基于瓦斯涌出量的采动稳定区煤层气资源量计算_李丹.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 基于瓦斯涌出量的采动稳定区煤层气资源量 计算 李丹 1， 2 （1．煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院， 北京 100013； 2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院） ， 北京 100013） 摘要 为计算煤矿采动影响稳定区煤层气资源， 首先依据工作面顶板垮落带和导水断裂带高 度和底板破坏带深度以及工作面四周本煤层瓦斯极限排放宽度， 提出了工作面受采动影响形成 的裂隙空间范围， 并由此构建了采动影响区域原始煤层气资源量计算模型和方法； 其次利用工 作面瓦斯涌出量预测法对工作面损失煤层气资源量进行了计算； 最后依据物质平衡原理， 建立 了采动稳定区煤层气资源量计算方法。 关键词 采动稳定区； 煤层气资源； 预测法； 物质平衡； 瓦斯涌出量 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 04-0162-05 Calculation of Coalbed Methane Resources in Mining Stability Zone Based on Gas Emission LI Dan1,2 （1.Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean Utilization （China Coal Research Institute） , Beijing 100013, China） Abstract To calculate the coalbed methane resources in the stable area affected by coal mining, firstly, based on the height of roof caving zone and the water conducting fracture zone, the depth of floor failure zone, and the limit gas emission width of coal seam around working face are studied, the calculation model and of original CBM resources in mining influence area are established; secondly, the loss of coalbed methane resources in working face is calculated by using the prediction of gas emission from the working face; finally, according to the principle of material balance, a for calculating the CBM resources in mining stability zone is established. Key words mining stability zone; CBM resources; prediction ; material balance; gas emission 从资源和环境的角度，采用地面井开发利用采 动稳定区煤层气资源具有重要的现实意义。如何利 用已有的地质生产资料，准确快速地计算采动稳定 区煤层气资源得到了专家学者的高度重视，开展了 全面深入的研究，并取得了丰硕的研究成果。研究 认为[1-3]， 采动裂隙是采空区煤层气渗流及赋存的基 本条件。采场岩层移动破断与采动裂隙分布的“横 三区” 、“竖三带” 的总体认识， 为煤矿采空区煤层气 资源计算和开发提供了理论依据[4-8]。韩保山[9]等提 出了物质平衡法、资源构成法及下降曲线法等 3 种 采空区煤层气资源量估算方法。秦伟[10-11]等利用资 源扣减法建立了相对完整的老采空区瓦斯储量预测 方法。李日富[12-13]等构建了采动稳定区煤层气资源 量评估模型。李日富[14]在松藻矿区石壕煤矿利用分 源加法评估技术估算了试验地点的可抽采煤层气 量。孟召平[15]等分别建立了采空区垮落带和断裂带 内岩体孔隙体积模型。汪长明、 金龙哲和李宗翔[16-18] 等从理论上分析了采空区瓦斯气体的运移及分布规 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.035 李丹．