巖層移動(dòng)理論在煤層氣抽采技術(shù)中的應(yīng)用研究

胡炳南

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)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(xiǎn)煤層為低瓦斯無(wú)突出危險(xiǎn)煤層;其次是解決礦井僅靠通風(fēng)難以解決的難題，降低礦井通風(fēng)成本，使工作面風(fēng)流中(進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、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(hù)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(yù)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(hù)層來(lái)進(jìn)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(jì)與巖層移動(dòng)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(dòng)規(guī)律在煤層氣抽采技術(shù)中的應(yīng)用問(wèn)題。

1 巖層移動(dòng)變形破壞時(shí)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(dòng)影響程度主要指覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)育程度。劉天泉院士等對(duì)我國(guó)煤礦覆巖破壞分布做了大量實(shí)測(cè)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(zhǎng)壁工作面開采后覆巖內(nèi)部破壞特征分區(qū)

長(zhǎng)壁垮落法從開切眼開始推進(jìn)后，直接頂板由于覆巖重力超過(guò)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(shí)的導(dǎo)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(jìn)，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(yán)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(dǎo)水裂縫帶的頂點(diǎn)，此時(shí)稱為不充分開采;當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)展到最大高度，此時(shí)為臨界開采;當(dāng)推進(jìn)長(zhǎng)度繼續(xù)增大時(shí)導(dǎo)水裂縫帶的高度不再向上發(fā)育，此時(shí)達(dá)到充分開采。

從極不充分開采到臨界開采過(guò)程中，裂縫帶高度不斷增加并達(dá)到最大值。在回采工作面達(dá)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(yán)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(yán)重;遠(yuǎn)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(gè)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(shí)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(gè)馬鞍形。其特點(diǎn)是:采空區(qū)四周邊界上方的破壞范圍略高，其最高點(diǎn)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(dòng)變形特征

地表采動(dòng)影響程度主要指地表下沉W和水平變形ε的影響程度。

對(duì)于中硬覆巖來(lái)說(shuō)，采寬(L)采深(H)比值為0～0.3時(shí)，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(shí)，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(dòng);采寬采深比值等于1.2時(shí)，地表最終最大下沉值達(dá)到極限值，此時(shí)叫臨界開采;采寬采深比值大于1.2時(shí)，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(shí)叫充分采動(dòng)。充分開采時(shí)，在地表下沉盆地中部出現(xiàn)了平底的無(wú)變形區(qū)，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)地表下沉與超前影響范圍

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

圖3為充分采動(dòng)時(shí)下沉W和水平變形ε曲線。地表下沉盆地拐點(diǎn)外邊緣為拉伸變形區(qū)，地表下沉盆地拐點(diǎn)內(nèi)邊緣為壓縮變形區(qū)。拐點(diǎn)為零水平變形點(diǎn)，盆地中部為無(wú)變形區(qū)。因此，整個(gè)剖面內(nèi)存在3個(gè)零水平變形點(diǎn) (區(qū))。

圖3 地表下沉和地表水平變形曲線與最終采動(dòng)范圍

1.3 巖層移動(dòng)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(duì)于堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱頂板或互層時(shí)，厚煤層分層開采垮落帶高度的計(jì)算公式見表1;對(duì)于單一中厚煤層和厚煤層分層開采時(shí)，不同上覆巖層的裂縫帶高度的計(jì)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(jì)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(jì)算公式 m

1.3.2 地表移動(dòng)變形最大值

工作面采動(dòng)影響達(dá)到穩(wěn)定后的最終地表移動(dòng)變形值叫靜態(tài)地表移動(dòng)變形值。地表移動(dòng)變形主要包括:下沉W、水平移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)變形計(jì)算參數(shù)，根據(jù)式 (1－5)計(jì)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(dòng)系數(shù)b和主要影響角正切tanβ。

1.3.3 地表移動(dòng)范圍和地表移動(dòng)期參數(shù)

超前影響角ω 工作面推進(jìn)過(guò)程中，充分采動(dòng)后，走向方向主斷面上，位于工作面前方地表下沉10mm點(diǎn)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(diǎn)與開采工作面位置的水平距離稱為超前影響距。長(zhǎng)壁開采時(shí)的超前影響距取決于覆巖厚度、巖層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等因素。超前影響角主要與覆巖綜合強(qiáng)度相關(guān)。

邊界角δ0邊界角是充分采動(dòng)條件下，地表下沉10mm點(diǎn)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(qiáng)度等因素。覆巖松軟時(shí)，邊界角較小;覆巖堅(jiān)硬時(shí)，邊界角較大。地層綜合邊界角一般為45～65°。

