胡炳南

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

煤層氣抽采，首先是消除煤礦重大瓦斯事故，保障煤礦安全生產(chǎn)，變高瓦斯突出危險煤層為低瓦斯無突出危險煤層;其次是解決礦井僅靠通風難以解決的難題，降低礦井通風成本，使工作面風流中(進風、回風、上隅角、尾巷)的瓦斯?jié)舛炔怀?最后也是利用寶貴的煤層氣這一高效潔凈能源和保護環(huán)境開發(fā)利用資源，變害為利。

根據(jù)目前煤層氣抽采的通用技術(shù)，主要方法是:采前預先抽采;采中卸壓抽采;采后采空區(qū)抽采。主要手段是利用地面鉆井、井下高抽巷道、井下穿層鉆孔和順層鉆孔以及保護層來進行抽采。

在煤炭與煤層氣共采中，特別是在煤層氣開采中，需要抽采方法與地質(zhì)采礦條件協(xié)調(diào)、煤層氣開采設(shè)計與巖層移動變形破壞規(guī)律協(xié)調(diào)。因此，有必要深入分析煤層開采巖層移動規(guī)律在煤層氣抽采技術(shù)中的應(yīng)用問題。

1 巖層移動變形破壞時空分布基本規(guī)律

1.1 覆巖內(nèi)部破壞特征

覆巖內(nèi)部的采動影響程度主要指覆巖導水裂縫帶高度的發(fā)育程度。劉天泉院士等對我國煤礦覆巖破壞分布做了大量實測和理論研究，提出了“豎三帶”理論，如圖1中的垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。

圖1 長壁工作面開采后覆巖內(nèi)部破壞特征分區(qū)

長壁垮落法從開切眼開始推進后，直接頂板由于覆巖重力超過其抵抗變形能力，從而發(fā)生垮落堆積并充填采空區(qū)形成垮落帶，這時的導水裂縫帶高度僅為垮落帶的高度，稱為極不充分開采;隨著工作面繼續(xù)推進，覆巖發(fā)生斷裂、開裂形成裂縫帶，裂縫帶內(nèi)的巖體按開裂程度大小分為嚴重開裂、一般開裂和微小開裂。在微小開裂范圍內(nèi)的巖層一般不斷開，連通性較差，微小開裂的巖層即為導水裂縫帶的頂點，此時稱為不充分開采;當工作面推進長度達到一定值后，導水裂縫帶發(fā)展到最大高度，此時為臨界開采;當推進長度繼續(xù)增大時導水裂縫帶的高度不再向上發(fā)育，此時達到充分開采。

從極不充分開采到臨界開采過程中，裂縫帶高度不斷增加并達到最大值。在回采工作面達到充分并收作后，采空區(qū)上方仍然存在垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶:垮落帶內(nèi)巖塊的破壞嚴重，它將損壞頂板巷道，不能阻隔含水層;裂縫帶內(nèi)靠近垮落帶的巖層，斷裂嚴重;遠離垮落帶的巖層，斷裂較輕微;彎曲下沉帶指的是自裂縫帶頂界到地表的整個巖系。在彎曲下沉帶的巖層基本上是處于水平方向雙向受壓縮狀態(tài)，因而其密實性及塑性變形的能力得到提高。

緩傾斜煤層覆巖內(nèi)部靜態(tài)裂縫帶形態(tài)類似于一個馬鞍形。其特點是:采空區(qū)四周邊界上方的破壞范圍略高，其最高點位于開采邊界附近;采空區(qū)中央的破壞范圍低于四周邊界的破壞范圍。

1.2 地表移動變形特征

地表采動影響程度主要指地表下沉W和水平變形ε的影響程度。

對于中硬覆巖來說，采寬(L)采深(H)比值為0～0.3時，地表最終下沉盆地剖面形狀呈碗型，為極不充分開采，其引起的地表下沉和變形均較小;采寬采深比0.3～1.2時，地表最終下沉盆地剖面形狀也呈碗形，最大下沉值隨采寬的增大而增大，這種開采規(guī)模叫不充分采動;采寬采深比值等于1.2時，地表最終最大下沉值達到極限值，此時叫臨界開采;采寬采深比值大于1.2時，最大下沉和變形不再增大，下沉盆地的中央出現(xiàn)平底，此時叫充分采動。充分開采時，在地表下沉盆地中部出現(xiàn)了平底的無變形區(qū)，如圖2所示。

圖2 動態(tài)地表下沉與超前影響范圍

動態(tài)地表變形最大值發(fā)生工作面臨時性開采邊界上方的地表下沉盆地邊緣區(qū)。地表動態(tài)移動變形位置隨著采煤工作面推進位置不同而不斷變化，在回采區(qū)段尺寸相同時，最大動態(tài)變形值總是小于最大靜態(tài)變形值。

圖3為充分采動時下沉W和水平變形ε曲線。地表下沉盆地拐點外邊緣為拉伸變形區(qū)，地表下沉盆地拐點內(nèi)邊緣為壓縮變形區(qū)。拐點為零水平變形點，盆地中部為無變形區(qū)。因此，整個剖面內(nèi)存在3個零水平變形點 (區(qū))。

