近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究—以山西吕梁沙曲矿区为例.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 程志恒，陈 亮，邹全乐，等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系 以山西吕梁沙曲矿区为例煤 炭科学技术，，（） ， ， ， ， ，，（） 近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 程志恒，，陈 亮，，邹全乐，王宏冰，浦仕江，齐庆新，，梁椿豪，樊少武，苏士龙，闫大鹤 （华北科技学院 安全工程学院，北京 ；华北科技学院 安全监管学院，北京 ；华科中安科技（北京）有限公司，北京 ； 重庆大学，重庆 ；北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 ；贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 ；煤炭科学研究总院 深部开采与冲击地压研究院，北京 ；华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 ；煤炭科学技术研究院有限公司 北京 ） 摘 要为掌握近距离煤层群叠加开采的应力裂隙瓦斯渗流规律，构建近距离煤层群煤与瓦斯高 效共采技术体系及动态评价模型，以山西吕梁沙曲矿区为研究对象，采用物理相似模拟、超声波试验 及 示踪气体现场监测相结合的研究方法，分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点， 探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律，建立了 煤岩 损伤方程，得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化裂隙发育瓦斯运移规律。 研究结果表明沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移，在近距离煤层群叠加开采条件下二 次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加，而是“”的影响效果，下伏煤层在 叠加开采下产生了贯穿型裂隙，并在其周围衍生了大量的次生裂隙，为煤层瓦斯运移提供了优势通 道；根据沙曲矿区煤气共采不同阶段的时空条件和消突要求，分区分级优选并集成了近距离煤层群 煤与瓦斯共采技术体系，即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气，在准备区采用 多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采底抽巷定向钻孔群抽采，在生产区采用大采高沿空 留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术；通过分析煤与瓦斯共采的影响因素，提出了近距离煤层群煤 与瓦斯共采动态评价指标体系，建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型，实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共 采效果及矿井部署合理性的评价，得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为 、共采合理性等 级为“较为合理”；最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题，展望了近距离煤层 群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。 关键词近距离煤层群；叠加开采；煤与瓦斯共采；三区联动；时空衔接关系；贝叶斯评价模型 中图分类号 文献标志码 文章编号（） 收稿日期；责任编辑李金松 基金项目国家自然科学基金面上项目资助项目（）；中央高校基本科研业务费资助项目（） 作者简介程志恒（），男，河南郑州人，副研究员。 