0 引 言
由于我国多数矿区煤层具有“三高一低”特点，依靠采动卸压增透作用对邻近煤层进行高效抽采，经大量工程验证，已成为煤层群条件下瓦斯防治的主要技术思路[1-2]。煤层采动后，覆岩形成“三带”划分，其中断裂带上承邻近层、下接采空区，是邻近层瓦斯涌入工作面的必经之地，同时也是采空区瓦斯上浮积聚的重要场所，断裂带内采动裂隙发育充分，岩层整体结构仍可保持一定接续和相对层位关系，为瓦斯抽采工程提供了良好的作业条件。采动裂隙内卸压瓦斯运移是一个涉及应力场、裂隙场与流动场的多场耦合问题。应力场的改变是控制采动裂隙形态结构及演化过程的主要原因，而裂隙形态结构则决定了流场的流动边界，进而影响流场特征。因此，准确描述采动裂隙形态结构是探讨卸压瓦斯流动的基础。与岩体原生裂隙系统不同，采动裂隙具有离散性的同时，还表现出与采动相关的周期性[3]，加之采场覆岩内部裂隙直接观测困难，故目前对采动裂隙形态的研究工作多以采场围岩整体为研究对象，利用相似模拟等方法，分析岩层移动变形及裂隙发育特征。经典的理论模型包括：“O”型圈理论[4]、“椭抛带”模型[5]、“高位环形体”模型[6]、“圆角矩形梯台带”模型[7]等。而在对裂隙体系描述上，也有学者[8-10]利用岩石断面的分维特征对采动后的裂隙网络演化特征进行了探讨。而目前对于采动煤岩渗透性的变化与裂隙形态响应联系的探讨较少，笔者主要以相似模拟试验为手段，在获得采动覆岩裂隙形态响应的同时，对裂隙发育对煤岩渗透性的影响进行了试验测试，为卸压瓦斯抽采工程设计提供一定的指导和数据支持。
1 试验平台
试验工程模型以山西晋城寺河矿3号煤层及其上覆及下伏煤系岩层为研究对象。地勘资料表明，3号煤层平均厚度为5.8 m，煤层直接顶为厚度2.1 m的粉砂岩，基本顶为厚度22.2 m的细粒砂岩；煤层直接底为厚度2.6 m细粒砂岩，基本底为4.8 m粉砂质泥岩。
利用中国矿业大学煤层采动瓦斯渗透性模拟试验台开展模型搭建，该试验平台采用平面应变模型，整体尺寸为2.0 m×2.0 m×0.3 m。试验台模型腔体由两部分组成，后部为一体式结构，前端为可移动式盖板，盖板上覆有厚度为2 cm的橡胶垫层。前端盖板和后部闭合后，采用螺栓紧固，可实现整个腔体的密封[11-12]，试验平台结构如图1所示。该试验平台试验技术成熟，可靠性高。
1—控制台；2—液压油路；3—模型主框；
4—油缸；5—腔体；6—盖板
图1 试验平台主要结构
Fig.1 Main structure of experimental platform
2 试验参数及方法
2.1 相似参数确定
需要确定的试验参数主要包括2个方面：一方面要选择合适的比例作为模型物理量相似准则参数；另一方面为根据工程中地质条件，确定相似材料的配比参数[13-16]。其中，准则参数需满足：
CρCl/Cσ=1
(1)
式中：Cρ、Cl、Cσ分别为基于模型尺寸的密度相似比、尺度相似比和应力相似比。
由于试验箱体净空高度为2.0 m，寺河矿3号煤层埋深约为375 m，考虑搭设平台合理性和模拟尺度，尺度相似比Cl取150。模型铺设高度为190 cm，模拟高度为285 m，而模型底部基准岩层距地表的高度平均为406 m，剩余121 m覆岩所产生的垂向应力采用模型顶部油缸加载模拟产生。
由于采用沙子、碳酸钙、石膏作为相似材料，其混合密度一般为岩石密度的0.6倍，所以密度相似比Cρ取1.67。利用式(1)计算得到应力相似比为250.5。
部分薄岩层在考虑相似比后，存在模型层厚过小的问题，为此在模型设计搭建过程中，对岩性相似的岩层进行了合理的融并。根据原型岩层岩性的特征力学强度，确定了用于制作各层位的相似材料的比值及用量。
2.2 试验步骤