圖3 地表下沉和地表水平變形曲線與最終采動范圍

1.3 巖層移動變形破壞量值規(guī)律

1.3.1 覆巖內(nèi)部垮落帶和裂縫帶高度

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，對于堅硬、中硬、軟弱、極軟弱頂板或互層時，厚煤層分層開采垮落帶高度的計算公式見表1;對于單一中厚煤層和厚煤層分層開采時，不同上覆巖層的裂縫帶高度的計算公式見表2。

表1 單一中厚煤層和厚煤層分層開采的垮落帶高度計算公式 m

表2 單一中厚煤層和厚煤層分層開采的裂縫帶高度計算公式 m

1.3.2 地表移動變形最大值

工作面采動影響達到穩(wěn)定后的最終地表移動變形值叫靜態(tài)地表移動變形值。地表移動變形主要包括:下沉W、水平移動U、傾斜變形I、水平變形ε和曲率變形K。

在充分開采條件下，地表移動變形與開采厚度、開采深度、上覆巖層結(jié)構(gòu)和巖性等相關(guān)。地表移動變形最大值，一般基于該區(qū)域地質(zhì)采礦條件參數(shù)和地表移動變形計算參數(shù)，根據(jù)式 (1－5)計算獲得。相關(guān)參數(shù)包括:開采厚度M、煤層傾角α、開采深度H、下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b和主要影響角正切tanβ。

1.3.3 地表移動范圍和地表移動期參數(shù)

超前影響角ω 工作面推進過程中，充分采動后，走向方向主斷面上，位于工作面前方地表下沉10mm點和開采工作面位置的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角為超前影響角，如圖2。地表下沉10mm點與開采工作面位置的水平距離稱為超前影響距。長壁開采時的超前影響距取決于覆巖厚度、巖層結(jié)構(gòu)和強度等因素。超前影響角主要與覆巖綜合強度相關(guān)。

邊界角δ0邊界角是充分采動條件下，地表下沉10mm點和開采邊界的連線與水平線在煤柱側(cè)的夾角，如圖3。邊界角主要取決于覆巖結(jié)構(gòu)和強度等因素。覆巖松軟時，邊界角較小;覆巖堅硬時，邊界角較大。地層綜合邊界角一般為45～65°。

地表移動期T 地下開采引起的地表移動具有明顯的時間性。地表移動觀測表明，當采煤工作面推進一定距離之后，巖層移動首先從其頂板開始，由下往上發(fā)展。當開采寬度達到一定值時，巖層移動開始波及地表，并且漸漸擴展。待開采結(jié)束一段時間后采動影響趨于穩(wěn)定。對于地表移動期，我國《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，地表的移動可分為幾個過程，即初始期、活躍期和衰退期。從地表最大下沉點累計下沉W=10mm時算起到地表下沉速度每月達50mm(V≤1.7mm/d)止，這段時間稱初始期;把下沉速度超過每月50mm(V＞1.7mm/d)的時間稱為活躍期;從活躍期后到連續(xù)6個月觀測下沉小于30mm的這段時間稱為衰退期。在3個時期中，初始期是開始采動影響的啟動，活躍期是對覆巖和地表破壞最為嚴重的時期，衰退期一般延續(xù)時間長，但對覆巖和地表破壞增加不大。長壁開采時的地表移動期與覆巖厚度、巖層結(jié)構(gòu)和強度等因素有關(guān)。覆巖厚度越大，地表移動延續(xù)時間越長。若尚無觀測資料，地表移動期T可根據(jù)工作面平均開采深度H0按照式(6)計算。

依據(jù)上述參數(shù)，即可界定采動區(qū)范圍和采動影響持續(xù)時間。根據(jù)超前影響角，工作面從開切眼開始向前推進，確定地表動態(tài)的超前影響距離;根據(jù)邊界角，基于實際的開切眼、停采線和上下邊界線，劃定工作面最終采動影響范圍。根據(jù)地表移動期，能計算采動影響持續(xù)時間。在采動影響范圍以外，即為不受開采影響的區(qū)域;在采動影響的地表移動期外，即為相對穩(wěn)定區(qū)。

2 煤層氣抽采主要技術(shù)方法與巖層移動關(guān)系分析

我國煤儲層的滲透率普遍較低。當煤層開采后，由于巖層移動導致巖層應(yīng)力場與裂隙場的改變，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為煤層氣卸壓運移和開采創(chuàng)造了條件。因而，巖層移動變形和破壞規(guī)律對于煤層氣抽采中優(yōu)化抽放方案、提高采出率，具有一定的指導作用。我國煤礦一般的抽采技術(shù)途徑有:地面鉆井抽采、井下高抽巷道抽采、井下穿層鉆孔和井下保護層抽采。

