高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合机理.pdf

高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理赵鹏翔1,2,3，张文进1，李树刚1,2,3，卓日升1，林海飞1,2,3，索亮4,5(1.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054；3.煤炭行业西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心,陕西西安710054；4.四川交通职业技术学院,四川成都611130；5.四川省长大公路隧道(群)运营安全工程实验室,四川成都610095)摘要：裂隙结构具有复杂性和不规则性，对上覆岩层卸压瓦斯的运移和储集具有决定性影响。为了确定高瓦斯厚煤层综采工作面推进过程中瓦斯运移区和储集区交叉融合的动态变化对瓦斯赋存的影响以及在不同推进速度下上覆岩层中的瓦斯运储规律，采用二维物理相似模拟实验分析覆岩裂隙分布特征和瓦斯运储区的几何变化规律，探究不同推进速度下运储区随周期来压交叉融合的变化特征，并以工作面推进速度为关键参数，建立瓦斯运储区的推速效应量化表征模型，揭示推进速度影响下瓦斯运储区的对称周期性构建机制。结果表明，瓦斯的运储区内外边界和运储交界分别位于裂隙开合度和贯通度的突变区域，随着推进速度的增大，运储区边界从采空区中部向两侧缩减；随着工作面推进，瓦斯储集区逐渐过渡成为运移区，两区域范围相互交叉融合，整个过程中运储区在循环“构建破坏构建”，最终形成完整的对称椭圆抛物带状的覆岩裂隙场；裂隙熵的变化随工作面的推进先增大后减小，裂隙率的变化随工作面的推进分别经历了 2 次增大和减小，表明瓦斯运移区和储集区随工作面推进呈“初次形成交叉融合区域分离扩大”的动态变化；此外，在采动裂隙椭抛带理论的基础上，构建瓦斯运储区推速效应量化表征模型，建立瓦斯运储区边界及状态判定流程，揭示推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合演化机理和对称形态的周期性构建机制，为研究采空区卸压瓦斯分布和实现瓦斯富集区定向精准抽采提供指导。关键词：高瓦斯厚煤层；推进速度；覆岩裂隙；瓦斯运储区；交叉融合中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：02539993(2023)09340515Mechanism of cross-fusion in gas transportation-storage area in fully mechanizedmining face of high gas thick coal seam under different advancing speedsZHAOPengxiang1,2,3,ZHANGWenjin1,LIShugang1,2,3,ZHUORisheng1,LINHaifei1,2,3,SUOLiang4,5(1.College of Safety Science and Engineering,Xian University of Science&Technology,Xian710054,China;2.Key Laboratory of Ministry of Educa-tion for Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Xian University of Science and Technology,Xian710054,China;3.Western Engineering Re-search Center of Mine Gas Intelligent Drainage for Coal Industry,Xian710054,China;4.Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu611130,China;5.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Long Highway Tunnel(Group)Operation Safety,Chengdu610095,China)收稿日期：20220827修回日期：20221124责任编辑：王晓珍DOI：10.13225/ki.jccs.2022.1257基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(52174205，51974237)；四川省交通科技资助项目(2021-C-03)作者简介：赵鹏翔(1987)，男，甘肃兰州人，教授，博士生导师，博士。