采掘工作面瓦斯压力场与应力场的分布关系.docx

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采掘工作面瓦斯压力场与应力场的分布关系

采掘工作面瓦斯压力场与应力场的分布关系

1.概述

1.1.煤体内存在地应力（包括自重应力、地质构造应力和采动集中应力），瓦斯压力和煤的自重应力。

地应力在空间的分布称作地应力场。

地应力场是一个自然力场，由自重应力场、构造应力场和温度应力场组成。

在煤层中，瓦斯压力场也是存在于煤层中的自然力场，瓦斯压力在每一点不具有方向性。

瓦斯压力属流体压力，力的作用方向各向同性各向均等。

煤体内自重应力、地质构造应力和采动应力是不相等的，各有大小，方向也不相同。

1.2.瓦斯压力场与地应力场存在着密切的联系，地应力场对瓦斯压力场起控制作用，煤层中高地应力决定了煤层的高瓦斯压力，从而使产生的高地应力达到破坏煤体的作用。

地应力大小又决定着煤层透气性大小，当地应力增高时，煤层透气性降低，低透气性煤层，使采掘工作面前方的煤体瓦斯难以排放，形成很高的瓦斯压力梯度。

为此，地应力大小决定着瓦斯压力的大小，当地应力场随着采掘过程发生变化时，瓦斯压力也将随之变化。

采掘工作面前方的破碎带（卸压带），地应力降低，瓦斯压力也随之降低；应力集中带内，瓦斯压力急剧增高。

可以认为，瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力变化和瓦斯压力值。

当采掘工作面前方煤体内形成较高的应力集中，急剧增加了地应力梯度，使煤体内积聚了较大的变形能；由于煤体的应力增高，煤层压缩变形，煤层内的孔隙裂隙被压缩，使瓦斯压力增高，瓦斯内能增大。

从而为煤与瓦斯突出危险创造了条件。

2.掘进工作面瓦斯压力场与应力场的分布

2.1.瓦斯压力测定与分布

2.1.1.概述

国内外一些科研单位曾用孔底应变法，钻孔形变等方法测量突出矿井的岩体应力状态。

这些测量方法对岩体的完整性要求很高，同时岩体的空间应力测量需三个不同方向的应力解除钻孔，不仅应力解除工作量大，而且三个应力解除钻孔的交会难度也很大。

目前，还没有利用应变法测量煤体的应力状态。

因此，我们采用测定煤层瓦斯压力的方法，当掘进工作面向测压钻孔推进时，测定掘进工作面前方不同距离的瓦斯压力，用其分布状况确定煤层应力分布。

2.1.2.测定地点概况

测试地点在磴槽集团公司磴槽煤矿第九、十水平大巷。

九平巷开采深度405m、十平巷开采深度为480m，煤层倾角28—30°，该地区煤层厚度变化较大，大巷东部煤层较薄（2m左右），西部煤层（3.5—5m）；煤层顶板有0.5m的泥质页岩，直接顶为砂岩。

煤层坚固性系数0.13—0.18，属极软煤层。

实测煤层瓦斯参数如表2—1。

表2—1磴槽煤矿瓦斯参数实测表

测定项目

煤层开采深度（m）

405

480

瓦斯压力（Mpa）

1.5

1.73

瓦斯含量（m3/t·燃）

16.98

21.79

△P

23

21

f

0.13

0.18

（m2/Mpa2.d）

0.0538

0.0591

磴槽煤矿煤层属极软煤层，具有煤与瓦斯突出危险性。

2.1.3.瓦斯压力场测定

1）测压孔布置

磴槽煤矿为降低煤巷维护量每80m开拓石门与二1煤层顺槽贯通，为避免多次石门揭煤，先从上顺槽掘开切眼与下顺槽贯通，再由下顺槽与石门掘透。

利用2#—6#石门向二1煤层工作面下顺槽打测压钻孔，当煤巷掘进工作面向石门瓦斯压力孔推进时，瓦斯压力发生变化，以测定掘进工作面前方瓦斯压力场的分布。

如图2—1

2）瓦斯压力场测定

掘进工作面向（3#、4#、5#、6#、7#）测压孔掘进时，测压孔与掘进工作面在不同距离内瓦斯压力值发生较大变化，如瓦斯压力场与地应力场分布表2—2和压力曲线图2—2。

由表2—2和图2—2，瓦斯测压点距掘进工作面30m以远处于原始压力带；测点距工作面30—15m处于升压带，在升压带内瓦斯压力急剧升高，在测点距工作面10—12m范围达到最高值，分别为4.4、4.5、3.8、4.4、3.6Mpa；测点距工作面11—4m处于降压带，在此范围内瓦斯压力急速下降。