通讯作者陈 亮（），男，河南信阳人，副研究员。 ， ，， ， ， ， ， ，， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ； （） ， ， ，； ， ， ； ， ，； ， ，； ， ， ，； ， ， ，； ， ， ） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 ， ， ， ， ， “”， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ； ， ； ； ； ； ； 引 言 近距离煤层群在我国分布广泛，煤层层间距小、 煤层间采动相互影响大，且在其开采过程中煤层瓦 斯始终威胁矿井安全。 随着矿井开采深度不断延 深，煤层瓦斯含量、瓦斯压力也随之增加，瓦斯治理 难度进一步增大。 因此，采用煤与瓦斯共采技术，形 成近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系，是解 决近距离煤层群煤碳资源开采及煤层气资源高效抽 采利用的必然手段，也是响应当今社会倡导绿色开 采的技术体系之一。 目前，在近距离煤层群煤与瓦 斯共采技术领域，国内外众多学者从不同视角进行 了研究，并取得了丰硕成果。 在近距离煤层群方面 文献探究了近距离煤层群在叠加开采条件下 应力裂隙演化特征，实现了对采动裂隙带分布特 征的精细化模拟；文献研究了保护层开采下首 采层的采动影响范围，分析了高瓦斯煤层群保护层 开采技术的可行性；文献发现叠加开采条件下 覆岩垮落特征呈多层协调移动，位移场、裂隙场也出 现了叠加效果；文献研究了煤层群重复开采 下三维应力场的时空演化特征和覆岩裂隙带的破碎 力学行为。 在煤与瓦斯共采方面文献初步 提出了“矿山绿色开采”的新概念；文献研究 了上覆岩层的破断机理及裂隙分形特征，揭示了采 动裂隙的演化规律；文献改变了传统“风 排”瓦斯的治理措施，采取首采层卸压开采，实现了 高效“抽采”瓦斯的新模式，并形成了保护层开采下 的煤与瓦斯共采技术；文献建立了无煤柱 开采下的煤与瓦斯高效共采理论，实现了对煤层瓦 斯分布的定量描述；文献采用了大孔径千米定 向钻机高效抽采了顶板裂隙带瓦斯，提出了高瓦斯 煤层千米定向钻孔煤与瓦斯共采机理。 上述研究成果切实地解决了目前近距离煤层群 开采过程中存在的技术难题，并构成了我国煤与瓦 斯共采技术的基本内容，但在近距离煤层群开采条 件下叠加应力场与瓦斯压力耦合致害机理方向的研 究较少，且各项煤与瓦斯共采技术衔接关系不佳，近 距离煤层群下煤与瓦斯共采技术体系尚未形成，缺 少近距离煤层群煤与瓦斯共采全过程的动态效果评 价模型。 基于此，笔者以沙曲矿区为研究背景，对沙 曲矿区叠加开采条件下应力场及其作用下瓦斯压力 演化规律进行研究，从而为近距离煤层群条件下煤 与瓦斯共采技术提供理论支撑，并对沙曲矿区煤层 群采用共采技术后的抽采掘效果进行评价，以形 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 成近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系。 近距离煤层群的资源赋存特征 近距离煤层群煤炭资源赋存特征 近距离煤层群具有煤层层间距小、煤炭资源储 量大、煤层间采动相互影响大等特点，主要分布在我 国安徽淮南淮北、重庆松藻、河南平顶山、贵州水城、 吕梁西汾柳等矿区，受限于各自地质构造条件，其煤 层群间的煤炭资源赋存分布特征亦不相同，具体赋 存特征见表 。 表 近距离煤层群煤炭资源赋存特征 矿井矿井位置 煤炭资源赋存特征 可采煤层 数量 层 最小煤层 间距 平均可采 厚度 煤层变质 程度 煤层含气 量 （ ） 潘二矿淮南矿区低变质的烟煤 桃园矿淮北矿区低变质的烟煤 松藻一矿松藻矿区变质程度较高的无烟煤 首山一矿平顶山矿区变质程度中等的肥煤 火铺矿水城矿区变质程度较高的无烟煤 华晋沙曲矿西汾柳矿区变质程度较高的焦煤 近距离煤层群煤层气资源赋存特征 据统计，我国近距离煤层群煤层气资源赋存状 态整体呈现为在煤层含气量方面松藻矿区含气 量最高，其次为淮南淮北矿区、水城矿区、平顶山矿 区，而西汾柳矿区的含气量最低，平均为 ； 在煤层气资源储量储存方面西汾柳矿区储量最 大，其次为平顶山矿区、淮南淮北矿区，水城矿区的 煤层气储量最低，如图 所示。 