采空区垮落煤岩渗透特性研究_杨晓晨.pdf

采空区垮落煤岩渗透特性研究杨晓晨1，贾男2，张晓明3，佐佐木久郎4（1.辽东学院城市建设学院，辽宁丹东118003；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.辽宁工程技术大学工程与环境研究所，辽宁葫芦岛125105；4.九州大学工学府，日本福冈819-0395）摘要：地震法常用于分析采空区垮落煤岩孔隙率和渗透率的相关性，现有研究大多采用有效介质理论，将采空区垮落煤岩的各向异性和不均匀性转换为等效的介质参数，对粒径、孔隙率、空间特征等因素对地震波的影响考虑较少。以采空区垮落煤岩为研究对象，根据实际采空区垮落煤岩颗粒级配和孔隙率，制备了破碎煤岩样品，通过实验验证了其孔隙率和波长粒径比与实际采空区垮落煤岩一致。在此基础上，通过实验分析了煤岩粒径、孔隙率、地震波频率等因素对波速、振幅衰减系数及渗透率的影响，结果表明：破碎煤岩中 P 波速度随孔隙率增大而减小，随粒径增大而增大，受地震波频率影响较小；振幅衰减系数随孔隙率增大而增大，随粒径增大而减小，孔隙率较大时更易受地震波频率影响；破碎煤岩的渗透率随孔隙率和粒径增大而增大，遵循 Kozney-Carman 方程，基于实验结果建立了采空区垮落煤岩渗透率预测公式，计算得现场采空区垮落煤岩渗透率为 122510121789301012m2；为消除粒径对地震波振幅衰减系数和煤岩样品渗透率的影响，提出单位波长振幅衰减系数（振幅衰减因子），并通过最小二乘法拟合得到振幅衰减因子与渗透率之间的经验关系式，为初步判断采空区垮落煤岩的渗透率提供了思路。关键词：采空区；垮落煤岩；渗透率；孔隙率；地震波法；波长粒径比；振幅衰减系数中图分类号：TD72文献标志码：AStudyonpermeabilitycharacteristicsofcavedcoalandrockingoafYANGXiaochen1,JIANan2,ZHANGXiaoming3,SASAKIKyuro4(1.SchoolofUrbanConstruction,EasternLiaoningUniversity,Dandong118003,China；2.CCTEGShenyangResearchInstitute,Fushun113122,China；3.InstituteofEngineeringandEnvironment,LiaoningTechnicalUniversity,Huludao125105,China；4.FacultyofEngineering,KyushuUniversity,Fukuoka819-0385,Japan)Abstract:Theseismicmethodisoftenusedtoanalyzethecorrelationbetweenporosityandpermeabilityofcavedcoalandrockingoaf.Mostoftheexistingstudiesadopttheeffectivemediumtheory,whichconverttheanisotropyandinhomogeneityofcavedcoalandrockingoafintoequivalentmediumparameters.Theinfluenceofparticlesize,porosity,spatialcharacteristicsandotherfactorsontheseismicwaveislessconsidered.Takingthecavedcoalandrockingoafastheresearchobject,thebrokencoalandrocksamplesarepreparedaccordingtotheactualparticlegradationandporosityofthecavedcoalandrockingoaf.Theporosityandwavelength-particlesizeratioofthecavedcoalandrocksamplesareverifiedtobeconsistentwiththoseofthecavedcoalandrockintheactualgoaf.Onthisbasis,theinfluenceofcoalandrockparticlesize,porosityandseismicwavefrequencyonwavevelocity,amplitudeattenuationcoefficientandpermeabilityisanalyzedthroughexperiments.TheP-wavevelocityinbrokencoalandrockdecreaseswiththeincreaseofporosity,increaseswiththeincreaseofparticlesize,andislessaffectedbyseismicwavefrequency.Theamplitudeattenuationcoefficientincreaseswithporosityanddecreaseswiththeincreaseofparticlesize,andismoreeasilyaffectedbyseismicwavefrequencywhen收稿日期：2022-09-12；修回日期：2023-02-11；责任编辑：李明。基金项目：辽宁省科技人才与自然科学基金资助项目（2020-BS-232）；辽宁省教育厅基本科研资助项目（LJKQZ2021132）。作者简介：杨晓晨（1988），男，辽宁丹东人，讲师，博士，主要研究方向为岩体动力灾害防治，E-mail：。引用格式：杨晓晨，贾男，张晓明，等.采空区垮落煤岩渗透特性研究J.