回采工作面上方煤層氣地面抽采直井移動(dòng)與變形分析

張華興，劉修源

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013;3.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦開(kāi)采損害技術(shù)鑒定委員會(huì)，北京100013)

煤層氣 (瓦斯)是賦存于煤層及鄰近巖層中的非常規(guī)天然氣，是與煤炭共伴生的一種能源資源。煤層開(kāi)采前對(duì)煤層氣進(jìn)行抽采，既有利于開(kāi)發(fā)煤層氣，又可降低煤層中煤層氣的含量和壓力，進(jìn)而降低煤層開(kāi)采時(shí)瓦斯 (煤層氣)災(zāi)害的威脅程度，有利于煤層的安全開(kāi)采;煤層的開(kāi)采同時(shí)也大大地有利于煤層氣的解吸和運(yùn)移，更便于抽采。因此，在煤層開(kāi)采前在回采工作面上方地面布置煤層氣抽采直井，用于煤層開(kāi)采前、中、后對(duì)煤炭開(kāi)采所涉及范圍內(nèi)的煤層氣進(jìn)行抽采，做到一井在煤層開(kāi)采前、中、后的三用。但是，煤層開(kāi)采后，由于煤層上覆巖層 (地層)的移動(dòng)與變形，處于上覆巖層 (地層)中的煤層氣抽采井必將受到損害，不利于實(shí)現(xiàn)“一井三用”。本文從煤層被開(kāi)采后上覆巖層 (地層)的移動(dòng)變形規(guī)律和破壞規(guī)律的角度，對(duì)地面直井在采動(dòng)過(guò)程中的移動(dòng)與變形進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，來(lái)探討解決這一問(wèn)題的技術(shù)途徑。

1 回采工作面上覆巖層 (地層)移動(dòng)與破壞的一般規(guī)律

煤層開(kāi)采后，從煤層的頂板直到地表各巖層(地層)從下向上最終分別形成垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和整體彎曲帶。垮落帶中一般越處于下層的垮落巖石越破碎，越顯不規(guī)則性;處于垮落帶頂部的巖層，如果較厚、較堅(jiān)硬，往往形成斷裂的巖梁狀。長(zhǎng)壁回采工作面采空區(qū)四周 (上下巷及切眼和停采線)的內(nèi)側(cè)上覆巖層中的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最高(呈環(huán)形狀)，中間部位相對(duì)較低，沿走向與傾向剖面上，導(dǎo)水裂縫帶上部外廓呈馬鞍形，馬鞍形的兩峰附近，裂縫較發(fā)育;馬鞍形的中部因巖層垮落下沉殘留的裂縫較少，連通性也較差。處于上巷附近的裂縫是該工作面上覆巖層中裂縫帶發(fā)育最高的部位，距離地表最近。

上覆巖層的結(jié)構(gòu)不同影響著垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。一般而言，軟弱破碎巖層垮落、破壞、變形和移動(dòng)活動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度相對(duì)較小。上覆巖層中堅(jiān)硬而單層厚度大的巖層對(duì)整個(gè)上覆巖層的沉降移動(dòng)起著很大的影響，有的甚至是嚴(yán)重影響。相鄰的兩巖層之間巖性相差較大，如果堅(jiān)硬的巖層在下，則上面的軟弱巖層的沉降受到堅(jiān)硬巖層的阻擋;如果堅(jiān)硬巖層在上，則由于兩層的沉降移動(dòng)速度 (難易程度)的不一樣，而產(chǎn)生巖層之間的錯(cuò)動(dòng)和離層。

工作面回采后，采空區(qū)的直接頂會(huì)及時(shí)垮落，但在上下巷和開(kāi)切眼與停采線靠近未采區(qū)邊緣的頂板垮落往往較難、較慢，易呈懸壁狀，在采空區(qū)四周邊緣易形成一定的空洞、空隙，同時(shí)處在這些部位的煤層直接底形成低應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生一些裂縫。由環(huán)形低應(yīng)力裂隙區(qū)、冒落空洞裂隙區(qū)和垮落、導(dǎo)水裂隙區(qū)構(gòu)成了如圖1所示的環(huán)全回采工作面內(nèi)圈的空隙、裂隙環(huán)形圈，這個(gè)圈內(nèi)易于煤層氣的運(yùn)移并形成煤層氣的儲(chǔ)存。

圖1 長(zhǎng)壁回采工作面 (傾斜剖面)采空區(qū)空隙裂隙環(huán)形圈位置示意

隨著煤層開(kāi)采后時(shí)間的延續(xù)，采空區(qū)上覆巖層(地層)不斷下沉壓實(shí)，采空區(qū)上覆巖層中的空洞與裂隙、離層帶會(huì)逐漸變得越來(lái)越小，連通性越來(lái)越差，這一過(guò)程稱(chēng)之為地表移動(dòng)的穩(wěn)定過(guò)程;上覆巖層的巖性越軟，這一過(guò)程所需用的時(shí)間越短，越是堅(jiān)硬的巖層所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