图 近距离煤层群煤层气赋存分布特征 虽然我国近距离煤层群煤炭资源和煤层气 资源储量丰富，但由于开采过程中受重复采动影 响，煤层裂隙演化规律不清，致使煤层瓦斯运移 特征不明。 因此，笔者以沙曲矿区近距离煤层群 为例，通过分析煤层群中煤层瓦斯吸附解吸特 征，进而研究叠加开采条件下采动应力场裂隙 场的演化特征，从而揭示叠加开采条件下瓦斯运 移富集特征。 沙曲矿区煤炭资源赋存特征 煤炭资源宏观赋存特征 沙曲矿区隶属华晋焦煤有限责任公司，位于吕 梁山脉中段西部，河东煤田中部，井田大致呈北 西南东向弧形，井田面积 。 批采煤 层共 层，分为上下 组，上煤组为山西组的 、、 （）、 号煤层，下煤组为太原组的 、、 号煤层。 主采煤层为 、、 号煤层，平均煤层厚度分别为 、、 ，煤层层间含有少量夹矸层，均 为稳定全区可采煤层，最小煤层间距为 ， 故沙曲矿区属于典型的近距离煤层群开采，如图 所示。 图 沙曲矿区可采煤层特征 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 煤层瓦斯含量与煤层埋深、上覆基岩厚度及顶 底板岩性之间具有相关性。 因此，笔者取沙曲矿区 同一时期主采煤层的煤样进行研究，其煤层瓦斯含 量与上覆基岩厚度、煤层埋深的关系如图 所示。 由图 可知，煤层瓦斯含量与煤层埋深、上覆基岩厚 度呈线性关系，但由于沙曲矿区南翼煤层的埋深普 遍大于北翼煤层的埋深，致使在相同煤层底板标高 条件下南翼煤层的瓦斯含量普遍高于北翼煤层的瓦 斯含量。 图 煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度、煤层埋深的关系 基于沙曲矿区地质构造特征与瓦斯赋存特点， 以三川河为界，将沙曲矿区划分为 个矿井，北翼煤 层为沙曲一矿，南翼煤层为沙曲二矿（图 ）。 沙曲 二矿的瓦斯富集程度高于沙曲一矿，瓦斯灾害呈现 为“北超南突”的特点。 根据 个矿井的煤层瓦斯 含量及赋存特征，采用不同的煤与瓦斯共采技术。 图 沙曲矿区煤炭资源赋存划分示意 煤体细观结构及吸附解吸特征 煤是多孔隙物质，在成煤作用过程中往往伴有 瓦斯形成，而煤层中微孔、微裂隙是瓦斯的主要储存 和运移空间。 因此，研究煤层中微孔、微裂隙的 类型、大小和结构对掌握瓦斯赋存和涌出规律具有 重要意义。 沙曲矿区煤层孔隙分布特征见表 。 沙曲矿区 、、 号煤层内中孔、微孔、小孔所占比例最大，约 占总孔隙的 、、，而瓦斯在煤 层中主要流动场所为可见孔、大孔和中孔，微孔和小 孔是吸附态瓦斯主要储存空间。 、 号煤层透气性 系数为 （），平均瓦斯含量 ， 号煤层透气性系数为 （），平均瓦斯含量 。 表 沙曲矿区煤层孔隙分布特征 煤层 微孔小孔中孔大孔 孔隙体 积 （ ） 比孔隙 体积 孔隙体 积 （ ） 比孔隙 体积 孔隙体 积 （ ） 比孔隙 体积 孔隙体 积 （ ） 比孔隙 体积 比表面 积 （ ） 孔隙 率 号 号 号 沙曲矿区煤层孔裂隙结构特征有利于瓦斯赋 存，但不利于瓦斯运移，且煤层对瓦斯吸附性较强， 导致沙曲矿区主采煤层的瓦斯含量较高。 上文以宏观和微观的角度分析了沙曲矿区煤 层瓦斯赋存特征，受地质条件影响，南北两翼矿井 表现出不同的瓦斯富集特征。 即沙曲二矿的瓦斯 富集程度普遍大于沙曲一矿的瓦斯富集程度，且 沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯气体 运移，导致在叠加开采条件下卸压煤层裂隙发育 特征及瓦斯运移规律不清晰。 因此，有必要开展 在叠加开采条件下采动应力场裂隙场瓦斯渗流 场演化规律的研究。 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 沙曲矿区煤层群覆岩采动及瓦斯运移特征 煤层群叠加开采下煤岩损伤演化特征 采用介质损伤程度作为定量表征介质损伤程度 的参数。 将轴向应力、应变分别作为荷载变量，将对 应的响应变量作为加卸载响应比值的参量，加卸 载响应比 为 （） （） 式中、分别是加载和卸载阶段的响应量； 为加 卸载阶段的响应量；、 分别是应力响应变量 和应变响应变量 所对应的增量，应力响应变量 和应变响应变量 是从循环荷载试验下应力应变 曲线中获得的。 