基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 胡国忠，许家林，秦 伟，等基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法煤炭科学技术，， （） ， ， ， ，，（） 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法 胡国忠，，许家林，，秦 伟， ，彭小亚，李 康 （中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 ；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 ； ， ，， ，） 摘 要瓦斯抽采巷（孔）的合理布置是实现邻近层卸压瓦斯精准抽采的基本前提。 在深入分析覆岩 关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移控制机制的基础上，提出了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽 采优化设计新方法。 研究结果表明邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）的合理布置层位为垮落带边界至导 气裂隙带最大发育高度之间的空间范围，导气裂隙带最大发育高度可按基于关键层位置的导水裂隙 带高度预计方法来确定；邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）的合理层面位置为导气裂隙带内的“”形圈裂 隙区中部，“”形圈裂隙区宽度可按其与煤层采高、覆岩关键层结构及采深的函数关系式进行预计。 该方法在阳泉矿区邻近层卸压瓦斯实践中得到了应用和验证，邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在 ， 能较好地指导煤层群开采条件下煤与瓦斯共采实践。 关键词煤与瓦斯共采；绿色开采；关键层；卸压瓦斯抽采；优化设计 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，， ，， ， ， ， （ ， ， ，； ， ， ，； ， ， ， ， ） （） ， （） ， （） “” “” ， ， ， ， ； ； ； ； 收稿日期；责任编辑王晓珍 基金项目国家自然科学基金资助项目（）；江苏高校“青蓝工程”资助项目（苏教师 号）；江苏省“六大人才高峰”高层次人才资 助项目（） 作者简介胡国忠（），男，湖南衡阳人，教授，博士生导师，博士。 引 言 我国是世界上煤矿瓦斯灾害最严重的国家之 一，且埋深 以浅的煤层瓦斯资源量约 万亿 ，与陆上常规天然气资源量基本相当。 煤 与瓦斯共采是解决瓦斯灾害防治、矿区温室气体减 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 胡国忠等基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法 年第 期 排和瓦斯资源开发的根本途径，已成为煤矿绿色开采 技术体系的重要组成部分。 该方法既获取了瓦斯资 源，又保障了采煤安全，还减缓了温室效应，真正做到 “一举三得”。 然而，我国的高瓦斯、突出矿井的开 采煤层属低渗透煤层（渗透率小于 ），且吸 附瓦斯含量高（占 ），使得煤层瓦斯预抽困 难。 因此，通过利用采煤过程中覆岩移动对邻近层 瓦斯的卸压作用，构建抽采巷（孔）强化抽采卸压瓦斯， 是实现煤与瓦斯高效共采的有效途径。 卸压瓦斯抽采技术模式选择及其抽采巷（孔） 的合理布置是邻近层卸压瓦斯抽采亟待解决的关键 问题。 要实现瓦斯抽采巷（孔）布置层位与层面 位置的优化设计，前提是掌握采动过程中邻近层瓦 斯的卸压范围及卸压瓦斯的运移规律。 目前， 邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）布置参数的确定方法 主要有 种一是依据传统岩层移动“竖三带”高度 的现场实测结果或“三带”高度经验公式预计结果 来确定；二是经验类比法。 但是，一方面，采动覆岩 “竖三带”高度的现场实测费时费力，需投入大量经 费，而传统断裂带高度经验预计公式又忽略了覆岩 结构差异性对“三带”高度的影响；另一方面， 由于不同区域煤层的覆岩结构存在差异，使得经验 类比法在实际应用中适用性较差。 为此，笔者通过分析覆岩关键层运动对邻近层 瓦斯卸压运移的控制机制，以煤层群开采瓦斯卸压 运移的“三带”理论及其导气裂隙带侧向分区特征 为基础，提出基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽 采优化设计新方法，为实现煤层群开采条件下煤与 瓦斯高效共采提供科学指导。 覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移 的控制机制 在煤层群开采条件下，煤层采动引起的岩层移 动是引起邻近层瓦斯赋存状态变化及其卸压运移的 主要原因。 覆岩移动一方面引起邻近层应力场的变 化，使得采场卸压范围内的邻近煤岩层渗透率增大 数十倍至数百倍、部分吸附态瓦斯解吸为游离 态；另一方面，覆岩移动引起贯通的导气裂隙的产生 和延展，，，为卸压瓦斯提供大量的运移通道和 持续解吸条件，，如图 所示。 图 阳泉矿区某矿 工作面瓦斯涌出与上覆岩层移动的变化关系 由图 可知，在亚关键层未破断前，邻近层瓦斯 没有卸压涌出的通道，工作面风排瓦斯基本为本煤 层瓦斯，瓦斯涌出量较低；亚关键层破断后，引起上 覆 、、 和 号煤层卸压，其卸压瓦斯沿穿层破断 裂隙涌入采空区，致使工作面瓦斯涌出量迅速增加， 当工作面推进至 时出现第 次高峰；同时，由 于上覆 号煤层的卸压，邻近层的低位抽采钻孔开 始发挥作用并抽取少量的卸压瓦斯。 随着亚关键层 的周期破断，上覆邻近层的卸压面积不断增大，使得 工作面瓦斯涌出量出现第 次高峰，而此时邻近层 的高、低位钻孔的瓦斯抽采量也随之增大；当工作面 推进至 时，主关键层发生破断，导致上覆细 砂岩的卸压瓦斯向下部采空区涌出，使得工作面风 排瓦斯量发生了小幅度的增加；在主关键层破断后， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 由于主关键层上覆岩层中不存在其他含瓦斯煤层， 此时上邻近层的高、低位钻孔的瓦斯抽采量逐渐趋 于稳定，工作面风排瓦斯量明显下降。 由此可见，覆岩关键层的移动与破断决定了覆 岩采动裂隙的演化规律，是影响邻近层瓦斯卸压 与运移的关键因素。 因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷 （孔）布置应结合覆岩关键层运动规律，这为建立科 学的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法提供了新的 途径。 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采 优化设计方法 卸压瓦斯抽采巷（孔）的布置层位 煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”划分 由传统的岩层移动理论可知，煤层采动后，上覆 岩层可形成“竖三带”，即垮落带、断裂带和弯曲下 沉带。 虽然这一分带方法能够较好地揭示采动覆岩 移动规律，但不能很好地描述采动过程中邻近层的 卸压瓦斯运移过程。 因此，从煤与瓦斯共采的角度 出发，根据岩层移动“竖三带”的瓦斯卸压运移特 征，将采场上覆煤岩层可划分为“导气裂隙带”“卸 压解吸带”和“不易解吸带”，形成新的煤层群开采 瓦斯卸压运移的“三带”划分方法，其分带理论模 型如图 所示。 图 煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带” “” 煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”中各分带的 瓦斯卸压运移特征如下 导气裂隙带。 存 在沿层离层裂隙与穿层竖向贯通裂隙，邻近层瓦斯 已充分卸压且可涌向采场，该带内的卸压瓦斯可有 效抽采，其高度与关键层位置有关。 卸压解吸 带。 存在少许沿层离层裂隙，邻近层瓦斯已卸压且 在卸压期可有效抽采，但卸压瓦斯难以涌向采场且 随应力恢复会重新吸附，其高度最大止于主关键层。 不易解吸带。 覆岩内无明显的采动裂隙，邻近层 瓦斯难以卸压、解吸，瓦斯抽采难易程度未变化。 瓦斯抽采巷（孔）布置层位预计 邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）空间位置布置是 否合理是影响卸压瓦斯抽采效果的重要因素。 从煤 层群开采瓦斯卸压运移“三带”来看，导气裂隙带内 的采动裂隙最发育，卸压瓦斯运移最活跃，是卸压瓦 斯抽采的主要区域。 因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷 （孔）的布置层位应确定为导气裂隙带中上部范围， 即垮落带以上、导气裂隙带最大发育高度以内的空 间，以保证较长的抽采时间、较大的抽采范围和较高 的抽采率，让卸压瓦斯抽采做到“有的放矢”。 