关系

4 结论

(1)窄煤柱内稳定区厚高比小于0.5时，增大比值可显著减小瓦斯渗流量；厚高比大于0.5时，增大比值对减小瓦斯渗流量效果减弱。煤柱内稳定区厚高比达到0.5时可有效阻隔采空区瓦斯渗流。

(2)数值模拟分析了煤柱内破碎区厚度随其宽度演化规律。煤柱较小时，超前支承压力强烈作用范围内煤柱全部进入破碎状态；随煤柱宽度增大，超前支承压力强烈作用范围内煤柱出现稳定区，其两侧破碎区最大厚度之和为定值。

(3)将研究成果应用于8407综放面，留设宽度为10 m的窄煤柱沿空掘出回风巷。通过现场实测，煤柱内稳定区厚度及其两侧破碎区厚度和与理论计算结果吻合度较好，瓦斯浓度低于0.15%，证实了阻隔邻空区瓦斯的有效性。

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(责任编辑 郭东芝)

Determination mechanism of narrow coal pillar width in fully mechanized caving face with high gas based on seepage mechanics

Wang Kai1, Hao Bingyuan2, Zhang Pengpeng2, Qiao Yongfeng1

(1. Department of Mining Engineering, Shanxi Institute of Technology, Yangquan, Shanxi 045000, China;2. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

In order to confirm the availability of gob-side narrow coal pillar to prevent gas emission of gob in fully mechanized face with high gas, seepage mechanics and numerical simulation were used to analyze the relationship between thickness-height ratio of stable zone and gas seepage in coal pillar, as well as the revolution law of broken zone on both sides of coal pillar with different width under influence of dynamic pressure. The results showed that under the strong influence of advanced bearing pressure, gas of adjacent gob was blocked when the thickness-height ratio of stable zone in coal pillar reached 0.5. The pillar was broken completely when pillar was narrower. With pillar width increased, the stable zone appeared in the pillar in the strong influence range of advanced abutment pressure and sum of broken zones' thickness on both sides of coal pillar was a constant value.The research results had been applied successfully in the 8407 working face in No. 5 Coal Mine of Yangquan Coal Industry Group and achieved remarkable technical and economic effects.

high gas, fully mechanized caving face, seepage mechanics, numerical simulation, narrow coal pillar, reasonable width

山西省科技重大专项(20121101009-03)，山西省自然科学基金重点项目(2014011044)

王凯，郝兵元，张鹏鹏等. 基于渗流力学的高瓦斯综放面窄煤柱宽度确定机制[J].中国煤炭，2017,43(5)：47-51. Wang Kai,Hao Bingyuan, Zhang Pengpeng, et al. Determination mechanism of narrow coal pillar width in fully mechanized caving face with high gas based on seepage mechanics[J]. China Coal, 2017, 43(5):47-51.

TD322.4

A

王凯(1977-)，男，山西阳高人，硕士，讲师，从事矿山压力与岩石力学方面的教学与研究工作。