地表移動(dòng)期T 地下開采引起的地表移動(dòng)具有明顯的時(shí)間性。地表移動(dòng)觀測(cè)表明，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)一定距離之后，巖層移動(dòng)首先從其頂板開始，由下往上發(fā)展。當(dāng)開采寬度達(dá)到一定值時(shí)，巖層移動(dòng)開始波及地表，并且漸漸擴(kuò)展。待開采結(jié)束一段時(shí)間后采動(dòng)影響趨于穩(wěn)定。對(duì)于地表移動(dòng)期，我國(guó)《煤礦測(cè)量規(guī)程》規(guī)定，地表的移動(dòng)可分為幾個(gè)過(guò)程，即初始期、活躍期和衰退期。從地表最大下沉點(diǎn)累計(jì)下沉W=10mm時(shí)算起到地表下沉速度每月達(dá)50mm(V≤1.7mm/d)止，這段時(shí)間稱初始期;把下沉速度超過(guò)每月50mm(V＞1.7mm/d)的時(shí)間稱為活躍期;從活躍期后到連續(xù)6個(gè)月觀測(cè)下沉小于30mm的這段時(shí)間稱為衰退期。在3個(gè)時(shí)期中，初始期是開始采動(dòng)影響的啟動(dòng)，活躍期是對(duì)覆巖和地表破壞最為嚴(yán)重的時(shí)期，衰退期一般延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但對(duì)覆巖和地表破壞增加不大。長(zhǎng)壁開采時(shí)的地表移動(dòng)期與覆巖厚度、巖層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等因素有關(guān)。覆巖厚度越大，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。若尚無(wú)觀測(cè)資料，地表移動(dòng)期T可根據(jù)工作面平均開采深度H0按照式(6)計(jì)算。

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

2 煤層氣抽采主要技術(shù)方法與巖層移動(dòng)關(guān)系分析

我國(guó)煤儲(chǔ)層的滲透率普遍較低。當(dāng)煤層開采后，由于巖層移動(dòng)導(dǎo)致巖層應(yīng)力場(chǎng)與裂隙場(chǎng)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(yùn)移和開采創(chuàng)造了條件。因而，巖層移動(dòng)變形和破壞規(guī)律對(duì)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(dǎo)作用。我國(guó)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(hù)層抽采。

2.1 地面鉆井設(shè)計(jì)與巖層移動(dòng)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(guó)晉城礦區(qū)、淮北礦區(qū)和淮南礦區(qū)，都成功地進(jìn)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(dòng)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(dòng)造成的鉆井閉合。

地面鉆井，既要利用采動(dòng)影響中的垮落通道來(lái)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(shí)，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(jì)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(jì)時(shí)，可借鑒圖3中的巖層移動(dòng)規(guī)律，避免把鉆井布置在拉壓變形嚴(yán)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(diǎn)附近和盆地中間位置。

2.2 井下高抽巷道布置與巖層移動(dòng)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(dòng)區(qū)的巷道。采動(dòng)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(guò)預(yù)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(dāng)位置砌三道密閉墻，并安裝抽放管、放水管和觀測(cè)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(yán)重垮塌保持其運(yùn)移煤層氣功效?？筛鶕?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(jìn)方向布置，在平面方向可沿工作面中心線或者稍靠上風(fēng)巷一側(cè) (考慮瓦斯氣體上移特點(diǎn))掘進(jìn)，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(hù)層選擇與巖層移動(dòng)間關(guān)系

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

開采下保護(hù)層時(shí)，既不能讓采動(dòng)引起的垮落帶進(jìn)入被保護(hù)層而破壞被保護(hù)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(hù)層應(yīng)在裂縫帶和整體移動(dòng)帶分界線附近。

3 煤層氣抽采設(shè)計(jì)原則探析

3.1 地面鉆井設(shè)計(jì)原則

根據(jù)巖層移動(dòng)、變形和破壞規(guī)律，地面鉆井設(shè)計(jì)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(gè)鉆井布置在靜態(tài)水平變形零位置的拐點(diǎn) (S1，S2，S3和S4分別為不同方向的拐點(diǎn)移動(dòng)距)上，1個(gè)鉆井布置在工作面中心;在立面上，把井底設(shè)計(jì)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(jìn)入了工作面四周的導(dǎo)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(fēng)巷側(cè)，在立面上布置在垮落帶外的裂縫帶內(nèi)。

3.3 保護(hù)層選擇原則

井下保護(hù)層選擇原則:選擇保護(hù)層開采時(shí)，被保護(hù)層應(yīng)位于保護(hù)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(dòng)變形分布特征、采動(dòng)覆巖垮落帶高度、裂縫帶高度和地表移動(dòng)變形最大值計(jì)算以及采動(dòng)區(qū)時(shí)空范圍界定參數(shù)。

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

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

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