E-mail：引用格式：赵鹏翔，张文进，李树刚，等.高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理J.煤炭学报，2023，48(9)：34053419.ZHAOPengxiang，ZHANGWenjin，LIShugang，etal.Mechanismofcross-fusioningastransportation-stor-ageareainfullymechanizedminingfaceofhighgasthickcoalseamunderdifferentadvancingspeedsJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(9)：34053419.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023Abstract:Thefracturestructureiscomplexandirregular,whichhasadecisiveinfluenceonthemigrationandstorageofpressure-reliefgasinoverlyingstrata.Duringtheadvancingprocessofthefullymechanizedminingfaceinthehigh-gasthick-coalseam,inordertodeterminetheimpactofdynamicchangeofintersectionandfusionofthegastransportandstorageareaonthegasoccurrence,andthegastransportandstoragelawintheoverlyingstrataunderdifferentadvancingspeeds,thetwo-dimensionalphysicalsimilaritysimulationwasconductedtoanalyzethefracturedistributioncharacterist-icsoftheoverlyingstrataandthegeometricchangelawofthegastransport-storagearea,andexplorethechangecharac-teristicsofthegastransport-storageareawiththeperiodicweightingunderdifferentadvancingspeeds.Additionally,tak-ingtheadvancingspeedoftheworkingfaceasakeyparameter,thequantitativecharacterizationmodelofthepropulsionspeedeffectofthegastransport-storageareawasestablished,andthesymmetricalperiodicconstructionmechanismofthegastransport-storageareaundertheinfluenceoftheadvancingspeedwasrevealed.Theresultsshowthattheinnerandouterboundariesandtheboundarybetweenthegastransportareaandstorageareaarelocatedinthemutationareasofthefractureopennessandthroughdegreerespectively.Withtheincreaseoftheadvancingspeed,theboundaryofthetransport-storageareaisreducedfromthemiddleofthegoaftobothsides.Astheworkingfaceadvances,thegasstorageareagraduallytransitsintoamigrationarea,andthetwoareascrossandfusewitheachother.Duringthewholeprocess,thetransport-storageareaisinthecycleof“construction-destruction-construction”,andfinallyformacompletesymmetricalellipticalparabolicbandedoverburdenfracturefield.Thechangeoffractureentropyincreasesfirstandthendecreaseswiththeadvanceoftheworkingface,andthechangeoffracturerateincreasesanddecreasestwicewiththeadvanceoftheworkingfacerespectively,indicatingthatthegasmigrationareaandthestorageareashowthedynamicchangeof“initialformation-crossfusion-regionalseparationandexpansion”withtheadvanceoftheworkingface.Inaddition,basedonthetheoryofmining-inducedfractureellipticparaboloidzone,thequantitativecharacterizationmodelofpropulsionspeedef-fectofgastransport-storagezonewasconstructed,andtheboundaryandstatedeterminationprocessofgastransport-stor-agezonewasestablished.Thecross-fusionevolutionmechanismandsymmetricperiodicconstructionmechanismofgastransport-storageareaundertheinfluenceofadvancingspeedwererevealed,whichprovideaguidanceforstudyingthedistributionofpressure-reliefgasingoafandrealizingthedirectionalandaccurateextractionofgasenrichmentzone.Key words:highgasthickcoalseam；propulsionspeed；overlyingrockfractures；gastransport-storagearea；cross-fusion为实现高产高效，许多矿井在条件允许时，通过增加采高和工作面长、提高推进速度等措施来增加工作面单产1-2，而采高和工作面长设计受地质条件和生产技术水平影响较大，推进速度可控性较强，在一定程度上能减小覆岩变形，从而缓解矿山压力。随着开采强度的不断增加，瓦斯突出和爆炸的事故发生率随之上升3-5，严重影响煤炭开采效率。采空区上覆岩层中瓦斯的运移和储集受裂隙的位置、角度、密度、几何尺寸和贯通度等因素的影响，因此，研究不同推进速度下上覆岩层裂隙的特征和演化规律对于了解煤矿工作面卸压瓦斯运移和储集能力至关重要。由于覆岩裂隙结构具有复杂性和不规则性，难以定量描述瓦斯运移的路径，也无法确定瓦斯储存的位置6-9。目前，为了解瓦斯在煤岩层中的运动规律，确定其积聚的范围，国内外众多学者对采动覆岩裂隙网络演化及其形态等方面进行了大量的研究。袁亮等10提出了低渗透煤层瓦斯抽采的高水平环状裂隙模型，为类似地质条件下低渗透煤层的开采提供了参考。基于“O”形圈和关键层理论，李树刚等11-12结合二维物理相似模拟和数值模拟，提出了更适合描述近水平综采工作面裂隙分布的模型。伍永平等13-15建立了大倾角煤层走向长壁开采岩体结构空间模型，对非对称煤岩的滑落失稳，进而诱发动力学灾害的机理进行了深入分析，并确定了维持大倾角工作面稳定性的区段煤柱合理尺寸。ZHOU 等16运用相似模拟实验方法，结合数字近景摄影测量技术，研究不同煤层倾角条件下覆岩位移场变化规律，并根据位移矢量方向将位移场分为 5 个区域，同时定义了位移指数以分析位移场的对称性。