煤矿地下水库相邻采空区水力联系及渗流规律研究

智国军，刘 润，杨瑞刚，秦 伟，鞠金峰

(1.国能包头能源有限责任公司万利一矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221116)

水资源保护是我国西部煤炭大规模开发面临的重大课题。传统的保水开采技术采用“堵截法”保护隔水层，但这种开采技术极大地限制了开采效率和资源回收率，无法实现规模开采。为此，神华集团提出了以“导、储、用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用的新理念[1]。

万利一矿位于内蒙古鄂尔多斯市东胜区，该区属典型的干旱、半干旱区，生态环境脆弱。万利一矿借鉴神东矿区地下水库的保水模式，在4-2煤一盘区南、北翼采空区开展了地下水库保水工程实践。工作面开采后，相邻采空区间遗留有区段煤柱，对相邻采空区间的水力联系具有显著影响。目前，国内学者针对采空区水渗流特性开展了大量的理论研究与实践[2-19]。其中，马占国系统研究了破碎岩体和饱和破碎岩体的压实特性、碎胀特性、渗透特性、孔隙率和变形模量的变化规律，运用数值模拟研究了采空区破碎岩体中的水渗流特性[5]；杨天鸿认为采动岩体破坏突水过程中，水流经历了含水层中的 Darcy 层流、破碎岩体中的非 Darcy 高速流，以及巷道中的 Navier-Stokes 紊流 3 个物理过程[6-7]；曹志国基于岩层控制的关键层理论，结合采动覆岩破断形态及其裂隙分布特征，开展了裂隙水流动特性及其主通道分布模型的研究[8]；徐光以阳泉三矿老采空区水害防治为工程背景，针对采空区顶板导水裂隙侧向边界进行了预测研究，提出了以水平变形量判别顶板导水裂隙侧向边界的方法[9]。

目前，采空区水渗流方面的研究主要针对采空区水害防治，而对于煤矿地下水库采空区储水的运移规律研究还存在不足，尤其是针对相邻采空区之间的水力联系及渗流规律研究还存在短板，因此笔者开展区段煤(岩)渗透特性试验和数值计算，以期为煤矿地下水库储水流散路径优化设计提供理论依据。

1 区段煤(岩)柱渗透特性试验研究

1.1 试验仪器

为研究万利一矿4-2煤一盘区区段煤柱及其覆岩渗透率随煤体应力的演化规律，利用三轴伺服渗流试验机(见图1)对一盘区煤(岩)样进行渗流试验。

图1 三轴伺服渗流试验机

该三轴伺服渗流试验机是用于煤(岩)在气体渗流作用下变形试验的刚性试验机，其由5部分构成，分别是侧压系统、轴压系统、气体注入系统、流量测定系统和微机控制系统。

1.2 试验方案

本次试验的煤(岩)样取自万利一矿4-2煤一盘区，对获取煤(岩)样进行切割，加工成直径为 50 mm，高度为100 mm的试件，煤(岩)样严格按照煤与岩石物理力学性质测定要求制作。万利一矿 4-2 煤一盘区段煤柱宽度为20 m左右，区段煤(岩)柱两侧边界存在一定范围的塑性破坏区，中部为弹性核区，如图2所示。塑性破坏区的渗透性较好，采空区水体容易进入；弹性核区的渗透性较差，只有当两侧水压差较大时，一侧采空区储水才能通过煤(岩)柱渗透至另一侧采空区。

图2 区段煤(岩)柱垂直应力分布示意图

根据煤(岩)柱应力演化过程设计试验方案，以轴压的加、卸载模拟支承压力的变化，以围压的加、卸载模拟水平应力的变化。试验前检查确保气道系统和试样之间具有良好的气密性。对垂直应力进行微调，然后注油，将压力腔内的空气去除并关闭回油阀。在试验过程的第一阶段，煤(岩)样轴压和围压同时以0.01 MPa/s的速度加载至6 MPa；第二阶段，保持围压(6 MPa)不变，轴压以0.01 MPa/s的速度加载至30 MPa；第三阶段，轴压和围压同时以0.01 MPa/s的速度进行卸载，直至煤(岩)样破坏。在试验过程的第二阶段，即轴压和围压均为6 MPa时，调整泄压阀，使气瓶压力稳定在1 MPa，然后打开管道阀门，待流量稳定后，记录流量数据。在试验过程中，轴压每变化0.5 MPa记录一次流量数据。

1.3 试验结果

渗透率是进行固—液耦合渗流规律分析的重要参数，根据达西定律，试样的渗透率k可表示为：

k=QLμ/[A(p1-p2)]

(1)

式中：k为渗透率，m2；Q为瓦斯流量，m3/s；L为煤样高度，m；μ为氦气动力黏度，为18.9 μPa·s；A为煤样横截面积，m2；p1为入口瓦斯压力，Pa；p2为出口瓦斯压力，p2=0.1 MPa。