基于瓦斯涌出量的采动稳定区煤层气资源量计算 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 162-166. LI Dan. Calculation of Coalbed Methane Resources in Mining Stability Zone Based on Gas Emission［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 162-166. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804200） 移动扫码阅读 162 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 律。综上分析，国内学者的研究成果大多是经验型 结论，评估资源量时需要详细的生产地质资料作支 撑， 现场数据与资料的收集相对困难； 因此， 在前人 研究基础上，基于工作面瓦斯涌出量预测方法， 提 出了一个相对简单可行的工作面采动影响稳定区煤 层气资源量计算方法，以期为工作面采动影响稳定 区煤层气资源量计算提供新的途径。 1采动稳定区煤层气资源量计算原理 采动影响稳定区就是指地层活动稳定以后的采 动影响区[10]。依据物质平衡法[2]， 当采动稳定区上覆 岩层有足够的厚度或者其上部存在有效的覆盖岩 层， 具有良好的密封性， 能够阻止稳定区内的煤层气 大规模泄露式逸散，工作面采动稳定区煤层气资源 量应等于采矿活动前储集在整个受采矿影响范围内 的煤层气资源量减去整个工作面开采活动期间损失 的煤层气资源量， 计算如下 GWG0-Gk（1） 式中GW为工作面采动影响稳定区煤层气资 源量； G0为工作面开采影响范围内采矿活动前的原 始煤层气资源量； Gk为工作面全部开采过程中散失 的煤层气资源量。 2采动范围内原始煤层气地质资源量 2.1采动影响范围 煤层开采后，采动影响稳定区顶底板岩层移动 及破坏示意图如图 1[4-6,19]。 采动影响范围主要有以下 3 部分组成 1） 工作面顶板岩层断裂带范围。该范围主要包 括垮落带和断裂带。 2） 工作面底板岩层断裂带范围。工作面底板下 一定范围内的岩体，采空区形成后，在煤壁前方形 成应力集中，从而引起工作面底板浅部岩体发生自 上而下的破坏， 形成导水断裂带[20]（图 1 中的蓝色 区域） 。 3） 工作面四周采动裂隙范围。煤巷工作面掘进 后， 巷道周围煤体的应力会发生变化， 并最终形成巷 道的瓦斯极限排放宽度[21]。 工作面的开切眼、 进风巷 及回风巷、末采通道等工作面的四周巷道瓦斯极限 排放宽度即为开采层四周采动裂隙范围，开采层四 周采动裂隙范围示意图如图 2。计算工作面采动影 响范围时， 按巷道瓦斯极限排放宽度进行计算。 2.2煤层气原始资源量计算方法 依据 DZ/2162002 煤层气资源／储量规范 ， 并 考虑煤层的残余瓦斯量， 即煤层气资源量 G0为 G0AMρ（W0－Wc）（2 ） 式中 A 为资源量计算面积， m2； W0为煤层气含 量， m3/t； M 为煤层厚度， m； ρ 为煤层平均密度， t/m3； Wc为煤层气残余瓦斯含量， m3/t。 2.3采动影响范围内煤层气原始资源量 由图 1 可知， 采动影响范围内煤层气资源量主 要包括工作面垮落带和断裂带内煤层的煤层气资源 量、本煤层的煤层气资源量和工作面底板破裂带内 煤层的煤层气资源量， 即 G0GrGcGf（3） 式中 Gr为垮落带和断裂带内的煤层气资源 量， m3； Gc为开采层裂隙内煤层气资源量， m3； Gf为 开采煤层底板断裂带内煤层气资源量， m3。 2.3.1工作面垮落带和断裂带内煤层气资源量 首先计算导水断裂带高度。走向长壁全部垮落 法开采时， 采动影响稳定区内导水断裂带高度 HF可 由文献[22]提出的经验公式进行计算。 其次，根据导水断裂带高度和工作面综合地质 柱状图， 确定出处于导水断裂带之内的煤层数量。 图 1采动影响稳定区顶底板岩层移动及破坏示意图 Fig.1Diagram of deation and failure distribution of roof and floor rock in mining stabilization region 图 2开采层四周采动裂隙范围示意图 Fig.2Sketch of the range of mining induced fracture around the working face 163 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 3极限状态下底板岩体塑性破坏区域 Fig.3The plastic destroying area of floor rock mass under the limited condition 然后， 为了计算简单， 在计算不同距离处煤层的 煤层气资源计算面积时， 采用矩形来计算。 