就实际工业适用性而言，QU 等17-19进行了大量的模拟研究，并将实验结果与上述理论进行比较，获得与工程应用更为匹配的简化模型。为定量描述裂隙结构的非均质性，更为准确地判定瓦斯流动去向，部分学者开始以分形维度的视角，采用分形的数学方法来研究瓦斯运移通道的发育规律。XIE 等20将分形理论应用于岩石力学，解释了复杂的岩石裂缝不规则性，确定了粗糙度与分形维数之间的关系。结合分形理论，WANG 等21对采动覆岩裂隙发育及其分形特征进行了研究，发现随着采高的3406煤炭学报2023年第48卷增加，裂隙网络的分形维数主要表现为快速上升，缓慢增加和稳定变化 3 个阶段。LIANG 等22通过建立不同水平区和垂直区的分形维数与采动覆岩裂隙长度的关系，表明水平区和垂直区的分形维数具有自相似性，采动裂隙的分形维数分布总体上呈“W”型趋势。YANG 等23通过建立基于采动裂隙分形维数的煤层透气性系数计算模型，分析裂隙发育与分形维数的关系，确定瓦斯运移规律和瓦斯富集的裂隙区域。GAO等24利用数值模拟和分形理论探讨了上覆岩层的演化过程和时空分布特征，认为采动作用使上覆岩层退化，内部损伤累积最终导致上覆岩层破坏。为掌握采动影响区覆岩裂隙时空演化规律，李宏艳等25采用数理统计和分形理论对裂隙场分布进行定性分析，通过分析裂隙张开的程度得出中、高角度过渡区是瓦斯抽采工程措施实施的主要区域。ZHAO 等26-27基于分形维数计算和二维物理相似模拟实验结果，提出了计算不同影响因素下瓦斯运移通道演化特征的有效模型。上述研究主要集中于煤层采高和倾角对覆岩裂隙场演化和瓦斯流动的影响，而针对于开采过程中瓦斯运储的推进速度效应研究较少，同时，采空区上覆岩层在载荷作用下将发生压缩变形28-29，该变形具有时间效应，推进速度决定了压缩时间和变形量，对瓦斯运移和储集空间的发育和移动产生重要影响。因此，笔者旨在研究不同推进速度下覆岩瓦斯运储区的裂隙演化规律，分析瓦斯运移区和储集区在不同推进速度下的交叉融合动态变化特征，建立瓦斯运储区的推速效应量化表征模型，形成瓦斯运储区边界及状态的判定流程，从而揭示瓦斯运储区的对称周期性构建机制。1物理模拟实验1.1实验原型实验原型选取山西某高瓦斯矿井工作面，煤层走向长度为 2081.0m，平均埋深为 410.0m，平均厚度为 5.1m，平均倾角为 7，属于近水平煤层。工作面采用综合机械化一次采全高的回采方式。煤层及上覆岩层的部分物理参数如图 1 所示。泥岩砂质泥岩中砂岩炭质泥岩细砂岩粉砂岩石灰岩铝质泥岩15号煤0 0.10.20.30.40.5泊松比0369 12 15剪胀角/()04080抗压强度/MPa0 10 20 30 40 50内摩擦角/()2004060弹性模量/MPa容重/(kNm-3)06 12 18 24 30图1煤岩层物理力学参数Fig.1Physicalandmechanicalparametersofcoalandrockstrata实验平台的设计尺寸为 1100mm140mm1000mm，物理模型遵循实验原型的地质条件和物理模拟实验条件，满足相似定理，模型与原型之间的几何相似比为 1100，时间相似比为 110，容重相似比为 11.5，应力相似比为 1150。1.2工作面推进速度的确定在煤矿生产过程中，推进速度对生产安全和效率有着至关重要的影响。推进过慢，可能造成采空区遗煤自燃，引发矿井火灾。然而，推进过快可能导致瓦斯涌出过快，涌出量过大，提升瓦斯事故发生概率。在实际生产过程中，工作面日产量为 6204t，平均推进速度为 4.5m/d。综合考虑煤自燃及瓦斯涌出问题，由式(1)可确定待测工作面日推进速度的最小值 vmin和最大值 vmax30：vmin=Lmaxmin=2.85m/dvmax=WLhc=8.17m/d(1)第9期赵鹏翔等：高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理3407式中，Lmax为氧化升温带最大宽度，m；为实验氧气体积分数与实际氧气体积分数相似比例系数；min为浮煤最短自然发火期，d；W 为日产量，t；L 为工作面长度，m；h 为工作面高度，m；为煤的密度，t/m3；c 为采出率，%。计算得，保证工作面安全生产的最小推进速度为2.85m/d，最大推进速度为 8.17m/d。综上，工作面合理的推进速度为 2.858.17m/d。实际工作面推进速度 4.5m/d 为安全的中等推进速度，因而笔者以 2m/d 为差值，设置实验条件为 3、5、7m/d，将高瓦斯厚煤层推进速度划分为低速、中速、高速 3 个区域范围。