因 此，邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）的布置层位可表 示为 （） 式中为垮落带高度； 为卸压瓦斯抽采巷（孔）距 煤层顶板高度；为导气裂隙带高度。 其中，由于煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”的 导气裂隙带与传统导水裂隙带具有相同的裂隙形态 特征，因而式（）中的导气裂隙带高度 可参照“基 于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法” 进 行预计，如图 所示。 该方法分为 种情况 当 主关键层距煤层高度小于 倍采高时，主关键 层及其控制的上覆岩层破断裂缝会贯通成为裂隙， 则导气裂隙带发育至基岩顶部。 当主关键层距 煤层高度大于 倍采高时，临界高度范围内的 亚关键层及其控制的覆岩破断裂缝会贯通成为导气 裂隙，则导气裂隙带发育至临界高度上方最近的关 键层底部。 因此，在工程实践中，首先根据工作面覆 岩柱状资料对关键层位置进行判别，而后预计出工 作面导气裂隙带高度。 式（）中的垮落带高度 可由式（）得到 （） 式中 为煤层采高，；为直接顶岩层的岩石碎 胀系数； 为煤层倾角，（）。 卸压瓦斯抽采巷（孔）的层面位置 覆岩导气裂隙带的侧向分区 典型的工作面采动应力与覆岩采动裂隙分布规 律如图 所示。 由此可知，在导气裂隙带范围内，受 采动应力作用，采空区侧向支承压力峰值内侧与中 部压实区边界之间的上覆煤岩层会产生塑性破坏， 使得穿层破断裂隙发育并与其离层裂隙相互贯通， 成为邻近层卸压瓦斯运移的主要通道。 因此，根据 覆岩采动裂隙的发育规律与形态特征，将导气裂隙 带在倾向上可划分 区侧向压裂裂隙 区。 覆岩层的垂直应力产生集中、水平应力得到卸 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 胡国忠等基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法 年第 期 载，覆岩内部产生大量的压裂裂隙，瓦斯能够有效卸 压且呈达西渗流状态，其外边界为采空区侧向支承 压力峰值点连线、内边界为采空区边界破断角射线。 区“”形圈裂隙区。 由于采空区四周煤壁 对关键层破断砌体梁结构的支撑作用，在采空区内 四周存在一个相互连通的采动裂隙发育区，即采动 裂隙“”形圈，其内边界为上覆煤岩层卸压程度 处的连线。 区重新压实区。 采空区中部 上覆岩层下沉，破断、垮落的煤岩体被重新压实，压实 区内的裂隙重新闭合，煤岩体透气性重新降低。 图 基于关键层位置的导气裂隙带高度预计方法 图 导气裂隙带采动应力与裂隙分布情况 卸压瓦斯抽采巷（孔）的层面位置优化 在覆岩导气裂隙带的“”形圈裂隙区内，覆岩 离层裂隙和穿层破断裂隙发育，采场周围煤岩体的 卸压瓦斯不断向其渗流、汇集而形成紊流区，这正是 布置抽采巷（孔）抽采邻近层卸压瓦斯的最佳区域。 因此，掌握“”形圈裂隙区宽度是确定卸压瓦斯抽 采巷（孔）层面位置的关键。 已有研究表明，覆岩导气裂隙带内的“”形 圈裂隙区宽度 （）与煤层采高、覆岩关键层结构 及采深存在显著的相关性，即 （） （）（） 其中为 ；当上覆硬岩层较少、采深较 大时，取小值，反之取大值。 对于阳泉矿区而言， （） 。 卸压瓦斯抽采优化设计流程 基于煤层群开采瓦斯卸压抽采的“三带”理论 及其导气裂隙带的侧向分区特征（图 ），按照图 所示的卸压瓦斯抽采优化设计流程，可建立邻近层 卸压瓦斯抽采巷（孔）布置优化原则，如图 所示。 另外，对于“卸压解吸带”内的卸压瓦斯，可在导气 裂隙带的抽采巷内布置上向穿层钻孔，钻孔终孔于 主关键层的离层裂隙空间内，如图 所示；如为地 面钻孔，则可在“卸压解吸带”内布置筛管进行强化 抽采（图 ），以提高邻近层卸压瓦斯的抽采率。 图 导气裂隙带侧向分区 因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）的空间位置 参数可按式（）计算 （ ） （ ） （） 式中 为抽采巷（孔）距回风巷水平距离（即卸压 瓦斯抽采巷（孔）的层面位置）； 为抽采巷（孔）距 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 “”形圈裂隙区外边界的距离，可取 （）； 为“”形圈裂隙区外边界与开采边界的连线与煤层 的夹角。 图 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计流程 图 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯 抽采巷（孔）布置优化原则 工程应用 卸压瓦斯运移“三带”高度预计 新大地煤矿 工作面是阳泉矿区 号煤 层的典型回采工作面，平均煤厚 ，平均煤层倾 角 ，原始煤层瓦斯含量 ，日产量 ，其上覆岩层中存在 、、、、、、上、下、 号等多层不可采的含瓦斯煤层。 