采掘工作面瓦斯压力场与应力场的分布关系

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1、1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1.1.概述概述 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

2、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

3、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。 2.2.掘进工作面瓦斯压力场与应力场的分布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2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

4、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（3.55m） ；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 0.130.18，属极软煤层。实 测煤层瓦斯参数如表 21。表 21 磴槽煤矿瓦斯参数实测表 测定项目煤层开采深度（m） 405480 瓦斯压力（Mpa）1.51.73 瓦斯含量 （m3/t燃）16.9821.79P2321 f0.130

5、.18 （m2/Mpa2.d）0.05380.0591 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。3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 212）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

6、力场与地应力场分布表 22 和压力曲线图 22。456由表 22 和图 22，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 3015m 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 1012m 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 114m 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 1012m 的应力集中带内，瓦斯 压力才能达到 3.6

7、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 23。掘进工作面瓦斯压力场与应力场分布表 表 23测点距工作面距离 （m）瓦斯压力场应力场5025原始瓦斯压力带 正常应力带 249升压带应力集中带 84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

8、）在应力场的卸压带内，测点距工作面不同距离的瓦7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 318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。9（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

9、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 31 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 1020m 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 32）二1煤层瓦斯含量 13m2/t（燃）

10、 ；二1煤层原始透气性系数 0.014m2/Mpa2d。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109.4m，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 2230m，最大膨胀变形量为 70mm，膨胀变形率 7.447。图 33。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 2025m 处，实测最大膨胀变形 量为 43mm，最大

11、膨胀变形率 5.307。如图 34（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 P91#压力孔 57m 时，测得二1煤11层残余瓦斯压力 0.24Mpa；当保护层工作面推进 11#钻场 P112# 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/Mpa2d，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

12、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 3040m，二1煤 层充分卸压后膨胀变形量达到最高值 5.3077.497，钻场混 后流量达到最大值 18.1 m3/min，钻孔纯瓦斯流量达到 1.2 m3/min。 如图 35、36123#钻孔4#钻孔1#钻孔2#钻孔3#钻孔4#钻孔2#钻孔 1#钻孔2040608010000.20.40.60.811.41.21.62040608010000.20.40.60.811.41.2-20-40-20-40图3-51320

13、406080100020406080100-2001201205510152025101520-20图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 、钻孔流量 Q 等资 料，汇总成二1煤层变形 、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。141）原始瓦斯压力带处于正常应力带 由 P、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 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

14、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 2030m 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 0.320.43。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 3040m。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

15、15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

16、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 84 m 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 2030 m 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161.2m3/min。 4）保护层开采后，被保