工矿自动化，2023，49（2）：134-140.YANGXiaochen,JIANan,ZHANGXiaoming,etal.StudyonpermeabilitycharacteristicsofcavedcoalandrockingoafJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：134-140.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023文章编号：1671251X（2023）02013407DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2022090015porosityislarger.Thepermeabilityofbrokencoalandrockincreaseswiththeincreaseofporosityandparticlesize.AccordingtotheKozney-Carmanequation,thepermeabilitypredictionformulaofcoalandrockingoafisestablishedbasedontheexperimentalresults.Thecalculatedpermeabilityofcavedcoalandrockingoafis12251012-1789301012m2.Inordertoeliminatetheinfluenceofparticlesizeontheamplitudeattenuationcoefficientofseismicwaveandthepermeabilityofcoalandrocksamples,theamplitudeattenuationcoefficientofunitwavelength(amplitudeattenuationfactor)isproposed.Theempiricalrelationshipbetweentheamplitudeattenuation factor and the permeability is obtained by least square fitting.The study provides a thought forpreliminarilyjudgingthepermeabilityofcavedcoalandrockingoaf.Key words:goaf;cavedcoalandrock;permeability;porosity;seismicwavemethod;wavelength-particlesizeratio;amplitudeattenuationcoefficient 0引言2021 年我国煤炭消费约 41.3 亿 t，约占全国能源消费总量的 56%、世界煤炭消费总量的 50%1。我国 95%以上的煤炭资源为井下开采2，大量开采不可避免地形成地下采空区，严重威胁煤矿安全生产和地表环境。煤炭开采会释放大量原煤层中吸附的瓦斯，并在采空区产生瓦斯聚集现象3，同时新鲜空气可通过高渗透路径扩散到采空区内部，为煤自燃提供氧气。因此，采空区具有遗煤自燃、瓦斯爆炸等多重风险4，还可能引发矿井透水5、地表沉陷6等灾害。孔隙率和渗透率是分析采空区内渗流场分布和瓦斯抽采的关键参数7。如何准确测定垮落煤岩体的力学参数和几何参数是分析采空区内部状态的基础8。褚廷湘等9通过自行设计的监测仪器，评估了压实碎煤在不同粒度、应力和温度条件下的渗透率、应变和孔隙率演变。C.Karacan 等10提出了一种利用流体和颗粒分形指数方程预测采空区不规则垮落岩石孔隙率和渗透率的方法。但采空区无法通过直接测量法测定垮落煤岩的孔隙率和渗透率，因此许多非接触式测量方法因高灵敏度、快速性和非接触传导优势而用于探测采空区空间特征11-12，其中应用最多的为地震法13。蒋法文等14利用高精度三维地震数据和地震属性分析技术，准确预测了陷落柱、煤巷和采空区的空间分布。李亚林等15在实验室采用超声波技术分析了地震波速度和振幅衰减等地震特征与破碎岩石孔隙率和渗透率之间的相关性。上述研究大多采用有效介质理论，将采空区垮落煤岩的各向异性和不均匀性转换为等效的介质参数，对垮落煤岩粒径、孔隙率、空间特征等因素对地震波的影响考虑较少16。本文以采空区垮落煤岩为研究对象，考虑真实采空区垮落煤岩的粒径、孔隙率、地震波波长与煤岩颗粒粒径的比值（波长粒径比）等参数，通过实验分析了地震波波长、振幅衰减系数与渗透率的变化特征，并提出经验公式，以评估实际采空区垮落煤岩渗透特性。1实验过程1.1破碎煤岩样品准备实验采用砂岩、烟煤、褐煤 3 种岩性样品。实验煤样来自阜新弘霖矿业（集团）有限公司（以下称弘霖煤矿）2302 工作面（褐煤）、焦作煤业（集团）有限责任公司赵固一矿 8101 工作面（烟煤），岩样来自弘霖煤矿 2208 工作面顶板。采用热重法测定煤样组分，采用 X 射线荧光法测定砂岩矿物组成，结果见表 1、表 2。对煤岩样品的完整岩芯测量弹性模量、泊松比、P 波速度、S 波速度和密度，并利用力学模量之间的弹性关系计算得到体积模量和剪切模量，结果见表 3。表1煤样组分分析结果Table1Compositionanalysisresultsofcoalsamples%煤样水分固定碳灰分挥发分硫褐煤8.233.719.336.82.0烟煤4.554.717.420.62.8表2砂岩样品化学成分分析结果Table2Chemicalcompositionanalysisresultsofsandstonesample%SiO2AlO3Fe2O3FeOMgO93.133.860.110.540.25表3煤岩样品力学参数Table3Mechanicalparametersofcoalandrocksamples样品弹性模量/GPa体积模量/GPa泊松比剪切模量/GPa密度/（kgm3）P波速度/（ms1）S波速度/（ms1）砂岩8.106.550.224.70255123501157烟煤1.701.670.330.6318452