2.2.掘进工作面压力场与应力场的分布

掘进工作面前方煤体的瓦斯压力变化取决于地应力的大小，只有在掘进工作面前方的应力集中带，瓦斯压力方能急剧增高。

实测表明，只有测点距工作面10—12m的应力集中带内，瓦斯压力才能达到3.6—4.5Mpa的最高值。

根据瓦斯压力场与地应力场的有机联系，从现场实测中将其划分为三个带，如表2—3。

掘进工作面瓦斯压力场与应力场分布表表2—3

测点距工作面距离（m）

瓦斯压力场

应力场

50—25

原始瓦斯压力带

正常应力带

24—9

升压带

应力集中带

8—4

降压带

卸压带

以上测压孔实际观测说明：

（1）掘进工作面前方瓦斯压力的变化是随着地应力在掘进过程中的变化而变化。

因此，瓦斯压力场与地应力场存在密切的联系；

（2）掘进工作面前方煤体的应力集中带瓦斯压力急剧增高，使得掘进工作面与应力集中带之间形成较高的瓦斯压力梯度，当应力集中带与掘进工作面的距离缩短时，就提高了煤与瓦斯突出的危险性；

（3）在应力场的卸压带内，测点距工作面不同距离的瓦斯压力值应小于0.8Mpa，视为充分卸压，无突出危险性；

（4）掘进工作面瓦斯预测深度应超过卸压带距离，这样能有效地，针对性较强的采取防突措施。

3.回采工作面瓦斯压力场与地应力场的分布。

3.1.测定地点和测定方法

测定地点：

磴槽集团公司金岭煤矿一7（1708）保护层工作面和二1被保护层工作面。

图3—1

测定方法：

我们利用开采保护层后，测定被保护层的应力场分布与瓦斯压力场分布。

（1）保护层开采后，用深部基点法测定煤层顶底板相对变形，即固定变形钻孔打入煤层顶板1m，在煤层顶底板各安装一对钢楔固定深部基点，利用顶底板相对位移测定顶底板相对变形。

（2）用测瓦斯压力孔测保护层开采后二1煤层瓦斯压力场变化；

（3）用测瓦斯流量钻孔测定瓦斯压力场与应力场变化时的钻孔流量变化与煤层透气性变化。

3.2.钻场钻孔布置与二1煤层瓦斯参数

3.2.1.钻场和钻孔布置如图3—1

在一7保护层开采保护范围内布置抽放巷即考察巷，在抽放巷每10—20m布置钻场，在每个钻场内布置测压孔、测变形孔和抽放孔。

3.2.2.参数测定二1煤层原始瓦斯参数

在保护层开采范围内，利用5#钻场P5#测压孔测得二1煤层原始瓦斯压力1.74Mpa，2#钻场P2#压力孔压力为1.29Mpa；（如图3—2）二1煤层瓦斯含量13m2/t·（燃）；二1煤层原始透气性系数0.014m2/Mpa2·d。

3.3.保护层开采后二1煤层变形，瓦斯压力、流量、煤层透气性参数测定。

（1）抽放巷（考察巷）5#钻场钻孔测得该处煤层厚度9.4m，在保护层工作面前方30m至工作面后方10m，二1煤层最大压缩变形量为-2.95m，压缩变形率为0.32‰,保护层采过5#钻场22—30m，最大膨胀变形量为70mm，膨胀变形率7.447‰。

图3—3。

9#钻场变形孔煤厚8.1m，在保护层工作面前方30m，二1煤层最大压缩变形量-3.56mm，压缩变形率为0.43‰。

在保护层工作面后方20—25m处，实测最大膨胀变形量为43mm，最大膨胀变形率5.307‰。

如图3—4

（2）与保护层不同开采距离，二1煤层瓦斯压力变化。

当保护层推过测压孔2#钻场25m时，测得二1煤层残余瓦斯压力0.4Mpa；当保护层推过9#钻场P9—1#压力孔57m时，测得二1煤层残余瓦斯压力0.24Mpa；当保护层工作面推进11#钻场P11—2#测压孔28m时测得二1煤层残余瓦斯压力0.23Mpa。

（3）根据残余瓦斯压力及瓦斯流量计算煤层透气性系数为12.3m2/Mpa2·d，由于煤层应力降低在卸压作用下煤层透气性系数增高800倍以上。

（4）在保护层工作面前方30m处，二1煤层处于压缩变形，应力增高，瓦斯压力由1.29Mpa增高到1.48Mpa，瓦斯流量为0—0.001m3/min。

当保护层工作面采过钻场后，二1煤层开始产生膨胀变形钻场抽要量迅速提高，保护层工作面采过30—40m，二1煤层充分卸压后膨胀变形量达到最高值5.307‰—7.497‰，钻场混后流量达到最大值18.1m3/min，钻孔纯瓦斯流量达到1.2m3/min。