可用加卸载响应比 来表征循环荷 载过程中煤样的损伤量。 基于 分布规律建立了加卸载响应比 与损伤变量 之间的关系 （ ） （ （）） （） 式中为 指数； 为应变，（ ） ； 为试样质量； 为破坏点处的应变，故该破坏点所 对应的损伤为 （ ），（）为试样变形所 对应的损伤变量函数。 将式（）变换可得损伤量与加卸载响应比的关 系式为 （） 由图 可知，煤样随着轴向应力的增大，加卸载 响应比先缓慢增大，然后加快增大，最后基本呈直线 增加（图 ），而损伤变量曲线分为缓增急增缓 增 个阶段（图 ）。 加载阶段煤样产生了损伤累积，加卸载响应比 逐渐增大，当煤样所承受应力达到一定水平之后，加 载阶段弹性模量进一步降低，加卸载响应比突增， 预示煤样即将发生破坏，煤样进入了屈服阶段；通 过 值计算获得的损伤变量 也具有相似的变化 规律，均能用 公式进行拟合，拟合度均 。 煤层群叠加开采采动应力演化及分布特征 沙曲矿区作为近距离突出煤层群，且主采煤层 间的平均间距最大为 （图 ），为探究煤层群 多次开采条件下采动应力场和裂隙场分布规律及演 化特征，采用自主研制的相似模拟试验平台，模型铺 设及测点布置如图 所示，相似几何比 ， 相似容重比 g 。 图 原煤加卸载响应比和损伤变量随加载 应力的变化规律 图 模型铺设及测点布置 ）叠加开采下伏岩垮落演化规律。 近距离 煤层群在叠加开采条件下不同开采强度对上覆 岩层的垮落特征影响不同，具体为当工作面推 进至 时，在首采层开采条件下，基本顶再 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 次断裂，采场第 次周期来压，但此时基本顶仍 然可形成砌体梁平衡结构，如图 所示；而在下 伏煤层二次开采条件下，基本顶发生第 次周期 来压现象，下位基本顶断裂垮落，上位基本顶形 成砌体梁平衡结构，由于基本顶下沉量较大，更 高位岩层在二次采动作用下再次发生断裂现象， 如图 所示。 图 工作面推进至 时岩层垮落特征 ）叠加开采下伏岩应力分布特征。 对比首采 层和下伏煤层先后开采过程中覆岩不同层位上的 应力变化（图 ）可知初采期间，下伏煤层（ 号煤）卸压程度大于首采层（ 号煤）的卸压程度， 其最大应力降低值约是首采层的 倍；首采层开 采条件下，当工作面推进至 时开始出现应 力恢复现象，二次采动时覆岩发生应力恢复现象 有所提前，约在下伏煤层工作面推进至 处， 应力恢复现象产生后，下伏煤层开采时顶底板岩 层测线上的卸压程度仍高于首采层开采时的卸压 程度。 因此，基于叠加开采条件下伏岩垮落规律及应 力分布特征，二次采动条件下采动影响范围远大于 首次层开采条件下的影响范围，且二次采动影响区 所产生的裂隙多为破断型裂隙，而首采层开采影响 区的裂隙多为离层裂隙，二次采动条件下产生的裂 隙数量大于首采层开采影响下产生裂隙数量的 倍。 因此，叠加开采条件下所产生的采动影响并非 简单的首次层开采影响的 倍，而是产生了“ ”的影响效果。 图 工作面推进 时采动应力场变化特征 煤层群叠加开采裂隙发育及分布特征 超声波在裂隙发育的岩层中传播时波速减慢， 可用超声波传播速度来反映岩层内裂隙的发育状 态。 测点布置如图 所示，其中测线 和测线 分别为超声波监测位置。 根据首采层和下伏煤层先后开采过程中测线上 的波速变化情况（图 、图 ）可知在首采层（ 号 煤）开采过程中，测线 上的超声波波速及振幅降 低程度远大于测线 ，表明 号煤层开采时顶板岩 层裂隙发育程度远大于底板岩层。 而在下伏煤层 （ 号煤）开采过程中， 条测线上超声波波速降 低程度明显高于首采层（ 号煤）开采时的影响程 度，因此可以推断，（）号煤层开采过程中，裂隙 发育数量及张开程度均大于 号煤层开采过程的裂 隙发育数量及张开程度。 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 图 首采层（ 号煤）开挖过程中测线上波速变化 （ ） 图 下伏煤层（ 号煤）二次开采时测线上波速变化 （ ） 煤层群叠加开采瓦斯运移及富集特征 节所研究的覆岩应力场裂隙场演化规律 及分布特征表明煤层群在叠加开采条件下，极有可 能产生大裂隙或贯穿型裂隙，然而煤层间的裂隙贯 通情况对瓦斯运移及抽采参数的确定有着重要影 响。 