垂直应力对山区条件影响下煤层瓦斯富集机理研究

摘要

山区垂直应力对下面煤层气发生气体发生的控制效果。为了清楚地表达其影响机制，基于Winkler弹性基础光束理论和纸张渗流理论，研究了覆盖山脉加压的深度，压力和渗透率的变化规律。与此同时，分析了覆盖山脉加压的煤层的富集机制。结果表明以下：（1）在这种情况下，煤层，埋藏深度和表面高度的应力，渗透性变化规则之间存在明显强烈的相关性。（2）在山垂直压力的作用下，煤层的应力和渗透性分布显示出显着的非线性特性。压力是峰值下最大，渗透性最小。（3）初始气体含量值由渗透率和煤层的应力控制。此外，现场实践表明，在山的垂直压力作用下，气体含量的评估规律与覆盖山的表面升高耦合。此外，在驱动面的挖掘过程中的气体排放变化法也表现出相同的特征。结果对煤层气的开发和利用具有重要意义，以及煤炭资源的安全开发。

1.介绍

受压力、孔隙、裂缝等因素影响的煤层储层渗透率对煤层气赋存、天然气开发利用以及煤炭资源的安全开采具有重要意义。近年来，渗透与应力状态的力学关系在采矿工程中引起了越来越多的关注。渗透率是表征瓦斯在煤体中流动能力的一个重要参数。煤的孔隙度和渗透率是关键的岩石物性参数，是促进煤层气开采和CO的关键₂扣押[1]煤层的瓦斯流动能力随着渗透率的增加而增加。一些研究人员发现，煤层渗透率与其应力状态密切相关[2，3.].在弹性变形阶段，渗透率通常随压力的增加而降低[4- - - - - -6，它对气体的流动起着限制作用。在准噶尔盆地南缘，研究人员发现，从储层顶部到底部，由于深度增大的应力，渗透率逐渐降低，而渗透率使含气量逐渐增加[7］.同时，渗透率往往随压力的减小而增大[8- - - - - -11］.煤的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律。随着压力的增加，围岩中的裂缝也被封闭，导致岩石渗透性降低[5，12］.一般情况下，煤层埋深直接控制其应力，应力又由于可预见的原因间接控制渗透率。为了进一步阐明三者之间的关系，岩石力学领域的学者发表了更多的研究成果。由于地应力随埋深的增加而增大，煤层渗透性逐渐降低[13- - - - - -15]，煤体含气量随煤层埋深的增加而增加[16- - - - - -18］.根据上述研究，埋深对含气量的影响机制可以表示为:煤层渗透性直接受埋深相关应力控制，且与瓦斯流量有较强的相关性。说明在复杂的成煤地质运动过程中，高地应力和低渗透率可能导致煤层气富集。图中给出了埋深、应力、渗透率与天然气富集度之间更为详细的逻辑关系1．

数字1说明在某一部位，气体的流动可能受到渗透率的影响。结果[19表明渗透率也会影响气体流量，渗透率越大，日产量越高。在此基础上，可以通过气体流动规律间接评价渗透率。

在山区地形条件下，地表高程往往发生剧烈变化，导致煤层埋深发生巨大变化。因此，煤层的埋深、应力和渗透性同时发生变化，导致同一煤层的瓦斯储量差异较大。这将反映在煤巷开挖过程中煤层瓦斯含量和瓦斯涌出量上。目前对这一重要现象的研究较少，需要对其进行分析和研究。

研究的目的是分析山区地形对天然气富集的内在机制。采用Winkler弹性地基梁理论建立力学模型，分析了覆山加压煤层的应力和渗透性变化规律。此外，我们还进行了几组案例实验来检验研究结果的有效性。这一开拓性工作对我们认识煤层气富集机理具有重要意义，对煤层气的开发利用和煤炭资源的安全开采具有重要意义。

2.力学模型

2.1. 力学模型的建立

在地下矿山中，煤层的厚度相对于上覆岩层极其薄，因此可以简化为梁。为了研究上覆山压煤层的特性，将煤层简化为无限长梁，建立了单山作用下的力学模型。典型模型如图所示2．

应提出以下假设:(1)除部分山体外的上覆岩石重量可简化为均布荷载问=γh哪里γ.岩体是散装和h是从煤层到表面的距离。（2）山对煤层的影响相当于梯形分布式载荷米=bx+c+γh,其中b斜率和c+γh为上覆岩层和山峰O点处的垂直压力。(3)不考虑构造应力。