根据 工作 面的相邻工作面生产经验， 号煤层的上覆邻近 层卸压瓦斯是此类工作面采空区瓦斯的主要来 源。 根据 综放工作面覆岩关键层结构的判别 结果，结合图 的预计流程，可以得到 工作面 顶板以上 范围的覆岩为导气裂隙带，导气裂 隙带以上直至主关键层之下的 范围内的 覆岩为卸压解吸带，主关键层及其以上覆岩为不易 解吸带（表 ）。 由此可知，上覆的 、、、上、 下、 号煤层处于工作面导气裂隙带内，而处于卸 压解吸带内的 、、 号煤层卸压瓦斯不会涌入到工 作面采空区。 导气裂隙带内“”形圈裂隙区宽度预计 根据阳泉矿区得出的导气裂隙带内侧向的“” 形圈裂隙区平均宽度与采高的函数关系式（），考 虑 工作面的覆岩关键层结构及采深，得出 工作面“”形圈裂隙区平均宽度为 。 邻近层卸压瓦斯抽采优化设计 根据 工作面的卸压瓦斯运移“三带”高 度预计范围、上覆邻近煤层的瓦斯含量以及相邻工 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 胡国忠等基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法 年第 期 表 工作面瓦斯卸压运移“三带”高度判别结果 “” 三带层号厚度 埋深 岩性关键层位置三带层号厚度 埋深 岩性关键层位置 不 易 解 吸 带 卸 压 解 吸 带 黄土 含砾粗砂岩 粗砂岩 中砂岩 粗砂岩 砂质泥岩 细砂岩 泥岩 砂质泥岩 粗砂岩 砂质泥岩 粗砂岩 泥岩 细砂岩 中砂岩 粗砂岩 细砂岩 砂质泥岩 中砂岩 粗砂岩 砂质泥岩 中砂岩 砂质泥岩主关键层 中砂岩 粉砂岩 铝土泥岩 细砂岩 砂质泥岩 泥岩 砂质泥岩 粗砂岩 中砂岩 细砂岩 粗砂岩 铝质泥岩 泥岩 砂质泥岩亚关键层 铝质泥岩 细砂岩 泥岩 砂质泥岩 细砂岩 粗砂岩 中砂岩 卸 压 解 吸 带 导 气 裂 隙 带 细砂岩 砂质泥岩 细砂岩 砂质泥岩 泥岩亚关键层 砂质泥岩 细砂岩 中砂岩亚关键层 泥岩 细砂岩 砂质泥岩 泥岩 煤 号煤 细砂岩 泥岩亚关键层 号煤 泥岩 砂质泥岩 泥岩 号煤 泥岩亚关键层 号煤 砂质泥岩 砂质泥岩 灰岩 号煤 泥岩 号煤 泥岩 灰岩 号煤上 砂岩亚关键层 号煤下 砂质泥岩 泥岩 灰岩 泥岩 灰岩 号煤 砂岩亚关键层 泥岩 号煤 作面的邻近层卸压瓦斯排放系数，按照式（）预测 回采期间 工作面的邻近层瓦斯涌出量 （ ）（） 式中为第 层邻近煤层厚度，；为第 层邻近 煤层的瓦斯排放率；、 分别为第 层邻近煤层和 开采层的瓦斯含量， 。 由式（） 和表 可计算得到回采期间涌入 工 作 面 的 邻 近 层 卸 压 瓦 斯 量 达 。 因此，为防止邻近层卸压瓦斯大量涌入回 采空间而频繁造成瓦斯超限， 综放工作面拟 采用走向高抽巷来抽采邻近层的卸压瓦斯。 首先，按照基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯 抽采优化设计方法， 工作面的走向高抽巷的 高度范围应布置在 号煤顶板 以上、 以下范围的上覆岩层内。 同时，综合考虑到走向高 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 抽巷的巷道围岩稳定性、增加走向高抽巷的掘巷效 益， 工作面走向高抽巷的合理布置层位为工 作面顶板 处的 号煤层和 灰岩内，以保证 较长的抽采时间、较大的抽采范围和较高的卸压瓦 斯抽采率。 表 工作面上覆邻近层瓦斯参数 邻近层 与 号煤 层距离 厚度 瓦斯含量 （ ） 瓦斯排 放率 号 号 号 上号 下号 号 注、、 灰岩，根据邻近工作面的经验， 号煤层开采过 程中邻近灰岩瓦斯涌出量约为 。 其次，根据邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）的层面 位置计算公式（），可得到 工作面走向高抽 巷距回风巷的水平距离 （即卸压瓦斯抽采巷布置 的层面位置）为。 工作面走向高抽巷层 位布置如图 所示。 图 工作面走向高抽巷层位布置 实施效果 工作面走向高抽巷的瓦斯抽采量变化情 况如图 所示。 由此可知， 工作面走向高抽 巷的瓦斯抽采量呈周期性的波动平衡状态，工作面 初采期过后走向高抽巷的瓦斯抽采量稳定在 左右、工作面风排瓦斯量在 （其中 图 高抽巷瓦斯抽采量 邻近层瓦斯量平均为 ）左右、邻近层卸压 瓦斯抽采率稳定在 ，且工作面瓦斯浓度未出现 超限，保障了工作面安全开采，取得了较好的瓦斯治 理效果。 