地面直井中處于巖性相差很大的兩巖層之間位置處，由于兩巖層的沉降和移動(dòng)的速度和量值都有較大差異，使直井在該處易發(fā)生破壞 (如松散層與基巖交界處，堅(jiān)硬巖層與軟弱巖層交界處等)。

2 回采工作面地表移動(dòng)一般規(guī)律

煤層開(kāi)采后，煤層的上覆巖層 (地層)在自重和應(yīng)力的作用下，會(huì)發(fā)生垮落、變形、移動(dòng)與沉降，直到地表，最終在地表形成下沉盆地。

描述地表下沉盆地內(nèi)各點(diǎn)的移動(dòng)與變形量值主要有下沉 (W)、水平移動(dòng) (U)、傾斜 (i)、水平變形 (ε)和曲率 (k)等，而描述下沉盆地及狀態(tài)的角量參數(shù)有:移動(dòng)角、邊界角、充分采動(dòng)角、超前影響角和最大下沉速度滯后角等。地表下沉盆地各區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的移動(dòng)與變形量值及移動(dòng)與變形過(guò)程各不相同。圖2為長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采后傾斜方向地表移動(dòng)與變形分區(qū)示意圖。回采工作面采煤結(jié)束一定時(shí)間后，上覆巖層和地表的移動(dòng)和變形趨于穩(wěn)定，在下沉盆地中央?yún)^(qū)域 (圖2所示的CDNM范圍)，地表及巖層 (地層)內(nèi)各點(diǎn)的移動(dòng)主要表現(xiàn)為下沉，若相鄰兩巖層的巖性相差較大，在上層的巖層厚而硬時(shí)，兩巖層下沉速度不同易發(fā)生離層現(xiàn)象。而其他區(qū)域 (圖2所示的AMC和FND區(qū)域)內(nèi)地表及巖層 (地層)中各點(diǎn)在下沉的同時(shí)還有一個(gè)指向回采工作面中心的水平移動(dòng)，在拐點(diǎn)移動(dòng)傳播剖面 (圖2所示的BM和EN剖面)上水平移動(dòng)值最大。由于各點(diǎn)向采空區(qū)移動(dòng)量值不同，在移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū) (圖2所示的AMB和FNE區(qū)域)巖體橫向承受拉伸變形，而內(nèi)邊緣區(qū) (圖2所示的BMC和END區(qū)域)巖體橫向承受壓縮變形。

圖2 長(zhǎng)壁回采工作面采煤后傾斜方向地表移動(dòng)與變形分區(qū)示意

上面所述的是地表移動(dòng)穩(wěn)定后，回采工作面傾斜方向地表及巖層 (地層)的移動(dòng)與變形狀態(tài)。工作面回采有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，受到回采工作面不斷前進(jìn)的影響，地表及上覆巖層 (地層)各點(diǎn)所處位置的不同，其移動(dòng)過(guò)程 (下沉軌跡)也是不一樣的。如圖3所示，A點(diǎn)為回采工作面開(kāi)始位置(切眼)，工作面推進(jìn)一定距離后 (移動(dòng)起始距，一般為 (0.25～0.5)H，H為平均采深)，繼續(xù)推進(jìn)，達(dá)到充分采動(dòng)距 (充分采動(dòng)距為0.9～2.2H)。上覆巖層的垮落沉降才傳播到地表，地表開(kāi)始移動(dòng)。從盆地邊緣X點(diǎn)至起始距中心S點(diǎn)范圍內(nèi)的地表及上覆巖層 (地層)移動(dòng)表現(xiàn)為下沉和向工作面推進(jìn)方向的水平移動(dòng) (其下沉移動(dòng)軌跡如圖3所示地表點(diǎn)L);從起始距中心S點(diǎn)至下沉最大點(diǎn)F(盆地最大下沉邊緣點(diǎn))范圍內(nèi)的地表及上覆巖層 (地層)移動(dòng)除下沉外，水平移動(dòng)表現(xiàn)為初期向切眼位置的移動(dòng)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，逐漸轉(zhuǎn)向朝工作面推進(jìn)方向的移動(dòng) (其下沉移動(dòng)軌跡如圖3所示地表點(diǎn)M);在最大下沉區(qū)域 (下沉盆地中央平底區(qū)，圖3中央F～G范圍)，水平移動(dòng)表現(xiàn)為初期向切眼位置的移動(dòng)，隨著工作面的推進(jìn)而逐漸減小，最后回到原垂直線位置 (其下沉移動(dòng)軌跡如圖3所示地表點(diǎn)N)，最終表現(xiàn)為只有沉降而無(wú)水平移動(dòng);從最大下沉點(diǎn)至停采線拐點(diǎn)范圍(停采線側(cè)的內(nèi)邊緣區(qū)，圖3中G～P范圍)，水平移動(dòng)盡管均向切眼位置移動(dòng)，但后期有減少的量值(其下沉軌跡如圖3中所示的地表點(diǎn)O);而停采線側(cè)的外邊緣區(qū)水平移動(dòng)只表現(xiàn)為向切眼位置的移動(dòng)(其下沉軌跡如圖3中所示的地表點(diǎn)Q)。