1)试验模型铺设。试验平台外部架设挡板后，将相似材料均匀混合后倒入模型中，并用偏心泵振动密实，铺设时利用水平仪对每一层位上表面的平整度进行检测，上表面与水平面不应有超过0.5 cm以上的起伏。
2)箱体密封性能验证。模型密封面为前端面和上部油缸加载面，前端盖板面本身为橡胶面，为实现良好密封，在与腔体接触部分粘附硅胶带，通过螺栓紧固加压实现前端面的有效密封。上部油缸加载面铺设一块2.0 m×0.3 m×0.01 m的胶垫，胶垫与试验腔体接触面部分填涂硅胶密封。密封完成后，利用空气压缩机向腔体内充压至试验压力0.4 MPa，压力稳定维持在2 h以上，符合试验密封要求。
3)封闭开挖实现。由于试验平台在试验过程中处于密封状态，无法采用传统的正面开挖的方式，文献[11]针对该种试验条件提出了石蜡熔化法，即利用电热板对预先埋设在开挖层位处的石蜡块进行加热，受热熔化后，石蜡液体可从盖板后方阀门流出。每熔化一块石蜡板即代表一次开挖步长，从而达到在不开启试验腔体的情况下，实现开挖的目的。石蜡板高度与开采层位煤层等高，开挖长度设计为150 cm，共铺设6块石蜡板如图2所示。
4)渗透率测试方法及测点布设。渗透率的测试利用稳态流量法，以空气为介质，由空气压缩机提供额定入口压力作为动力，试验时设定的进口恒定压力为0.4 MPa，空气经箱体后方相应测点阀门进入，从箱体前方对应测点阀门流出，并统计流量。
图2 模型结构及开采层位
Fig.2 Model structure and mining position
获得流量后可按式(2)计算对应测点所在处的岩层渗透率：
k=20PQHμ/(2PAΔP+AΔP2)
(2)
式中：k为渗透率，m2；P为出口端气体压力， Pa；Q为流量， m3/s；H为模型厚度，m；μ为空气动力黏度， Pa·s；ΔP为渗透压力，Pa；A为横截面积，m2。
根据箱体阀门测点的位置，试验中选择走向3个测试点位(测点1—3)，倾向4个测试点位(测点4—7)。测点与开采层位及预计“三带”划分位置如图3所示。
图3 测点布置示意
Fig.3 Arrangement of the test point
3 试验结果与分析
3.1 采动裂隙形态响应结果与分析
模型完成开挖，岩层移动稳定后，打开腔体盖板，选择裂隙表面形态保存较好区域作为图像采集对象。为了更精确地分析裂隙形态，将采集区域划分为走向A、B、C、D，四区和垂向三域，共计12个区块，分别记为A1、A2、A3、B1、…，如图4所示，统计获得裂隙形态关键参数。
1)裂隙频数分布。统计过程中，对于离层裂隙与垂向裂隙的统计遵循交点切割原则，具有连续特征的视作同一裂隙处理。
裂隙频数按区域统计结果如图5所示，处于横向边缘的A区内裂隙发育强度明显高于采场内部B、C、D区，且呈现递减趋势，验证了高位环形体等理论的正确性。垂向上看，随着岩层层位与采场距离的增加，裂隙数量略有降低。
图4 图像采集区划分示意
Fig.4 Sketch of image acquisition area division
图5 裂隙频数分布
Fig.5 Fracture frequency distribution
2)裂隙角度特征。裂隙角度主要受破断机制的影响，统计获取的裂隙角度分布如图6所示。
图6 各区带内裂隙角度分布
Fig.6 Fracture angle distribution in each zone
从图6可以看出，岩层多以拉张破坏产生的垂向裂隙和岩层间相对位移产生的离层裂隙为主，以水平面左侧为准，裂隙角度分布主要集中在0～10°、90～110°和170～180°三个区域的裂隙数量占总量的70%以上。且各区各带内的角度分布细节略有不同，整体变化情况可描述为：水平方向上处于横向边缘的A区内裂隙角度与岩层卸压角呈一致关系，而进入采场内部的B、C、D区，裂隙角度多以正交方向为主。