因此，为探究近距离煤层群在叠加开采条件下 瓦斯运移规律及富集特征，采用 示踪气体标识 法对煤层间裂隙的贯穿情况及贯穿型裂隙影响程度 进行了现场试验验证。 试验地点为沙曲一矿（）号煤层 回风 巷井下第 钻场，目标煤层为（）号煤层，取样 地点为 号煤层 工作面采空区及（）号煤 层瓦斯抽采钻孔（图 ），在 工作面 个端头 和采空区底板分别布置 条测线，采用预埋管的方 式采集气体样本，如图 所示。 图 工作面层位关系示意 图 工作面采空区气体取样点布置 由于在 号煤层 工作面采空区内的各测 线上发现了 气体，表明此时 号煤层与（）号 煤层之间已产生了贯穿型裂隙；前 次取气均未发 现 气体，而在第 次取气时发现 ，表明 工作面回采到第 次取气时的位置，在 号煤层和 （）号煤层之间产生了贯穿型裂隙；分别在 测点和 测点首先检测到 气体，说明保护层 工作面后方 的位置产生了底板贯穿型裂 隙（图 、图 ）。 由沙曲一矿 采空区 时间浓度分布三 维图（图 ）可知根据 测点和 测点首先 监测到 气体的时间及此时工作面推进的距离表 明煤层间贯穿性裂隙的产生在 号煤层工作面后方 左右，随后并在其他测点（ 测点、 测 点、 测点、 测点）上也同时监测到 气体， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 表明（）号煤层间不仅产生了贯穿型裂隙，而且 在其附近也伴随着次生裂隙发育，而此时源于（ ）号煤层的 气体通过贯穿型裂隙运移至 号煤 层工作面后方 区域。 因此，根据沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条 件下采动应力演化裂隙发育瓦斯运移特征发现， 叠加开采对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单 的效果叠加，而是 “”的影响效果，因此在下 覆煤层在叠加开采下产生了贯穿型的裂隙，且在周 围衍生了大量的次生裂隙，及时为煤层瓦斯的运移 提供了优势通道。 图 沙曲一矿 采空区 浓度变化梯度三维图 沙曲矿区煤层群煤与瓦斯共采技术 为突破传统单一的采煤方法，实现多煤层立体 区域煤与瓦斯共采，笔者基于煤气共采不同阶段 的时空条件和消突要求，分区分级优选并集成了近 距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系，形成了多煤 层区域局部 级精细化煤与瓦斯共采模式，逐 级进行多煤层资源同采、区域立体化预抽及局部精 准抽采煤层气，最终保障矿井安全生产的同时，极大 释放了优质煤炭和煤层气产能。 近距离煤层群煤与瓦斯共采模式科学内涵 由于不同煤与瓦斯共采技术具有不同的煤层赋 存、地质适用性和煤储层物性特征，且受煤与瓦斯资 源开发的时空阶段及其安全生产要求的影响，为准 确优选并集成近距离煤层群煤与瓦斯共采技术模 式，须先确立煤与瓦斯共采技术的优选原则和方法。 煤气共采模式优选原则 为优选出与不同阶段的时空和安全生产条件相 匹配的煤与煤层气共采技术，须给出煤层气抽采与 煤炭开采技术的适用条件（地质条件、煤层赋存及 煤储层特征），见表 。 煤层气抽采对地质条件、煤 层赋存及煤储层特征均有要求，即当地质构造越少、 煤层间距越近、煤层含气量高且透气性较好时，多煤 层大范围长时间协同抽采效果就会越好；煤炭开采 受煤层赋存及地质条件影响较大，煤层厚度及倾角 直接决定了采煤方法，地质构造异常区的采煤方法 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 及割煤速度均要综合分析确定并进行实时调整。 依据煤与瓦斯共采的时空交替顺序，矿井井田 依次划分为规划区、准备区及生产区，三区采煤与采 气工作的时空条件和安全生产条件见表 。 规划区 的煤层气抽采基本不受时空条件限制，时间一般 年，相对较长，由于该区煤层气抽采的安全目标主要 为降低煤层突出危险性，降低的煤层瓦斯含量 取 决于原煤瓦斯含量 ，并满足 （ 为经验 系数）；准备区的煤气共采空间主要受控于采掘衔 接，时间一般为 年，该区主要为区域煤气共 采，煤层瓦斯压力 ，相应的 ； 生产区的空间主要集中于各采区的采掘空间，时间 一般为 年，为进一步减少多煤层采动应力叠加 及高能瓦斯大量涌入采掘空间所造成的瓦斯超限， 达到煤气高效共采，以满足矿井抽采达标暂行规 定中的可解吸瓦斯量 及抽采率 等指标。 