1.3实验方案利用西安科技大学西部矿山煤与瓦斯共采实验室的二维平面模拟实验台进行煤层走向采动覆岩裂隙演化物理相似模拟实验。以山西某高瓦斯矿井实际开采工艺设计实验，工作面沿走向推进，具体实验过程如下：(1)模型搭建。模型自下而上构建，将河沙、大白粉、石膏、水等材料均匀混合至胶结成团，制作的相似材料组成、强度等与实际煤岩力学参数差别很小，能较好地模拟实际岩层，所用原材料的数量见表 1。在煤层底部铺设 73 个高精度无线应力传感器实时监测应力数据，并在每层岩层上方均匀覆盖厚度为 1mm的 152.4254.0mm 云母片用作分层，模拟岩层的层理结构。模型构建完成自然风干 34 周后，在煤层上方横、纵向间隔 100mm 布置位移测点，并根据工作面埋深对模型顶部施加均匀载荷，计算如下：V=H=6.72MPa(2)式中，V为模型顶部的应力载荷，MPa；为上覆岩层平均容重，kN/m3；H 为模型的模拟埋深，m。表 1 物理相似模拟实验模型材料配比Table 1 Material mix proportion of physical similarity simulation experimental model序号岩层厚度/cm沙子质量/kg大白粉质量/kg石膏质量/kg煤粉质量/kg21细砂岩0.92.180.180.1220粉砂岩7.02.170.240.0619砂质泥岩1.52.210.160.1018铝质泥岩1.02.210.210.0517砂质泥岩1.52.210.160.1016粉砂岩1.02.170.240.0615中砂岩3.02.160.150.1514泥岩1.02.200.180.081313号煤3.02.230.190.051.1012泥岩3.52.200.180.0811中砂岩7.02.160.150.1510粉砂岩4.52.170.240.069粉砂岩4.52.170.240.068泥岩1.52.200.180.087细砂岩1.52.180.180.12614号煤5.52.230.190.051.105泥岩1.02.200.180.084砂质泥岩3.02.210.160.103粉砂岩1.02.170.240.062细砂岩1.02.180.180.12115号煤4.52.230.190.051.10(2)模型开采设计。模型开采长度为 1100mm，为了避免边界效应对实验结果的影响，工作面两侧各预留长度为 100mm 的煤柱，开切眼为 80mm，工作面每次推进速度交替指定为 20、30mm，避免来压步距为某一数值的倍数而与现场实际来压步距存在较大偏差。3408煤炭学报2023年第48卷(3)数据监测。在实验过程中，记录煤层底板应力传感器的数据变化、位移测点的移动轨迹、裂隙空间坐标、裂隙长度、裂隙发育高度，采集工作面周期来压前后的模型图片。实验结束后，采用图像分析法进行二值化处理，通过数值模拟软件计算裂隙区域面积和裂隙率，为深入分析卸压瓦斯运移区和储集区受工作面推进速度影响的交叉融合演化规律提供基础。2瓦斯运储区区域裂隙演化特征随着工作面往前推进，岩层经历变形弯曲下沉破断的过程，形成由横向离层裂隙与纵向破断裂隙共同构成的复杂裂隙网络，供卸压瓦斯运移和储集，进而形成卸压瓦斯运储区。2.1瓦斯运储区裂隙开合度变化特征裂隙内瓦斯的流动状态与流速、开合度、黏度及密度有关。业内学者对瓦斯通道的发育特征及其对卸压瓦斯流态的影响进行了深入的研究31-32，发现在Karman 准则的基础上，瓦斯的流动状态可采用雷诺数来判定，瓦斯在裂隙中的流态依据雷诺数主要分为层流、过渡流和紊流。通常地，在靠近采空区的较小范围内漏风较大，而其他区域则为类似雷诺系数的渗流。因此通过二维物理模拟实验获得的裂隙开合度可与雷诺数联合确定各种裂隙开合度所对应的瓦斯主要流动状态，从而判定瓦斯流动的区域。覆岩裂隙开合度分布特征如图 2 所示，不同推进速度下的裂隙开合度均发生突变，而这种突变确定了瓦斯运储区与覆岩压实区的边界，为瓦斯运储区的形成创造了条件，因此裂隙开合度突变可以作为上覆岩层中瓦斯运储区边界度量的特征参数。根据裂隙开合度的分布特征，压实区裂隙开合度均小于 1m，平均 0.310.42m，裂隙的闭合阻碍了瓦斯流动，致使卸压瓦斯选择裂隙开合度更大的区域运移，形成了瓦斯运储区，如图 3 所示。由此以裂隙开合度 1m 为界限，区分瓦斯运储区和覆岩压实区。当推进速度不同时，随开采进程裂隙开合度呈现先增大后减小再增大的 3 段分布。