3.2 渗透率演化特征
1)流量测试结果。在模拟采动推进过程中，利用流量计对走向1、2、3号测点的流量变化情况进行了统计，如图7所示。
图7 走向1、2、3号测点流量变化
Fig.7 Air flow rates of No. 1、No. 2、No. 3 test points
由于1、2、3号测点处于断裂带下沿，沿开采方向水平布设，3个测点的流量变化数据，随采动体现出一致性，其流量变化过程可大致分为3个阶段，为波动段、激增段和稳定段。1号测点位于首块蜡板正上方，在波动段即表现出较明显的流量增长，而2、3号测点表现出了一定的滞后性，这种滞后性正是融化蜡板可控性的体现，同时也反应了采动裂隙响应，卸压增透效果体现的过程。水平方向上各测点流量的变化，也进一步印证了模型内部通过石蜡融化模拟开采步长的可行性。
垂向上，3—7号测点反应的是不同层位处流量的变化规律如图8所示。考虑相似比，3号测点位置在实际条件下的高度约为采场上方21 m，同样的4、5、6、7号测点的层位分别为采场上方63、84、126、147 m。
图8 3—7号测点流量变化
Fig.8 Air flow rates of No.3—No.7 test points
当开采位置推进至3号测点下方时(蜡板3开始熔化)，4号测点流量表现出增长趋势，随后各层位测点自下而上均表现增加趋势。相比于水平方向上的流量变化，垂向上流量的增速较慢，曲线形态也较为缓和，原因是在断裂带上沿和弯曲带内，岩层移动速度较低，难以呈现出断裂带下沿垮落、裂隙数量激增的效果。所有测点流量数据最终进入相对稳定阶段，并表现出了与层位相关的递减性。位于断裂带的4、5号测点流量稳定在4 mL/min以上，位于弯曲带的6、7号测点流量则稳定在0～2 mL/min范围。
2)渗透率计算结果与分析。在工程设计中，层位的合理选择是保证卸压抽采效果的重要保障，为了获得垂向上各层位渗透率的变化结果，取3—7号测点最终稳定流量：14.3、4.7、4.3、2.1、0.5 mL/min，代入式(2)中，得到垂向渗透率的变化情况如图9所示。
图9 渗透率与层间距关系
Fig.9 Relationship between permeability and layer distance
图9中，计算得到的渗透率相比于天然岩体的渗透率而言整体偏高，这是由于相似材料自身孔隙率大幅高于天然岩石，且材料成形主要依赖于胶结剂的作用导致的，但这并不影响其整体的变化规律的表征。
将不同层位渗透率与层间距利用三参数对数关系进行拟合，获得经验公式如下
kf=A-Bln(H-C)
(3)
式中：kf为覆岩某一层位渗透率，10-3 μm2；H为所在层位距离顶板高度，m；A、B、C为系数。从形式上看，如果将覆岩下方填充于采空区的破碎岩体视为整体，且认为其渗透率为采动岩层中的极大值，则三参数A、B、C对应的物理意义的可等价为：A对应于垮落带堆积体渗透率；B对应于渗透率随层间距的衰减系数；C对应于垮落带高度，与覆岩岩性、回采高度相关。
4 结 论
1)从裂隙频数、裂隙角度等参数的表征来看，裂隙多以拉张破坏产生的垂向裂隙和岩层间相对位移产生的离层裂隙为主。
2)不同位置的裂隙角度分布细节略有不同，靠近开切眼位置，裂隙角度与岩层卸压角呈一致关系，采场内部裂隙角度多以正交方向为主。
3)利用稳态流量法测试了不同层位覆岩渗透率的变化，结果表明，层间距对卸压增透作用影响显著，获得了覆岩渗透率与层间距的经验描述：kf=A-Bln(H-C)。
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