圖3 回采過(guò)程中各區(qū)域地表和上覆巖層 (地層)中各點(diǎn)的下沉及移動(dòng)軌跡示意

一般而言，回采工作面推進(jìn)過(guò)程中地表及上覆巖層 (地層)中各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)和變形總是小于回采結(jié)束后地表及上覆巖層 (地層)中最終穩(wěn)定的靜態(tài)移動(dòng)與變形最大值，非充分采動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)移動(dòng)和變形值總是小于充分采動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)移動(dòng)和變形值?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)速度越快，動(dòng)態(tài)移動(dòng)和變形值與靜態(tài)最大移動(dòng)與變形值的比值越接近于1。

3 煤層開(kāi)采所形成的空間移動(dòng)與變形分區(qū)

在采動(dòng)過(guò)程中處在不同移動(dòng)和變形區(qū)域的煤層氣地面抽采直井所在位置承受的損害是不一樣的。抽采直井由于孔徑相對(duì)較小，對(duì)其影響較大的是變形量值，上覆巖層 (地層)除橫向變形外，由于沉降的不同，還將承受垂向變形，其變形的狀態(tài)與規(guī)律與橫向不同。

為說(shuō)明問(wèn)題，利用MKD地表移動(dòng)計(jì)算軟件，針對(duì)常規(guī)開(kāi)采條件 (走向充分采動(dòng)、傾向非充分采動(dòng))，選取常規(guī)的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行了工作面開(kāi)采影響的巖體移動(dòng)與變形計(jì)算。采用的地質(zhì)采礦條件設(shè)定為工作面走向長(zhǎng)500m，傾斜長(zhǎng)160m，采深180m，煤層采厚為4m，傾角10°;選取的計(jì)算參數(shù)為下沉系數(shù)0.7，主要影響角正切為2.0，水平移動(dòng)系數(shù)為0.3，拐點(diǎn)移動(dòng)距為0.1H，開(kāi)采影響傳播角為85°，巖體內(nèi)部傳播系數(shù)為1。根據(jù)巖體內(nèi)部移動(dòng)與變形計(jì)算結(jié)果，繪制了傾向主剖面和走向主剖面橫向變形等值線圖和垂直變形等值線圖。

3.1 橫向變形空間分區(qū)

由傾向和走向兩個(gè)主剖面的橫向變形等值線圖可知 (圖4和圖5)，巖體內(nèi)部橫向變形以拐點(diǎn)移動(dòng)的傳播線為界，在外側(cè)為拉伸變形，內(nèi)側(cè)為壓縮變形，最大值基本位于地表;在走向主斷面上，橫向變形基本呈對(duì)稱(chēng)分布，而在傾向主斷面上，由于傾角的作用，上山方向的變形范圍略小于下山方向;而在縱向上，越接近煤層開(kāi)采位置，其變形相對(duì)較集中;在采空區(qū)中央上部，橫向變形接近零。

圖4 回采工作面傾向主剖面橫向變形等值線

圖5 回采工作面走向主剖面橫向變形等值線

3.2 垂向變形空間分區(qū)

由傾向和走向兩個(gè)主剖面的垂向變形等值線圖可知 (圖6和圖7)，巖體內(nèi)部垂向變形同樣以拐點(diǎn)移動(dòng)的傳播線為界，但在外側(cè)為壓縮變形，內(nèi)側(cè)為拉伸變形，最大值位于開(kāi)采煤層上方一定范圍，而非地表;在走向主斷面上，垂向變形也呈對(duì)稱(chēng)分布，而在傾向主斷面上，由于傾角的作用，上山方向的變形范圍略小于下山方向;而在縱向上，越接近煤層開(kāi)采位置，其變形相對(duì)較為集中;在采空區(qū)中央上部，垂向變形同樣接近于零。