从图 2 可知，推进100908070605040302010推进距离/m100908070605040302010推进距离/m裂隙开合度/m4.03.53.02.52.01.51.000.5裂隙开合度/m4.03.53.02.52.01.51.00.50距煤层底板高度/m10203040506069距煤层底板高度/m10203040506069外边界内边界100908070605040302010推进距离/m裂隙开合度/m4.03.53.02.52.01.51.00距煤层底板高度/m10203040506069(a)推进速度3 m/d(b)推进速度5 m/d(c)推进速度7 m/d外边界内边界外边界内边界图2不同推进速度下裂隙开合度分布特征Fig.2Distributioncharacteristicsoffractureopennessunderdifferentpropulsionspeeds第9期赵鹏翔等：高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理3409速度加快，岩层缺乏发生断裂的时间，部分离层裂隙迅速被压实，裂隙开合度不断减小，运储区裂隙带从采空区中部向两侧缩减，故推进速度的加快对裂隙网络的扩展具有约束作用，推进速度为 7m/d 时的裂隙开合度与 3m/d 和 5m/d 相比，其突变区域范围分别缩减了 42.2%和 21.3%。2.2瓦斯运储区裂隙贯通度变化特征破断裂隙为瓦斯的升浮提供了通道，其贯通度可描述岩层的破断程度及破断裂隙内瓦斯运移能力强弱，贯通度低的岩层限制了瓦斯的升浮，迫使瓦斯大量储集，因此通过裂隙区贯通度的变化规律可量化瓦斯运移区和储集区的交界。根据式(3)可得不同推进速度下覆岩贯通度分布曲线(图 4)，贯通度随岩层高度的增加而减小，当贯通度下降至 0.6 时发生突变，此时 3、5、7m/d 推进速度对应的高度分别为 42、40、38m，岩层通透性快速下降，瓦斯难以升浮而发生积聚，形成了瓦斯运移区和储集区的交界，其中推进速度为 3m/d 时的交界高度与 5、7m/d 相比分别高 4、2m。随着推进速度的增大，岩层回转变形周期短，岩体垮落快，其下方自由空间小，贯通度逐渐变小。Di=aihi(3)式中，Di为上覆岩层中 i 层的贯通度；hi为第 i 层的岩层厚度；ai为覆岩中破断裂隙的发育长度，m。01020304050600.20.40.60.81.04240贯通度距煤层底板距离/m3 m/d5 m/d7 m/d3 m/d5 m/d7 m/d38运移区和储集区交界40500.4贯通度距煤层底板距离/m图4不同推进速度下贯通度分布曲线Fig.4Distributioncurvesofthroughdegreeunderdifferentpropulsionspeeds2.3采动覆岩“三带”横纵裂隙联动演化特征采动覆岩破坏“三带”横纵裂隙联动演化特征如图 5 所示，断裂带内岩层离层和破断裂隙随着周期来压向上发育并相互贯通，形成瓦斯运移及汇聚的裂隙网络，图中蓝色区域为离层裂隙与破断裂隙发育高度的差值，创造了利于瓦斯储集的空间，横纵裂隙的联动演化为瓦斯运移区和储集区的融合和分离提供了基础。通过对比图 5 发现，覆岩“三带”高度之和随推进速度减小而下降，其中垮落带高度减小，断裂带高度增大。在垮落带中，不规则垮落带的占比增大，同时规则垮落带的占比减小，碎胀系数增大；在裂隙带中，岩层由于下落的时间周期较长，各处发生了不同程度的拉伸断裂和剪切错动，岩层出现破断裂隙的频率增加，导致了瓦斯运移空间的增大，在此过程中，瓦斯汇聚的空间不断被破坏，范围逐渐减小。推进速度增大，工作面上方岩层因短时间内形成了范围较大的悬臂梁结构而稳定下降，岩层容易失稳垮落，纵向裂隙断裂时间减少，离层裂隙发育高度增大，致使瓦斯汇聚的空间明显扩大。3瓦斯运储区对称周期性构建机制3.1瓦斯运移区和储集区几何参数演化规律通过对卸压瓦斯运移区和储集区空间形态表征参数(高度、宽度)进行测量及分析其随工作面推进速度变化的规律，掌握卸压瓦斯运移区和储集区空间形覆岩压实区瓦斯运储区瓦斯运储区(a)推进速度3 m/d(b)推进速度5 m/d(c)推进速度7 m/d瓦斯运储区覆岩压实区覆岩压实区瓦斯运储区瓦斯运储区瓦斯运储区图3物理相似模拟结果Fig.3Resultsofphysicalsimilaritysimulation3410煤炭学报2023年第48卷态演化规律，形态变化规律如图 6 所示。瓦斯运移区的高度和宽度存在明显的同步规律性增大。如图 6(a)所示，随着工作面的推进，瓦斯运移区的高度和宽度呈现持续增大的变化趋势，增长的幅度先增加后减小。