将本次试验中的试件参数及得到的氦气流量数据代入式(1)，可得到应力加、卸载情况下煤(岩)渗透率—轴向应力关系曲线，见图3。

(a)加载阶段

煤(岩)渗透率的变化规律与煤(岩)的变形损伤演化规律密切相关。由图3(a)可知，在固定围压、加载轴压过程中，气体流动的通道闭合，煤(岩)渗透率逐渐降低，气体流量下降，因此在煤柱侧向支承压力峰值位置的渗透率最低；与岩样相比，煤样的初始渗透率较大，但是在轴压加载过程中煤样渗透率的降低幅度也较大，这是由于煤样较软，内部孔隙易被压密所致。从图3(b)可以看出，随着轴压和围压的降低，煤(岩)样渗透率不断增大。在卸载阶段前期，由于围压较大，此时煤(岩)样还保持一定强度，煤(岩)样渗透率增大幅度较小；在卸载阶段后期，由于围压较小，煤(岩)样达到强度极限后失稳，煤(岩)样渗透率急剧增大。其中，煤样失稳后渗透率增大的幅度最小，比煤样渗透率最低点增大了 263倍；粉砂岩失稳后渗透率增大的幅度最大，比岩样渗透率增大了139 519倍。

在加载、卸载阶段，煤(岩)样渗透率与轴向应力关系可用指数函数进行拟合，拟合结果见表1。

表1 煤(岩)样渗透率与轴向应力拟合函数关系式

2 区段煤(岩)柱渗流特性的CFD模拟研究

2.1 数值计算模型的建立

2.1.1 几何模型及边界条件

本次模拟的工作面原型为万利一矿42111和42101工作面之间宽度为20 m的区段煤柱。根据上述区域内的ZK1416钻孔，利用关键层判别软件(KSPB)对该区域覆岩进行判别，判别结果如图4所示。

图4 ZK1416钻孔关键层判别结果

根据图4建立几何结构模型，如图5所示。该计算模型高度为115.65 m，采空区长度为235 m。在固体力学计算方面，模型顶界面为自由边界，侧边界为辊支承，底界面为固定边界，内部边界为自由边界。在流体计算方面，本模型计算区域为R1和R2，其中R1为煤(岩)柱，该区域左侧边界压力为p0=101 325 Pa；R2为采空区，该区域水位高度为h，左侧压力为p1=ρgh=[1 000×9.8(h-y)+101 325] Pa。假设R1区域初始状态的含水率为0，该区域初始压力为101 325 Pa；另外，由于R2区域在初始状态下的水位为h，则该区域的初始水压为[1 000×9.8(h-y)+101 325]Pa。渗透率根据表1函数关系式计算确定。

图5 几何结构模型

模型参数取值见表2。

表2 模型参数

2.1.2 模拟方案

该模型针对区段煤柱宽度d和区域R2中水位h进行计算。根据上述方案设计正交模拟方案，R2区域水位分别为18.65、28.65、38.65 m，区段煤柱宽度d分别为10、20、30、40、50、60、70 m，模拟参数见表3。

表3 模拟参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 采空区渗透率分布规律

沿煤层倾向分别在距离煤层底板2.55、7.55、12.55、17.55、22.55、27.55、32.55、37.55 m高度布置测线，读取测线上各点渗透率并进行后处理，可得到不同区段煤柱宽度条件下覆岩渗透率的变化曲线，如图6所示。

(a)水位38.65 m，煤柱宽度10 m

由图6可知，采空区煤(岩)体应力分布对渗透率具有非常显著的影响，主要表现在以下5个方面：

1)当区段煤柱宽度为10 m时，煤(岩)柱上12.55 m 测线以下区域内的渗透率出现“断崖式”下降，说明12.55 m以下区域为弹性核区，由于该区域煤(岩)体原生裂隙被压密，煤(岩)体渗透率极低。随着区段煤柱宽度增大，更高层位测线的渗透率出现“断崖式”下降，说明弹性核区的高度不断增加。岩柱弹性核区渗透率处于8.70×10-15～1.60×10-15m2，煤柱弹性核区渗透率处于4.40×10-16～6.30×10-16m2。

2)弹性核区上方岩层的渗透率较高，该区域内煤(岩)体因水平应力降低而发生破坏。当区段煤柱宽度为10 m时，12.55 m 以下渗透率较低，而17.55 m以上区域的渗透率较高，说明当区段煤柱宽度为 10 m 时，煤柱两侧采空区导水裂隙侧向边界在距离煤层底板12.55～17.55 m处交汇。随着区段煤柱宽度的增大，塑性破坏区内的渗透率小幅上升，该区域内渗透率处于3.20×10-13～1.35×10-11m2。

3)受区段煤柱支撑作用的影响，在开采边界附近的采空区煤(岩)未被充分压实，该范围内渗透率较大。当区段煤柱宽度为10 m时，由于区段煤柱宽度小于模型边界煤柱(40 m)，造成采空区上方测线上的渗透率非对称分布。随着区段煤柱宽度的增大，上述现象逐渐消失，渗透率变化曲线趋于对称分布。开采边界附近的渗透率峰值处于1.22×10-11～2.10×10-11m2。