2．2．力学模型的理论解

梁的宽度可假定为1，矩形坐标系的建立如图所示2．根据Winkler弹性地基梁理论，模型挠度曲线可表示为20.，21］ 在哪里e是自然基础；一个为特征系数;在一个⁴=K／4EI，K为基础刚度;的EI为受弯截面刚度;一个，B，C,D为待定系数;和表示方程的特解。

该模型是轴对称的，仅分析了右部份对模型的轴线进行了研究，煤层压力可以用分段函数表示:

取任何微段dx;根据力学平衡关系，模型的挠度微分方程可表示为

方程(3.)是一个四阶常系数非齐次线性微分方程，其解由齐次方程的共解和非齐次方程的特解组成。

等式中有两个非均匀物品（3.)，可写为和 ．第一个特解第二个特解是什么方程3的右边可以解出来。然后，利用叠加原理得到 ．

表达和由数学知识得到:

表达式是和 ：

因此，煤层挠度方程可表示为

根据温克勒弹性地基梁理论，煤层名义应力可表示为

方程(8通过插入方程可以获得（6）进入等式（7）： （1）当0≤x< 1，煤层只受梯形分布载荷。由自然边界条件和连续变形条件可知: ， ， ，和 ．此外，表示一个₁，B₁，C₁,D₁可以通过使用它得到: 0≤的无限长梁的标称应力方程 x< 1可以通过插入方程(9）进入等式（8）.(2）当x≥1, 式中第三项= 0 (6)，从自然边界条件和连续性条件中可以知道： 和 ．然后，表示 和 可以通过使用它得到。方程(10)可代入式(8）： 则煤层公称应力可以用分段函数表示:

从方程(9)和(11)，可以看出考虑山体垂直压力的名义应力在不同煤层位置的影响因素是不同的。(1)在梯形荷载影响区，煤层名义应力主要受边坡的综合影响b，受弯截面刚度EI、地基刚度 ，和垂直压力 在其他地区的点O.（2）处，标称应力的主要影响因素是均匀的载荷 ．

研究[22表示名义应力与气体压力有关吗p，有效应力 ，孔隙率 ：

考虑多孔介质固体骨架的压缩变形特性，可引入孔隙度状态方程: 在哪里为初始孔隙度，%;孔隙压缩性是10吗⁻³MPa⁻¹；为气体压力，MPa;和是初始气体压力，MPa。

基于实验研究[23]，渗透率一般与有效应力呈指数关系，有效应力可表示为: 在哪里渗透率是m吗²；是初始渗透性，m²；和e和d是常数。

让 ；由式(12) - (14）：

方程(15)是一个包含公称应力、气体压力和渗透率的方程。与其他研究结果相比，公式(15)消除了不确定有效应力的影响，直接采用公称应力作为变量。同时，方程中还考虑了有效应力和多孔介质基质的收缩效应对渗透率的影响机理，具有重要的实用价值。

在图的基础上建立了煤层渗透率方程2可由综合方程(9）， （11)和(15）.鉴于纸张的长度，该部分省略了公式。那些对此有兴趣的研究人员可以通过取等式轻松获得公式（9)及方程式(15）进入等式（11）.很容易看出，该公式包含了由埋深控制的应力和受煤层孔隙度影响的渗透率。埋深、应力和渗透性之间的关系将在下一节进行研究。

3.山区条件下煤层应力及渗透性变化规律

３．１．上覆山压力下煤层应力特征

根据上述力学分析，将通过实例分析的方法研究受煤层压力作用的山区的应力特征。煤层厚度取8 m，其弹性模量E= 3.38绩点;因此,EI= 144.21 × 10⁹N·m²．的刚度K为0.25 ~ 1.00 GPa [24),K= 0.5 GPa是在这里取得的l= 50米γ.h = 5、10、15 MPa，c= 7,10,15 MPa，和b = −为便于研究，取0.1。