如图3—5、3—6

3.4.回采工作面瓦斯压力场与应力场变化关系。

将以上收集的瓦斯压力P、煤层变形ε、钻孔流量Q等资料，汇总成二1煤层变形ε、瓦斯压力P和流量Q曲线图3—7。

曲线图说明在采动作用下，二1被保护层的应力变形及瓦斯压力发生重大变化，可以通过应力和瓦斯压力带来说明。

1）原始瓦斯压力带处于正常应力带

由P、ε、Q曲线图可知，工作面前方30m以远处为正常应力带，其瓦斯压力P、流量Q、煤层变形ε等瓦斯动力参数都保持着原始数值。

2）瓦斯压力升高带处于应力集中带

由曲线图可知，工作面前方30m至工作面后方10m为应力集中带，最大支撑压力点的位置，位于20—30m处，被保护层二1煤层最大压缩变形为-2.95—-3.56mm，压缩变形率0.32‰—0.43‰。

在应力集中带内，煤体裂隙和孔隙收缩，透气性降低，使得瓦斯压力增高、瓦斯流量进一步降低。

3）瓦斯压力降低带处于卸压带

由20个观测钻孔，一7保护层工作面的后方出现卸压过程，从观测的数据看，在工作面后方出现急剧卸压的点（即初始卸压点），位于工作面后方10m，最大卸压点即最大膨胀点位于工作面后方30—40m。

过了最大卸压点之后，卸压速度逐渐减少，直到应力恢复，仍然保持着显著卸压状态。

在卸压带内，由于煤层产生卸压作用，煤层产生膨胀变形，二1煤透气性增加800多倍，瓦斯急剧解吸，流量不断增高并达到最高值，瓦斯压力急剧下降。

4）残存瓦斯压力带处于应力恢复带

在保护层工作面后方100m以远，保护层工作面采空区内冒落或缓慢下沉，岩石逐渐被压实，处于此带的岩层及煤层重新支承压力。

但此带的应力值已小于原始应力值，煤层仍有一定的残余瓦斯压力仍保留一定的膨胀变形，同时煤层瓦斯经长时间的抽放，已处于衰竭状态。

4、结论

1）掘进工作面采用测定煤层瓦斯压力的方法，测定掘进工作面瓦斯压力场与应力场分布关系为：

测点距工作面距离25m以远原始瓦斯压力带处于正常应力带

测点距工作面距离24 —9m瓦斯压力升压带处于应力集中带

测点距工作面距离8—4m瓦斯压力降低带处于卸压带

2）在掘进工作面前方随着掘进过程的变化，瓦斯压力随着地应力而变化。

当应力集中带与掘进工作面距离缩短时，掘进工作面便形成较高的瓦斯压力梯度，这时就增高了煤与瓦斯突出危险性。

因此，测定瓦斯压力场与地应力场的分布关系，其目的是更有效的进行瓦斯预测预报和采取防治瓦斯突出措施。

3）保护层工作面开采后，被保护层地应力变化，造成瓦斯压力的变化，在保护层工作面前方30m，二1煤层最大压缩变形率为0.43‰。

当保护层工作面采过钻场20—30m时，最大膨胀变形率达7.447‰，该处为充分卸压段，地应力降低，瓦斯压力急剧下降，残余瓦斯压力达0.23—0.4Mpa，该处的煤层透气性系数提高800倍以上，钻场瓦斯混合流量达最大值18.10m3/min，钻场瓦斯纯流量达1.2m3/min。

4）保护层开采后，被保护的应力变形与瓦斯压力发生重大变化，可用4个带说明：

a、工作面前方30m以远，瓦斯原始压力带处于正常应力带；

b、工作面前方30m至工作面后方10m为瓦斯压力升高带处于应力集中带；

c、工作面后方10m开始卸压，当位于工作面后方30—40m，被保护层产生最大膨胀变形，应力进一步降低煤层充分卸压，瓦斯压力急剧下降，瓦斯压力降低带处于卸压带；

d、在保护层后方100m以远，残存瓦斯压力带处于应力恢复带。

5）以上观测说明了，采掘工作面瓦斯压力场与地应力场的分布是密切相关的，它们之间主要表现了两个方面，一是瓦斯压力值，一是瓦斯压力变化，当地应力随着采掘过程发生变化时，瓦斯压力也随之变化