表 煤与瓦斯共采技术适用条件 “ ” 项目地质条件煤层赋存煤储层特征 煤层气 开采 地质构造较少 或呈封闭型状态 近距离煤层群， 坚硬中厚煤层、 瓦斯含量、 瓦斯压力大 透气性好、 变质程度高， 易解吸 煤炭开采 地质构造分布 少，影响较小 近距离煤层群、 煤层厚度及倾角 无 表 资源开采不同阶段的时空条件及安全生产要求 区域时空条件安全生产条件 规划区空间限制较少， 年 准备区 受控于采掘衔接， （，）年 、 生产区 集中于采区各采面， （，）年 、 注、 为常数。 煤气共采模式的建立 根据既定优选原则及井上、下抽采煤层气技术 的使用条件，分别得出煤气共采不同阶段的井上下 联合防突方法（图 ），即规划区采用常规井、防突 压裂井与多分支水平井联合抽采煤层气；准备区优 先采用保护层开采定向长钻孔群立体区域化抽采 煤层气，可实现被保护层多层协同抽采，或者采用多 分支水平井井孔对接抽采定向长钻孔群立体化抽 采；生产区采用大采高沿空留巷以及大孔直径定向 钻孔群煤与煤层气高效共采。 三区煤层气抽采强度逐级递进，经过区域局 部效果检验达标，逐渐实现高突煤层在无危险情况 下进行资源安全共采，三区实现高效转化，先采气后 采煤，以采气保采煤，以采煤促采气，保障矿井安全 生产的同时，极大释放了优质煤、气资源。 图 近距离煤层群煤与瓦斯共采模式 时空转换机制 ）煤气共采的时空分布。 依据矿井煤炭开采 过程的时空接替特征，将矿区井田划分为规划区、准 备区和生产区。 以煤炭开采和瓦斯抽采工程的时间 轴和空间轴为横纵坐标轴，以规划区、准备区和生产 区作为点坐标，全面系统分析煤炭开采与瓦斯抽采 工程的时空分布及其演化特征，进而得出煤炭开采 与瓦斯抽采全过程的时空规律。 鉴于煤炭开采与瓦 斯抽采工程的多层次性和复杂性，对其进行简化，建 立了基于煤炭开采与瓦斯抽采过程直接活动的时空 坐标系（图 ）。 在规划区，主要采用常规地面钻井预抽瓦斯，其 预抽时间较长，为 年，降低煤层中游离态和吸 附态瓦斯量，为后续的采煤作业奠定基础；在准备 区，主要采用以地面钻井抽采为辅，大面积开展井下 区域预抽为主的方法治理瓦斯，保障井下巷道开拓， 依次形成采区、回采工作面，高突矿井掘进前工作面 瓦斯含量与压力等指标必须满足煤与瓦斯突出防 治规定；在生产区，由于煤层开采卸压作用，大量 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 瓦斯涌出工作面，主要采用井上下联合抽采方法来 治理瓦斯，工作面瓦斯含量与压力等指标需同时满 足抽采达标暂行规定和防突规定。 图 煤气共采的时空坐标系 ）煤气共采的时空转换机制。 基于采气与采 煤工程的时空约束分析，可得采煤与采气工程受约 束等级与指标见表 。 采煤工程在“三区”内的时间 和空间上均受到严重的制约，同时受到煤矿安全生 产容许最高瓦斯含量指标的限制；采气工程在“三 区”内的时空限制较小，在不考虑受采动作用影响的 情况下，每种抽采技术工艺均存在着极限抽采率，是 制约煤层气抽采效率的重要指标。 煤层气与煤炭高效共采就是采气与采煤的优势 互补，消除或降低系统工程的时空约束，采气与采煤 的时空协调如图 所示。 煤层气地面井开发技术 在时空协调关系中发挥着重要作用，在采煤工程及 井巷工程施工前有效地降低煤层中的瓦斯含量，为 巷道作业提供安全环境，节约因瓦斯含量高而增加 的施工费用和时间投入，消除矿井的采掘接替压力， 有效解决了采煤在空间上受到的制约，即以时间换 取空间；同时，在采气工程进入一定阶段后，采气效 率会受到严重制约，而此时通过采煤活动能够突破 抽采瓶颈，提高采气井或钻孔的采气能力，缩短采气 工程时间，即以空间换取时间。 图 采煤与采气的时空协调示意 表 煤与煤层气共采技术的时空约束特征 抽采方法 规划区约束级别准备区约束级别生产区约束级别 时间空间时间空间时间空间 临界指标 煤层气抽采一般一般一般一般一般一般瓦斯含量、压力指标；极限瓦斯抽采率 煤炭开采受限受限严重受限严重受限瓦斯含量、压力指标；极限瓦斯抽采率 近距离煤层群煤与瓦斯共采关键技术 沙曲一矿三区划分如下规划区为六采区，准备 区为四采区、前期五采区，生产区为一、二、三采区 （图 ）。 