结 论 ）覆岩关键层运动决定了覆岩采动裂隙的演 化规律，进而控制邻近层瓦斯的卸压与运移。 这为 建立科学的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法提供 了新的途径。 ）基于煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”理 论，提出了邻近层卸压瓦斯抽采巷（孔）布置层位优 化原则；结合导气裂隙带侧向分区特征，建立了邻近 层卸压瓦斯抽采巷（孔）的层面位置确定方法，从而 形成了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优选 设计新方法。 ）基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优 化设计方法在阳泉矿区的煤与瓦斯共采实践中得到 了应用和验证，邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在 ，取得了较好的瓦斯抽采效果。 参考文献（） 袁亮 我国深部煤与瓦斯共采战略思考 煤炭学报， ，（） ，， （） 许家林 煤矿绿色开采 年研究及进展 煤炭科学技术， ，（） ，，（） 程远平，俞启香 煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用 中国矿业大学学报，，（） ， ， ， （ ） 许家林，钱鸣高，金宏伟 基于岩层移动的“煤与煤层气共采” 技术研究 煤炭学报，，（） ， ， “ ” ，，（） 李树刚，林海飞，赵鹏翔，等 采动裂隙椭抛带动态演化及煤与 甲烷共采煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 胡国忠等基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法 年第 期 谢和平，周宏伟，薛东杰，等 我国煤与瓦斯共采理论、技术与 工程 煤炭学报，，（） ， ， ， ， ， ， （ ） 许家林，钱鸣高 地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层气试验研 究 中国矿业大学学报，，（） ， ， ，（） 胡国忠，许家林，黄军碗，等 高瓦斯综放工作面的均衡开采技 术研究煤炭学报，，（） ， ， ， ，， （） 薛俊华 近距离高瓦斯煤层群大采高首采层煤与瓦斯共采 煤炭学报，，（） ， ， （ ） 林海飞，杨二豪，夏保庆，等 高瓦斯综采工作面定向钻孔代 替尾巷抽采瓦斯技术 煤炭科学技术，，（） ， ， ， ，， （） 胡国忠，王宏图，李晓红，等 急倾斜俯伪斜上保护层开采的 卸压瓦斯抽采优化设计 煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） ， ， ， ，， 李树清，何学秋，李绍泉，等 煤层群双重卸压开采覆岩移动 及裂隙动态演化的实验研究 煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 许家林，朱卫兵，王晓振 基于关键层位置的导水裂隙带高度 预计方法煤炭学报，，（） ， ， ，，（） 许家林 岩层采动裂隙演化规律与应用 徐州中国矿业 大学出版社， 胡国忠，王宏图，范晓刚 邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护 范围 煤炭学报，，（） ， ， ，， （） 周华东，许家林，胡国忠，等 综采工作面初采期局部高抽巷 瓦斯治理效果分析 煤炭科学技术，，（） ， ， ， ，，（） 屈庆栋，许家林，钱鸣高 关键层运动对邻近层瓦斯涌出影响 的研究 岩石力学与工程学报，，（） ， ， ，，（） 秦 伟，许家林，胡国忠，等 老采空区瓦斯储量预测方法研 究 煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） ， ， ， ，， 许家林 煤矿绿色开采 徐州中国矿业大学出版 社， 徐 光，许家林，吕维赟，等 采空区顶板导水裂隙侧向边界 预测及应用研究 岩土工程学报，，（） ， ， ， ，， （） 彭小亚 采空区导气裂隙带侧向分区特征及应用研究 徐州中国矿业大学， 钱鸣高，许家林 覆岩采动裂隙分布的“” 形圈特征研究 煤炭学报，，（） ， “” ，， （） 王 露，许家林，吴仁伦 采动煤层瓦斯充分卸压应力判别指 标理论研究 煤炭科学技术，，（） ， ， ，，（） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et