在高强开采的情况下，会对上覆岩层造成较大的扰动，使各岩层之间产生离层，因此离层裂隙发育至较高的层位，而岩层断裂不完全或没有断裂就发生了垮落，与推进速度较低时相比，瓦斯运移区的高度和宽度较小。瓦斯储集区的高度和宽度呈非同步变化。如图6(b)，020406080100102030405060垮落带垮落带断裂带断裂带弯曲下沉带弯曲下沉带垮落带断裂带弯曲下沉带第5次周期来压第5次周期来压第4次周期来压第4次周期来压初次来压距煤层顶板高度/m工作面推进距离/m020406080100工作面推进距离/m020406080100工作面推进距离/m横向离层裂隙纵向破断裂隙横向离层裂隙纵向破断裂隙横向离层裂隙纵向破断裂隙横纵裂隙发育高度差值第3次周期来压第2次周期来压第1次周期来压(a)推进速度3 m/d(b)推进速度5 m/d(c)推进速度7 m/d102030405060距煤层顶板高度/m初次来压横纵裂隙高度差值第3次周期来压第2次周期来压第1次周期来压10203040506070第1次周期来压初次来压距煤层顶板高度/m横纵裂隙发育高度差值第2次周期来压第3次周期来压第4次周期来压第5次周期来压23456横纵裂隙发育高度差值/m周期来压第5次第4次第3次第2次第1次初次456789第5次第4次第3次第2次第1次横纵裂隙发育高度差值/m周期来压初次第5次第4次第3次第2次第1次周期来压初次46810121416182022横纵裂隙发育高度差值/m图5采动覆岩“三带”横纵裂隙联动演化特征Fig.5Linkageevolutioncharacteristicsofhorizontalandverticalfracturesof“threezones”inminingoverburdenrock第9期赵鹏翔等：高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理3411瓦斯储集区形成之后，其高度在第 13 次周期来压期间呈指数增长的趋势，从第 4 次周期来压开始，受关键层的影响，瓦斯储集区的发育高度受到限制，区域扩大的速度下降，而宽度呈现“增减增”的变化规律，这是由于在第 5 次周期来压之前，瓦斯储集区与运移区处于相互交叉融合的状态，2 者没有完全分离，在第 5 次周期来压时，离层裂隙继续发育，破断裂隙基本停止发育，瓦斯运移区不再扩大，而瓦斯储集区继续向上扩展，逐渐独立形成，因此宽度发生骤减，然后随工作面推进其区域范围逐渐扩大。随着推进速度的加快，上覆岩层易形成悬臂梁结构，工作面和压力拱之间的距离增加，裂隙的发育时间减少，因此瓦斯储集区的空间分布受到了限制，运储区发育的区域范围减小。3.2瓦斯运储区交叉融合动态变化特征在开采扰动的影响下，上覆岩层产生的裂隙由于尺寸、方向、位置不同而形成了瓦斯运移区和储集区，区域之间及其内部的裂隙相互交错，分布不均匀，具有无序性与随机性的特征。研究表明33，基于信息熵具有描述信息源不确定度的特性，可以分别用概率熵、模糊熵和混合熵来定量描述不确定信息的随机性、模糊性和复合不确定性，而覆岩裂隙扩展的方向存在概率特征，因此在信息论和概率熵模型的基础上，可通过定义覆岩裂隙熵来量化裂隙扩展的方向分布特征和裂隙系统的无序化程度，从而表征瓦斯运储区相互交叉融合的动态过程。在裂隙熵中，沿平面取一起点，将方向区间 0到180划分为 10 等分，计算裂隙在区间内的分布概率并将其归一化处理，即可得到裂隙熵的范围。采用信息熵和裂隙面积与研究区域面积之比可分别描述覆岩裂隙的方向随机性和分布密集度，由此定义裂隙熵 Kf和裂隙率 Rf的计算公式34可表示为Kf=1lnnnj=1pi/mj=1pjlnpi/mj=1pjRf=SfSa(4)式中，pi为某区域中的裂隙在此区域中出现的概率；n为区域的划分个数；pj为区域内划分面积的概率；m 为区域内划分面积的个数；Sf为裂隙的总面积，m2；Sa为研究区域的总面积，m2。瓦斯运储区裂隙熵的变化表明了裂隙系统的状态，裂隙熵的增加表明裂隙系统由有序向无序发展的过程。为了更准确分析瓦斯运储区的演化规律，采用区域划分的方法，由于 12m 单元无法完全覆盖完整的裂隙，3m 以上的单元影响计算精度，故以瓦斯运储区竖向每 3m 为一个单元，对每个单元进行裂隙率和裂隙熵计算。由每次周期来压瓦斯运储区裂隙率和裂隙熵的梯度变化可知，裂隙总体表现为趋于同一方向，面积逐渐减小，但是由于采动作用的影响，其变化速率不同。裂隙熵的变化随工作面的推进先增大后减小，裂隙率的变化随工作面的推进分别经历了 2 次增大和减小，结合随周期来压的覆岩裂隙变化和瓦斯运储区域演化，分析瓦斯运储区的交叉融合动态变化过程。