如图 1 中 2 号煤层，它距开采煤层距离为 H2， 则其采动裂隙面积 A2为 A24 （L1 2 H1cotδ） （L2 2 H1cotδ）（4） 式中 A2为 2 号煤层采动裂隙面积， m2； L1为工 作面走向长度， m； L2为工作面倾向长度， m； δ 为走 向边界角。 则 2 号煤层采动裂隙范围内煤层气资源量为 Gr2A2M2ρ2（W02-Wc2）（5） 式中 Gr2为 2 号煤层顶板采动裂隙范围内煤层 气资源量， m3； M2为 2 号煤层的厚度， m； ρ2为 2 号煤 层的密度， t/m3； W02为 2 号煤层气瓦斯含量， m3/t； Wc2为 2 号煤层气残余瓦斯含量， m3/t。 如果断裂带中还有其它煤层，可用相同的方法 分别计算。 2.3.2开采层煤层气资源量 由图 2 可知，开采层受开采影响的范围在长度 上为工作面走向长度与两端头的瓦斯极限排放带宽 度之和；宽度上为工作面倾向长度与两侧巷道宽度 及瓦斯极限排放带宽度之和，由此，开采煤层煤层 气资源量为 Gc（L12BmBqBh） （L22Bm2B ） Mρ （W0-Wc） （6 ） 式中 Bm为巷道瓦斯极限排放带宽度， m； Bq为 工作面切眼宽度， m； Bh为工作面回撤通道宽度， m； B 为工作面巷道宽度， m。 2.3.3底板煤层的煤层气资源量 极限状态下底板岩体塑性破坏区域如图 3， 其 中最大破坏深度 h1可按文献[23]提出的方法计算。 煤层底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水 平距离 l1h1tanφ0，式中 φ0为煤层内摩擦角，（） ； hb 为工作面端部的破坏深度。由图 3 可以看出，处于 开采煤层底板破坏带的煤层，由于距开采煤层底板 深度不同， 采动影响的范围大小不一。 当距开采煤层底板深度 hhb时， 工作面长向和 倾向底板破坏区长度 Lz、 Lq分别为 LzL12 ［xa-htan （π 4 - φ0 2 ） ］（7） LqL22 ［xa-htan （π 4 - φ0 2 ） ］（8） 式中 xa为距采空区的距离。 当距开采煤层底板深度 hbhh1时，仍可按照 上面方法得到工作面长向和倾向底板破坏区长度。 则工作面底板煤层断裂带面积 Ad为 AdLzLq（9） 工作面底板煤层的煤层气资源量 Gf为 GfAdMdρd（W0d-Wcd）（10 ） 式中 Ad为底板煤层采动裂隙面积， m2； Md为底 板煤层的厚度， m； ρd为底板煤层的密度， t/m3； W0d为 底板煤层气瓦斯含量， m3/t； Wcd为底板煤层气残余 瓦斯含量， m3/t。 如果工作面底板破坏深度范围内有多个煤层， 可用相同的方法分别计算。 3工作面煤炭开采煤层气散失量 对一个处于四周为实体煤的工作面来说，主要 有 2 部分，即巷道掘进及工作面回采期间损失的煤 层气资源量， 即 Gk GjGh（11 ） 式中 Gk为工作面整个回采过程引起的煤层气 损失量， m3； Gj为工作面巷道引起的煤层气损失量， m3； Gh为工作面回采引起的煤层气损失量， m3。 3.1掘进工作面瓦斯涌出量计算 对巷道来说，可以认为工作面通风把巷道两侧 极限排放带宽度内煤层中的瓦斯都带出了矿井， 其 煤层气损失量 Gp为 Gp 2L1BmMρ （W0-Wy）（12 ） 式中 Wy为运出矿井后煤的残存瓦斯含量， m3/t。 巷道掘进的结果是把整条巷道的煤炭都输送到 了矿井以外， 掘进落煤造成的煤层气损失量 Gl为 Gl SL1Mρ （W0-Wc）（13 ） 式中 S 为掘进巷道断面积， m2。 同时，由于煤炭运出矿井时，仍含有大量的瓦 斯， 也会形成煤层气 资源量的损失， 损失量的多少 为残存瓦斯量与残余瓦斯量之差， 因此， 巷道掘进引 起的煤层气损失总量 Gj为 164 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 GjGpGlSL1Mρ （Wy-Wc） （2L1BmMρSL1Mρ） （W0-Wc）（14） 3.2回采工作面瓦斯涌出量预测 回采工作面瓦斯涌出量，回采工作面瓦斯涌出 量预测用相对瓦斯涌出量表达[24]。 1） 开采层瓦斯涌出量预测。薄及中厚煤层不分 层开采时， 开采层瓦斯涌出量计算如下 q3K1K2K3 m M（W 0-Wc） （15 ） 式中 q3为开采层相对瓦斯涌出量， m3/t ； K1为 围岩瓦斯涌出系数； K2为工作面丢煤瓦斯涌出系 数，用回采率的倒数来计算； K3为采区内准备巷道 预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数； m 为开采层 厚度， m。 2） 邻近层瓦斯涌出量预测。邻近层瓦斯涌出量 计算如下[24] q4 n i1 ∑ mi M （W0i-Wci） ηi（16） 式中 q4为邻近层相对瓦斯涌出量， m3/t； mi为 第 i 个邻近层煤层厚度， m； ηi为第 i 个邻近层瓦斯 排放率， ； W0i为第 i 个邻近层煤层原始瓦斯含量， m3/t； Wci为第 i 个邻近层煤层残存瓦斯含量， m3/t。 