在规划区和准备区采用多分水平井常规 地面井联合抽采，其中多分支水平井分支为 个，形态呈叶脉型和混合型，井身结构为三开，从上 至下钻井直径依次为 、、 ，用于 （）号煤层及 号煤层预抽。 在规划区采取地面直井超前预抽煤层气；在准 备区采用分支水平井与井下千米钻孔对接抽采技 术，以保护层开采被保护层定向穿层钻孔群抽采， 煤层气；在生产区采用大孔径定向钻孔群立体式抽 采以沿空留巷煤与瓦斯共采技术，计划规划区、准备 区及生产区的采气时长分别为 年左右、 年、 年。 图 沙曲一矿三区划分及地面井分布 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 多分支水平井井孔对接关键技术 以沙曲一矿为例，在五采区（）号煤层 工作面及其下部 号煤层 工作面分别布置 口井（编号 、）和 口井 （），其中 为单主支井， 井带有 个分支，分支间距约 ，长度为 ， 口井主支间距约 ，分别与井下 、 采用 定向导航系统对接后接入 北翼轨道大巷抽采管路，对 工作面煤层气抽 采。 井有 个分支，长度 ，主支 与井下 钻孔对接并入北翼轨道大巷抽采干 管，用于 工作面预抽消突（图 ）。 图 工作面水平井井孔对接预抽设计 统计分析 工作面多分支水平井井孔对接 抽采及井下相同进尺的顺层钻孔抽采数据可知（图 ），在抽采前期的 ，水平井处于排采初期 瓦斯逐步解吸，日产气量小于顺层钻孔，在中后期多 分支水平井产气量显著提升至 ，抽采浓度 在 以上。 图 水平井与井下顺层钻孔抽采量对比 基于 种抽采方式下瓦斯量数据可得相应抽采 达标煤量的比值由前期的 倍提高至倍，多分 支水平井有效抽采范围较大。 保护层开采底抽巷定向钻孔群共采关键技术 在沙曲一矿二采区为例， 号煤层作为保护层 开采 共计 个工作面（图 ），在 工作面下方 号煤层底板布置 号底抽巷，巷道长 度为 ， 在巷道南北翼两帮各布置 个钻场 （ 个定向钻孔），并沿煤层走向施工上向穿层定向 钻孔群，孔径 ，孔间距 ，孔深 ，终孔高度位于分别（）、 号煤层，各覆盖这 层上下煤对应的 个工作面， 号煤本煤层采用 大孔径递进式预抽。 图 二采区保护层开采底抽巷定向钻孔群预抽设计 统计分析二采区 工作面千米钻孔与普通 穿层钻孔（图 ）抽采纯量可知千米钻孔的纯量为 ，约为普通穿层钻孔的 倍，且 图 千米钻场与普通穿层钻场抽采纯量对比 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 程志恒等近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究 以山西吕梁沙曲矿区为例 年第 期 随着工作面推进普通钻孔纯量逐渐减低，定向长钻 孔抽采量基本大于 ，与此同时，工作面日 产量由 提升至 ，增加 ，煤与煤层 气产量均得到明显增加。 大采高沿空留巷煤与瓦斯共采关键技术 为了从根本上解决工作面上隅角瓦斯超限和瓦 斯积聚问题，采用了沿空留巷煤与瓦斯共采技术，而 由于充填膏体的更新发展，沙曲二矿经历了“砌块 模斗柔模”的沿空留巷技术沿革历程，逐渐摸索出 了合理的柔模支护沿空留巷煤与瓦斯共采技术，以 沙曲二矿 工作面为例（图 ）， 工作面轨 道巷沿空留巷隔离墙混凝土强度为 ，并根 据充填材料的强度要求将沿空留巷充填墙体宽度定 为 ，采用打眼放炮的方式对开缺口护帮处理， 由于留巷宽度 ，设计跨度为 ，因此，将开缺 口宽度确定为 ，并且采用留巷内一梁四柱支护 方式实现对留巷内辅助支护。 图 大采高沿空留巷技术设计 对比分析沿空留巷与普通工作面瓦斯抽采及日 产量情况（图 ）可知，随着 工作面开采，沿空 留巷瓦斯抽采量为 ，平均值为普 通工作面的 倍；由于沿空留巷采用 型通风，上 隅角瓦斯体积分数控制在 以下，同时可回收 煤柱资源量，显著提升工作面日产量，其与普通工 作面的日产量比值高达 ，达到 。 