根据上述值及公式(11)的应力特征研究如下:数据3.和4表示不同均布载荷下煤层的名义应力曲线和参数c,分别。

从图中可以看出：3.和4：（1）在山体垂直压力条件下，煤层名义应力具有明显的非线性特征，直接导致同一底板标高下煤层应力不均匀。（2）等均布载荷条件下γh，随参数值的增大而增大c，煤层公称应力增大。此外，值越大c时，非线性程度越明显。(3)在参数值相同的条件下c时，煤层应力随均布荷载的增大成比例增大γh．(4)原点位置(图中O点位置)存在明显的应力集中2）.点离得越远，应力集中程度就越低。应力集中持续到山体冲击的边缘。

为进一步表征和验证上述煤层应力与埋深之间的关系，基于Flac的数值模拟技术^{3 d}用于力学模型部分。与之前的研究相比，该模型考虑了两个高度分别为60 m和35 m的山峰对岩体应力的影响。模型的长、宽、高分别设置为200 m、80 m、260 m。根据沙八台煤矿的地质条件，选取了计算所用的力学参数，岩体倾角为23°。表中列出了应用的参数1．此外，对模型进行了不同的边界条件处理。模型上部为自由边界，前、后、左、右为水平位移约束。底部采用竖向位移约束。采用莫尔-库仑理论对模型进行了计算。描述SZZ等高线图的仿真结果如图所示5．

通过数值分析和上述研究得到的SZZ应力等值线图在趋势上表现出良好的一致性。可以观察到，SZZ应力随埋深的变化表现出明显的非线性特征。峰值下的SZZ应力最大，而边缘处的SZZ应力最小。相比于高r峰，在一定埋深下，下峰下SZZ应力值相对较小。

尽管通过数值模拟获得的结果与上述理论分析略有不同，但结果仍可反映埋藏深度和应力之间关系的主要机械行为。因此，彼此验证数值模拟和理论分析。

３．２．山区条件下煤层渗透性变化规律

基于方程式（9）， （11)和(15),参数EI，K,l是根据Section3．1．的孔隙度φ.₀给出了1.5%的初始气体压力值为1 MPa，孔隙压缩系数c_φ.为0.5 × 10⁻³MPa⁻¹．让= 5 MPa,p= 3 MPa，和c= 7、10、15 MPa。k/值的变化曲线u在不同的参数中c如图所示6．

(1)煤层渗透性与名义应力的变化趋势具有较好的相关性，且随着名义应力的增加，渗透性显著降低。(2)参数值越大c相同距离下煤层渗透率越小，瓦斯流动和释放的难度越大。(3)渗透率在初始点处达到最小值，随着距离初始点的距离增大，渗透率逐渐增大。

考虑到煤渗透性对瓦斯流动的控制作用，煤渗透性与应力/应变的协同关系，渗透性与埋深的正相关关系，埋深与含气量的正相关关系，渗透性与含气量的正相关关系，许多学者通过实验室试验进行了大量的研究，取得了一系列有益的成果。

本文采用力学分析的方法，研究了受煤层压力作用的山区的应力特征和渗透性。结果表明，受上覆山压作用的煤层埋深、应力和渗透性发生了显著变化，这必然导致煤层含气量的变化。作为我们的理论支持，在[2]和[3.通过不同的研究方法。

4.山区条件下煤层瓦斯富集规律

通过上述研究，得出了垂直应力对山区条件影响下的天然气富集机理。瓦斯涌出率和瓦斯含量是表征瓦斯富集的特征参数，主要受应力和渗透率的影响。

4．1.掘进过程中瓦斯涌出率变化规律

以下4.4.1。项目背景

沙坝台煤矿是宁夏回族自治区的一个高瓦斯矿井。煤层沉积在贺兰山下面。地面高程为+1440 m ~ +1670 m，最大相对高差为230 m。

10502工作面采用走向长壁后退采矿法。工作面走向长950 m，宽度210 m。倾角为23°，倾角为210 m。考虑到山体的影响，10502工作面通风巷道上方山体的地表高程为1540 ~ 1610 m，埋深为300 ~ 370 m。这种埋藏深度的巨大差异可能会导致瓦斯涌出率和瓦斯含量的巨大变化。10502工作面通风巷道上方地表高程变化特征如图所示7．

4.1.2。通风巷道掘进过程中的瓦斯涌出率

为了准确研究该条件下的瓦斯绝对涌出率，未采取掘进前预采抽采措施。掘进过程中未发现褶皱、断裂等地质构造，排除了地质构造对瓦斯涌出的影响。为了尽量减少掘进速度对瓦斯涌出的影响，我们采用较小的掘进速度，即每天2-3 m。气体绝对排放速率如图所示8．