2.1 地面鉆井設(shè)計與巖層移動間的關(guān)系

地面鉆井是采空區(qū)瓦斯抽采最為有效的方法之一。在我國晉城礦區(qū)、淮北礦區(qū)和淮南礦區(qū)，都成功地進行了應(yīng)用。這種方法通常是從地面向開采層上方施工直徑為300～450mm的垂直鉆井，井底位置一般距開采層頂板5～10m。煤層開采引起的采動頂板垮落后，地面鉆井即可從具有大量裂隙的垮落帶內(nèi)抽采煤層氣。鉆井頂部使用套管加固，而鉆井底部則使用槽管，防止由于巖層移動造成的鉆井閉合。

地面鉆井，既要利用采動影響中的垮落通道來抽采煤層氣，又要避免地面鉆井井壁的斷裂、鉆井井筒的閉合。所以，在確定鉆井井底位置時，可根據(jù)覆巖內(nèi)部破壞特征和垮落帶高度 (見表1)，把井底設(shè)計在垮落帶內(nèi)，使其具有足夠的抽放開裂通道;在鉆井井口平面位置設(shè)計時，可借鑒圖3中的巖層移動規(guī)律，避免把鉆井布置在拉壓變形嚴重區(qū)，而選擇在水平變形為零或者輕微小的區(qū)域，即拐點附近和盆地中間位置。

2.2 井下高抽巷道布置與巖層移動間關(guān)系

井下高抽巷道是在開采工作面煤層上方覆巖內(nèi)且位于該工作面采動區(qū)的巷道。采動裂縫帶形成后，該巷道與采空區(qū)連通，工作面瓦斯上浮，使得該頂板巷道充滿高濃度瓦斯，而通過預置管道，即可將采空區(qū)瓦斯抽出。高抽巷道斷面一般為7.0m左右，在高抽巷道的適當位置砌三道密閉墻，并安裝抽放管、放水管和觀測孔。

與地面鉆井同樣，既要使井下高抽巷位置具備垮落裂隙通道，又要控制高抽巷道不受嚴重垮塌保持其運移煤層氣功效。可根據(jù)覆巖內(nèi)部破壞特征和裂縫帶高度 (見表2)，高抽巷道沿工作面走向推進方向布置，在平面方向可沿工作面中心線或者稍靠上風巷一側(cè) (考慮瓦斯氣體上移特點)掘進，在立面方向高抽巷道布置在覆巖裂縫帶內(nèi)，并在高抽巷道內(nèi)施工抽放鉆孔，打到回采煤層垮落帶，使采空區(qū)與高抽巷道連通，如圖4所示。

圖4 高抽巷道布置

2.4 井下下保護層選擇與巖層移動間關(guān)系

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，先開采下保護層時，上被保護層膨脹變形可達0.784%～2.64%，煤層透氣性增加1000～3000倍，卸壓瓦斯抽采率達60%以上，有效層間距達到150m。

開采下保護層時，既不能讓采動引起的垮落帶進入被保護層而破壞被保護層的開采條件，還需要保持一定的安全距離，防止小構(gòu)造引發(fā)煤與瓦斯突出事故，這樣就要求被保護層應(yīng)在裂縫帶和整體移動帶分界線附近。

3 煤層氣抽采設(shè)計原則探析

3.1 地面鉆井設(shè)計原則

根據(jù)巖層移動、變形和破壞規(guī)律，地面鉆井設(shè)計原則:在平面上應(yīng)布置在靜態(tài)水平變形為零和小變形的位置，如圖5，4個鉆井布置在靜態(tài)水平變形零位置的拐點 (S1，S2，S3和S4分別為不同方向的拐點移動距)上，1個鉆井布置在工作面中心;在立面上，把井底設(shè)計在垮落帶內(nèi)。這樣，一是能減少鉆井的斷裂斷氣數(shù)量;二是從開采煤層層面看，地面鉆井捕捉到和進入了工作面四周的導氣“O”形裂縫通道，可暢通抽采工作面的煤層氣。

圖5 地面鉆井平面位置

3.2 高低抽巷道布置原則

井下高抽巷道布置原則:高抽巷道沿工作面走向，在平面上可布置在工作面中心線或者稍靠回風巷側(cè)，在立面上布置在垮落帶外的裂縫帶內(nèi)。

3.3 保護層選擇原則

井下保護層選擇原則:選擇保護層開采時，被保護層應(yīng)位于保護層開采后的裂縫帶和彎曲下沉帶分界線附近。

4 結(jié)論

(1)闡述了覆巖內(nèi)部破壞分布特征與地表移動變形分布特征、采動覆巖垮落帶高度、裂縫帶高度和地表移動變形最大值計算以及采動區(qū)時空范圍界定參數(shù)。

(2)總結(jié)了我國煤層氣地面鉆井抽采、高抽巷道抽采、穿層鉆孔和保護層等一般的抽采技術(shù)途徑，分析了其與巖層移動變形破壞之間的關(guān)系要求。

(3)基于巖層移動變形破壞時空分布規(guī)律，提出了煤層氣抽采地面鉆井設(shè)計、井下高抽巷道布置和保護層選擇設(shè)計原則，可供煤層氣抽采技術(shù)應(yīng)用時參考。

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