大直径定向钻孔群煤与瓦斯共采关键技术 以沙曲一矿 工作面为例， 采用 定向钻机施工，孔径 ，在 轨道 巷开设一钻场，以目标方位角为 ，沿着 号煤顶 板向上预计爬升 到达顶板裂隙带内，平均设计 孔深为 ，从而实现顶板裂隙带瓦斯抽采；在 轨道巷钻场内，以开孔倾角为，向 号煤层 施工定向钻孔，钻孔孔径为 ，平均钻孔间距 为 ，从而实现对本煤层瓦斯区域预抽；由于 图 沿空留巷与普通工作面瓦斯抽采纯量对比 号煤层与 号煤层平均层间距为 ，因此，在 轨道巷钻场内，以目标方位角为 ，钻孔直径 为 ，平均设计孔深为 ，沿着 号煤底板 向预计施工 可达到 号煤内，从而实现对 号 煤层瓦斯预抽（图 ）。 图 工作面定向钻孔立体式瓦斯治理设计 统计分析顺层定向长钻孔与普通顺层钻孔瓦斯 抽采量可知，定向长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量 ，瓦斯体积分数为 ，分别为普通顺 层钻孔的 倍和 倍，大幅减少了顺层钻孔工 程量及封孔成本，同时，可实现采掘工作面瓦斯零超 限及邻近层达标煤量同步解放，邻近层达标煤量为 普通钻孔的 倍以上，煤气共采效益明显。 沙曲矿区煤与瓦斯共采动态评价技术体系 基于各项煤与瓦斯共采技术具有不同的时空条 件、地质适用性和消突效果，通过确立沙曲矿区煤与 瓦斯共采技术的优选原则和方法，进而准确优选出 了一系列煤与瓦斯共采技术，最后形成了近距离煤 层群煤与瓦斯共采技术模式，大幅缓解了矿井抽采 掘紧张的局面。 为对采用共采技术模式后沙曲矿区 的煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性进行评价，结 合矿井煤与瓦斯共采影响因素与专家组意见，提出了 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 近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系。 近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系 该指标体系将近距离煤层群煤与瓦斯共采动态 合理性因素归纳为地质因素、工艺技术因素和资源 采出因素 大指标。 在地质因素指标中，资源储量、 煤质评价、煤层物性对煤与瓦斯共采动态合理性影 响较大；在工艺技术因素中，共采生产规模、共采工 艺、共采设备与煤与瓦斯共采动态合理性有密切的 关系；而煤炭采出率、瓦斯抽采率从根本上决定了煤 与瓦斯是否可行。 基于此，笔者提出的近距离煤层 群煤与瓦斯共采动态合理性评价指标体系（）由 地质因素、工艺技术因素和资源采出因素等构成的 二级指标（）及其对应的三级指标（）组成，如图 所示，具体评价标准见表 。 图 近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系 表 评价标准 指标名称 指标评价标准 合理 （） 不合理 （） 资源储量 （指标 ） 瓦斯含量 瓦斯含量 煤质评价 （指标 ） 镜质组 反射率 镜质组 反射率 煤层物性 （指标 ） 透气性系数 （） 透气性系数 （） 共采生产规模 （指标 ） 煤炭年产量 万 煤炭年产量 万 共采工艺 （指标 ） 综采作业非综采作业 共采设备 （指标 ） 液压支架 等先进设备 传统支架 等设备 煤炭采出率 （指标 ） 瓦斯抽采率 （指标 ） 贝叶斯评价模型的建立 矿井生产条件复杂，不确定因素较多，在近距离 煤层群中煤与瓦斯共采作业中面临着许多生产安全、 经济等问题，因此有必要对各影响因素进行定量分 析，以确定主要影响因素。 而贝叶斯网络是将概率论 与图论组合起来的定量分析方法，能够较为直观地识 别问题的主要因素，具有较为严谨的数学一致性，适 用于近距离煤层群中煤与瓦斯共采作业的合理性动 态评价与分析。 因此，本节依据专家组的评价数据， 基于贝叶斯网络理论模型，对现阶段沙曲矿区中煤与 瓦斯共采部署合理性进行了评价分析。 根据评价指 标模型在 软件中建立贝叶斯网络模型（在未开 始评价之前，将底层指标的合理性概率均设为 ）， 如图 所示。 同时，专家组根据各指标因素的合理 性（ ）评价造成上层事件合理的概率 （ ），构建贝叶斯网络所需要的条件概率表，见表 。 图 贝叶斯网络评价模型 将表 代入贝叶斯网络评价模型，得到完整的 煤与瓦斯共采动态合理性评价模型，如图 所示。 模型构建完成后，可通过更改底层评价指标概 率向前推进，得到煤与瓦斯共采动态合理状态的概 率，即 （）。 评价煤与瓦斯共采动态合理 性可