4)采空区中下部的破裂煤(岩)体被重新压实，虽然相对于开采边界附近处于自然堆积的采空区煤(岩)而言其渗透率相对较低，但是该区域大部分煤(岩)渗透率大于区段煤柱上的塑性变形区内的煤(岩)渗透率，该区域渗透率处于1.05×10-11～1.28×10-11m2。

5)受下部煤层开采影响，采空区中上部煤(岩)应力被卸除，煤(岩)体产生卸压增透效应，但是相比开采边界附近的煤(岩)体，该区域内煤体应力卸载程度较小，因此其渗透率要低于开采边界附近的高渗透率区域，不过要明显高于采空区中下部的破裂煤(岩)体的渗透率，该区域渗透率处于1.30×10-11～1.80×10-11m2。

综上所述，采空区煤(岩)渗透率的大小顺序为：开采边界附近的自然堆积区>采空区中上部的应力降低区>采空区中下部的重新压实区>区段煤柱上方的塑性破坏区>区段煤(岩)柱中部的弹性核区。从采空区煤(岩)渗透率的整体分布情况来看，采空区边界和采空区中上部的高渗透率区域相连，在空间上形成一个环形的帽状结构，与采动裂隙的“O”形圈理论和“椭抛带”理论相吻合。

2.2.2 采空区流体运动规律

压力梯度dp为流动区域内两点间压力差与两点间距离的比值。根据多孔介质流体渗流理论，水在煤体内发生渗流需满足一定的启动压力梯度。煤(岩)体中水渗流的启动压力梯度可表示为[20]：

G=0.230 6k-1.096

(2)

式中G为启动压力梯度，Pa/m。

当压力梯度dpG时，水体处于流动状态。将流体计算范围内的流体压力梯度dp与G的比值r导出，比值r大于1的区域显示颜色，可称为流动区；比值r小于1的区域不显示颜色，可称为静止区。通过上述处理方法，可得到不同水位、不同区段煤柱宽度条件下流体计算区域内的r值分布云图和流体流线分布，如图7所示。图中的红色线条代表采空区水流线，线条的粗细表征采空区水渗流速度。

(a)水位18.65 m

由图7(a)可知，当水位高度为18.65 m、区段煤柱宽度为10 m时，采空区范围内均为流动区，区段煤柱范围也是流动区。然而，区段煤柱上方的岩层存在弹性核区，该范围内出现静止区。另外，当区段煤柱宽度为20 m时，弹性核区上部出现比值r大于1的情况，采空区水漫过弹性核区。当区段煤柱宽度超过30 m时，大部分流体计算区域内比值r小于1，采空区水处于静止状态。

由图7(b)可知，当水位高度为28.65 m、区段煤柱宽度为20 m时，区段煤柱变为静止区，采空区水只能越过煤柱上方岩柱的弹性核区进入相邻采空区。当煤柱宽度增大到50 m时，煤(岩)柱和采空区几乎全部变为静止区，仅在弹性核区左侧存在下坡流动。

由图7(c)可知，当水位高度为38.65 m、区段煤柱宽度为20 m时，煤柱上出现流动区，但是流动区被静止区阻隔，并未真正形成连续渗流。当区段煤柱宽度增大至70 m时，静止区切断整个渗流区域，采空区范围内几乎看不到流体流动。

万利一矿4-2煤一盘区煤柱宽度为20 m，在开采过程中曾出现相邻老空水涌入现象，而当相邻采空区水位低于18.65 m时，采空区的涌水量减小并逐步停止，说明在煤柱宽度为20 m条件下，万利一矿采空区水进入相邻采空区的临界水位是18.65 m，与图7(a)中的数值计算结果相吻合。

3 结论

1)从万利一矿4-2煤一盘区采集煤(岩)样，根据区段煤柱侧向支承压力演化规律设计试验方案，利用三轴伺服渗流试验机对煤(岩)样进行了渗流试验，获得了煤(岩)样渗透率随垂直应力的变化函数，为研究地下水库相邻采空区间煤(岩)柱水渗流特性提供了基础。

2)获得了采空区多孔介质渗透率分布规律，采空区煤(岩)渗透率的大小顺序为：开采边界附近的自然堆积区>采空区中上部的应力降低区>采空区中下部的重新压实区>区段煤柱上方的塑性破坏区>区段煤(岩)柱中部的弹性核区。

3)区段煤(岩)柱水渗流特性的CFD模拟研究结果表明，随着采空区水位的降低，煤柱宽度的增大，采空区水流动范围和流动速度均不断减小，水位18.65、28.65、38.65 m条件下采空区水进入相邻采空区的临界煤柱宽度分别为30、50、70 m。另外，当区段煤柱宽度为10 m时，煤柱被高渗透率区域贯穿，采空区水可以在底部煤层绕过弹性核区进入相邻采空区，随着煤柱宽度的增大，采空区水不能再通过底部煤柱进入相邻采空区。