3.3工作面开采煤层气损失量 由上节可知，工作面瓦斯涌量预测计算出了每 回采 1 t 煤炭，从开采层和邻近层分别涌出了多少 方的瓦斯，因此预测的工作面瓦斯涌量与工作面实 际采出煤量的积即为全部煤炭产出所造成的煤层气 损失量； 同时， 由于煤炭运出矿井时， 仍含有大量的 瓦斯，也会形成煤层气资源量的损失，损失量的多 少为残存瓦斯量与残余瓦斯量之差。即工作面开采 引起的煤层气资源量损失 Gh计算如下 GhL1L2Mρ （q3q4） L1L2Mρ （WyWc） L1L2Mρ ［K1K2K3 m M（W 0-Wy） n i1 ∑（W0i-Wci） （Wy-Wc） ］ （17） 将式 （5 ） 、 式 （6）和式 （10 ）代入式 （3）就可得到 工作面断裂带范围内的煤层气资源量； 将式 （14） 和 式 （17） 代入式 （11 ）就可行到工作面整个开采过程 煤层气损失量； 将式 （3） 和式 （11 ） 代入式 （1 ） 就可得 到工作面采采空区煤层气资源量。 4结语 1） 基于物质平衡法建立了采动稳定区煤层气资 源量计算方法，即工作面采动稳定区煤层气资源量 应等于采矿活动前储集在整个受采矿影响范围内的 煤层气资源量与工作面开采活动期间损失的煤层气 资源量之差。 2） 采动影响范围内煤层气原始资源量主要包括 工作面垮落带和断裂带内煤层的煤层气资源量、 本 煤层的煤层气资源量和工作面底板破裂带内煤层的 煤层气资源量。 3） 对一个处于四周为实体煤的工作面来说， 工 作面开采期间煤层气损失量主要有 2 部分，即巷道 掘进及工作面回采期间损失的煤层气资源量，并可 利用瓦斯涌出量法进行计算。 参考文献 ［1］ 崔永君．废弃矿井瓦斯一值得关注的煤层气资源 ［J］ ． 中国煤层气， 2005， 2 （7） 27-31．． ［2］ 韩保山．废弃矿井煤层气储层描述 ［J］ ．煤田地质与勘 探， 2005， 33 （2） 32-34． ［3］ 张培河．废弃矿井瓦斯资源量计主要参数确定方法 ［J］ ．中国煤层气， 2007， 4 （3） 15-16． ［4］ 钱鸣高， 刘听成．矿山压力及其顶板控制 （修订本） ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 1991． ［5］ 宋振骐．实用矿山压力控制 ［M］ ．徐州 中国矿业大学 出版社， 1988． ［6］ 吴仁伦．煤层群开采瓦斯卸压抽采 “三带” 范围的理论 研究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2011． ［7］ 煤炭科学研究院北京开采研究所．煤矿地表移动与覆 岩破坏规律及其应用 ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 1981． ［8］ 程昊， 高娜娜， 李日富， 等．工作面采动稳定区顶板围 岩采动裂隙发育范围研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （4） 17-20． ［9］ 韩保山， 张新民， 张群．废弃矿井煤层气资源量计算范 围研究 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2004， 32 （1） 29-31． ［10］ 秦伟．地面钻井抽采老采空区瓦斯的理论与应用研 究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2013． ［11］ 秦伟， 许家林， 胡国忠， 等．老采空区瓦斯储量预测方 法研究 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （6） 948-953． ［12］ 李日富， 文光才．采动影响稳定区煤层气资源量分源 叠加评估模型 ［J］ ．煤炭科学技术， 2015， 43 （10） 116-121． ［13］ 李日富， 赵国栋．采动影响稳定区煤层气储层空间计 算方法 ［J］ ．矿业安全与环保， 2013， 40 （2） 8-11． ［14］ 李日富， 松藻矿区采动稳定区煤层气地面井抽采试 验及应用效果 ［J］ ．矿业安全与环保， 2018， 45 （2） 44-48. ［15］ 孟召平， 师修昌， 刘珊珊， 等．废弃煤矿采空区煤层气 资源评价模型及应用 ［J］ ．煤炭学报， 2016， 41 （3） 537-544． 165 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 tional Journal of Coal Geology, 1998, 35 （1） 175-207. ［11］ S S. 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