根据地面高程可分为四个区域。可以看出，不同地区的瓦斯涌出率差异很大。掘进过程中的瓦斯涌出率与地表高程的变化相对应。(1)从1540 m到1550 m, 1#区瓦斯绝对涌出率随地表高程的增加呈增加趋势。(2) 2#区地表高度从1550 m缓慢增加到1610 m时，绝对瓦斯涌出量增长趋势明显，增长幅度较缓。(3)当地表高程保持在1610 m时，3#区瓦斯绝对涌出率一直在高值处振荡。(4)随后，4#区域地表高程从1610 m迅速下降到1556 m，绝对瓦斯涌出率明显降低。不同区域的瓦斯涌出率均值也呈现出相似的趋势。它们的数量是1.17米^3./分钟,3.00米^3./分钟，3点30分 M^3./min, 2.30 m^3./分别从区域1到4的最小值。

4．2．通风巷道附近煤层瓦斯含量测定

4.2.1。准备方法

DGC是中国最流行的气体含量测量设备。它由中国煤炭技术工程集团重庆研究院开发制造。在此基础上，政府于2009年颁布了国家标准《煤矿煤层气含量直接测量方法》（GB/T23250-2009）。该装置由7个部分组成：地下取芯和解吸系统、地面气体解吸系统、称重系统、煤样破碎系统、水分测量系统、气体成分测量系统和数据处理系统。该方法具有测定周期短、成本低、实验室工作量小、成功率高等优点。特别是气体含量测定工作可在8小时内完成 小时。该装置如图所示9，测量过程如图所示10．

瓦斯含量测定钻孔与通风巷道垂直，每50米设一个。取样均在70 m深度。巷道共设置19个孔。通风巷道瓦斯含量测量钻孔示意图如图所示11．煤层的气体含量的确定结果如图所示12．

4.2.2。结果

可以看出，根据地表高程的变化，气体含量大致可以划分为四个区域。在1#区，含气量随地表高程的升高呈现明显的上升趋势。而在2#区域，含气量的变化保持一定的平衡，在平均值附近波动。3#区含气量随地表高程从1550 m上升到1558 m有一定程度的增加。其中，4#区含气量随地表高程的降低而显著下降。

因此，数字12结果表明，在山区条件下，煤层甲烷含量与地表高程变化之间存在着明显的相关性，四个区域平均瓦斯含量的变化趋势也可以得出类似的结论，其值为4.75 M^3./t5.54米,^3./t，5.90米^3./t， 5.74米^3./t,分别。

5.结论

煤层瓦斯赋存与上覆山体密切相关，这一点一直被忽视。基于Winkler弹性地基梁理论、渗流理论和现场观测方法，研究了覆山加压煤层应力和渗透性的变化规律。分析了埋藏深度、应力、渗透率与含气量的关系。研究了上覆山加压煤层瓦斯富集机理:（1）基于温克勒弹性地基梁理论和渗流理论，建立并分析了上覆山体压力煤层的力学模型，推导了名义应力的理论解，得到了以名义应力和瓦斯压力为变量的渗透率理论解。(2）采用实例分析的方法，研究了覆山加压煤层应力和渗透性的变化规律。结果表明，应力和渗透性的变化与埋深和地表高程的变化具有明显的一致性。（3）地表高程、深度、应力和渗透性与上覆山区煤层承压状态有较强的相关性。初始含气量受煤层渗透性和应力的控制。野外实践表明，初始含气量、地表高程和埋深之间存在显著的正相关关系。同时，巷道掘进过程中瓦斯绝对涌出率也表现出相同的特征。（4)这一新发现有助于理解山区条件下煤层气赋存增加的本质机理，为解决瓦斯灾害提供了依据，在这种情况下，可以采取增加瓦斯抽放钻孔密度和抽放时间等措施，进一步降低瓦斯涌出量尽量减少瓦斯灾害，获取煤层气资源。

数据可用性

支持本研究发现的数据包括在文章及其补充材料中。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

作者的贡献

X. Y.构思主题;R. H.进行了理论衍生;R. H.，J.L和F .Z。设计并进行了现场测试;B. C.，S. S.和C. H.提供了理论和技术指导;R. H.分析了数据并写了论文。

致谢

本研究由中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:2020YJSSB03);41672347)。

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