如图 7(a)、(b)所示，瓦斯运储区初次形成：初次来压时，岩石破碎分散，瓦斯流动紊乱，采空区整体空间较小，瓦斯运储一体，以循环运移为主，垮落岩层上方形成空洞，自距煤层底板高 6m 起，裂隙率随高度7 m/d5 m/d周期来压周期来压3 m/d7 m/d5 m/d3 m/d14.014.012.611.316.015.013.79.58.88.18.07.27.010.08.68.212.611.316.015.013.722.520.417.624.522.620.42623.822.7555045403530252015105高度/m30252015105高度/m宽度/m05101520宽度/m051015202530(a)瓦斯运移区(b)瓦斯储集区第5次第4次第3次第2次第1次第5次第4次第3次第2次第1次图6不同推进速度下瓦斯运储区的高度和宽度变化Fig.6Heightandwidthvariationsofgastransport-storageareaunderdifferentadvancingspeeds3412煤炭学报2023年第48卷23456780102030405060裂隙率/%裂隙率/%裂隙率/%裂隙率/%距煤层底板高度/m裂隙率00.10.20.30.40.50.60.70.80.9空洞裂隙熵裂隙率裂隙熵裂隙熵运储一体,运移为主(a)初次来压2468101214160510152025303540距煤层底板高度/m00.10.20.30.40.50.60.70.80.9裂隙熵空洞初次形成,边界分离交叉融合交叉融合瓦斯储集区瓦斯储集区瓦斯储集区瓦斯运移区瓦斯运移区瓦斯运移区(b)第1次周期来压(c)第2次周期来压(d)第3次周期来压5101520250510152025303540交叉融合距煤层底板高度/m裂隙率空洞00.10.20.30.40.50.60.70.80.9裂隙熵裂隙熵510152025300510152025303540空洞距煤层底板高度/m裂隙率00.10.20.30.40.50.60.70.80.9裂隙熵裂隙熵交叉融合第9期赵鹏翔等：高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运储区交叉融合机理3413增加而稳定增大，最大值达到 56.4%。第 1 次周期来压时覆岩断裂，岩石破碎较严重，形成大量裂隙，裂隙宽度和密度较大，裂隙的方向分布趋于混乱，裂隙场的无序程度增加，裂隙率和裂隙熵增大，采空区上部空间较大，瓦斯运移区和储集区初次形成，此时空洞受到压缩，裂隙场最高处裂隙率减小至 39.9%。如图 7(c)所示，瓦斯运储区第 1 次交叉融合：由于周期来压引起覆岩对原垮落岩石的二次挤压，旧裂隙的压密和新裂隙的产生导致裂隙熵的继续增大和裂隙率快速减小，裂隙面积有所减小，空洞进一步压缩，裂隙场最高处裂隙率为 27.4%。在距煤层底板高度 15m 处，裂隙率减小的同时裂隙熵开始增大，裂隙场的无序程度增加，原瓦斯储集区岩层出现不完全断裂而发生破坏，致使一部分储集的瓦斯沿完全破断裂隙继续向上运移，另一部分储集的瓦斯沿不完全断裂裂隙升浮，随后到达最高点停止运移并积聚，该范围形成瓦斯运移区和储集区相互交叉融合的区域。如图 7(d)所示，瓦斯运储区第 2 次交叉融合：垮落带对裂隙熵的增大有主要贡献，覆岩垮落高度增大，断裂带也增大，在断裂带内的裂隙熵随高度增加而逐渐减小，上部岩层裂隙熵较低，无序性程度较低，受到采动影响较小。覆岩裂隙率随梯度的增加表现为先减小后增大，这是由于裂隙场上部空洞的存在，岩层活动空间充足，裂隙场最高处裂隙率为 18.6%。在裂隙熵减小和裂隙率增大的节点，上覆岩层裂隙无序性减小，即瓦斯的流动方向趋于同向，流动状态从紊流逐渐过渡到层流，裂隙开合度的减小导致流动速度也减小，该区域即瓦斯运移区和储集区边界交叉的位置，两区域再次出现交叉融合，交叉融合的位置上升至距煤层底板高 18m 处。如图 7(e)所示，瓦斯运储区第 3 次交叉融合：上覆岩层的继续垮落和下沉致使裂隙场最高处裂隙率下降为 7.6%，整体裂隙面积受到压缩，裂隙发育空间减小，新裂隙产生的速率减小，旧裂隙压实的速率增大，因此裂隙熵减小，裂隙率先增大后减小。瓦斯升浮的速度受此影响，位于裂隙场上部的瓦斯的运移速度快速下降，运移区和储集区发生第 3 次交叉融合，位置位于距煤层底板高 27m 处。如图 7(f)所示，瓦斯运储区边界分离，区域扩大：随着离