圖6 回采工作面傾向主剖面垂向變形等值線

圖7 回采工作面走向主剖面垂向變形等值線

3.3 變形量值的時(shí)間過(guò)程

由于巖體內(nèi)部的移動(dòng)經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間過(guò)程，對(duì)于不同點(diǎn)而言，其不同方向的變形過(guò)程是不相同的。沿煤層切眼方向，其 (傾向)變形隨工作面的推進(jìn)，其量值是逐漸增加的。而沿煤層推進(jìn)方向，由于不同時(shí)間各點(diǎn)與工作面的相對(duì)位置是變化的，因此，其量值也是變化的，且區(qū)域不同變化的方式也不同。在開(kāi)切眼外側(cè)與停采線外側(cè) (圖2所示的外邊緣區(qū))，無(wú)論是橫向變形與垂向變形其量值是逐漸增加的過(guò)程，橫向變形為拉伸變形，而垂向變形為壓縮變形。而在開(kāi)切眼內(nèi)側(cè) (圖3所示內(nèi)邊緣區(qū))橫向變形經(jīng)歷拉伸由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s，壓縮變形再由小到大、(部分區(qū)域)由大到小的過(guò)程;垂向變形經(jīng)歷壓縮由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔欤熳冃卧儆尚〉酱蟆?部分區(qū)域)由大到小的過(guò)程，在中央?yún)^(qū)域最終趨向于終值 (或?yàn)榱?。而在停采線內(nèi)側(cè)(圖3所示內(nèi)邊緣區(qū))橫向變形經(jīng)歷拉伸由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s，壓縮變形再由小到大的過(guò)程;垂向變形經(jīng)歷壓縮由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，拉伸變形再由小到大的過(guò)程。

由于變形計(jì)算方法的適用條件，盡管計(jì)算結(jié)果部分區(qū)域 (如垮落帶區(qū)域)并不反映實(shí)際變形狀況，但基本可說(shuō)明巖體變形的整個(gè)狀態(tài)。

4 抽采直井位置的選擇

抽采直井位置的選擇需考慮以下2個(gè)方面:一是對(duì)煤層氣抽采有利;二是盡量減少開(kāi)采過(guò)程中遭受的損害。

根據(jù)煤礦開(kāi)采上覆巖層 (地層)的破壞特點(diǎn)，在采空區(qū)四周發(fā)育的導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶和底板裂縫帶構(gòu)成的空隙、裂隙環(huán)形圈及由于相鄰巖層的巖性差異較大致使巖層的沉降速度不同而形成的離層帶，都是殘留煤層氣 (瓦斯)儲(chǔ)存的場(chǎng)所。因此，直井的平面位置應(yīng)考慮能夠達(dá)到這些空間區(qū)域，從而有利于煤層氣的抽采。

為減少開(kāi)采對(duì)抽采直井的損害，其位置最好選在橫向變形和垂向變形均相對(duì)較小的位置，依據(jù)對(duì)開(kāi)采過(guò)程中橫向變形與垂向變形分區(qū)計(jì)算結(jié)果及時(shí)間過(guò)程，抽采直井可依據(jù)以下方式選取:

(1)最佳位置應(yīng)是工作面4個(gè)拐點(diǎn)線相交位置，且直井采用按開(kāi)采影響傳播角方向布置斜井(圖2所示的BM和EN線)。由于在停采線側(cè)所經(jīng)歷的過(guò)程，盡管最終變形較小，但中間過(guò)程中變形相對(duì)要大一些，最佳位置是開(kāi)切眼處的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)位置的垮落高度也相對(duì)較大、壓實(shí)程度相對(duì)較低，也是適于采后采空區(qū)的煤層氣抽采。

(2)對(duì)于工作面其他位置，抽采直井最好布置在上下巷的拐點(diǎn)位置，盡管在 (水平方向)走向要經(jīng)歷一個(gè)變形過(guò)程，至少傾向方向的橫向變形和垂向變形相對(duì)較小，且經(jīng)歷的動(dòng)態(tài)變形要小于最終值。屬于拐點(diǎn)位置，同樣是垮落高度相對(duì)較大、壓實(shí)程度相對(duì)較低的區(qū)域，有利于煤層氣抽采。

(3)直井布置應(yīng)避開(kāi)變形最大位置，從地表變形的角度應(yīng)是0.4R(R為主要影響半徑，開(kāi)采影響范圍一般為開(kāi)采邊界外1.5R)處;由于開(kāi)采影響非直線傳播，因此，其位置在傾向必須考慮影響傳播方向。

由于直井的影響除變形外，還受到巖性條件、移動(dòng)量值等的影響，以上原則只針對(duì)變形而言。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽氣井的保護(hù)涉及結(jié)構(gòu)、巖性、地層條件及開(kāi)采破壞程度等多方面的影響，本文僅從開(kāi)采影響變形的角度分析了有利于抽氣井保護(hù)的位置選擇原則，從而為抽氣井位置設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［2］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［4］鄒友峰.條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)及其地表沉陷預(yù)計(jì)的三維層狀介質(zhì)理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.