基于擾動(dòng)工藝的瓦斯抽采地質(zhì)單元區(qū)劃研究

宋志敏　馬鳳蘭　李　冰　任建剛

（1.河南工程學(xué)院　資源環(huán)境學(xué)院，河南　鄭州　451191；2.鄭州市安全生產(chǎn)教育中心，河南　鄭州　450006；3.鄭州市礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南　鄭州　451191）

?

基于擾動(dòng)工藝的瓦斯抽采地質(zhì)單元區(qū)劃研究

宋志敏1，2，3馬鳳蘭2李冰1，3任建剛1，3

（1.河南工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，河南鄭州451191；2.鄭州市安全生產(chǎn)教育中心，河南鄭州450006；3.鄭州市礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州451191）

摘要：我國含煤盆地形成后經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造，礦井構(gòu)造組合、瓦斯含量分布、煤體結(jié)構(gòu)展布、頂?shù)装鍘r層富水性分布等呈現(xiàn)出復(fù)雜化、非均質(zhì)化、差異化等顯著特征。從瓦斯抽采工程地質(zhì)新角度出發(fā)，結(jié)合井下瓦斯抽采實(shí)施擾動(dòng)工藝的迫切需要，開展了基于擾動(dòng)工藝的瓦斯抽采地質(zhì)單元區(qū)劃研究，提出了科學(xué)劃分出三級瓦斯抽采地質(zhì)單元原則，初步形成了一套方便工程實(shí)踐瓦斯抽采地質(zhì)單元評價(jià)指標(biāo)體系，為擾動(dòng)工藝和瓦斯抽采工程的實(shí)施提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦井構(gòu)造；煤體結(jié)構(gòu)；頂?shù)装鍘r性；瓦斯抽采地質(zhì)單元；評價(jià)指標(biāo)體系

隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的逐年增加，瓦斯災(zāi)害的防治難度也越來越大?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》頒布以來，我國煤礦在高瓦斯/突出煤層開采前和開采中實(shí)施了大量的瓦斯抽采工程，在很大程度上減輕了瓦斯災(zāi)害。然而，目前仍存在抽采不均衡、抽采效率低、盲目施工等問題，還不能消除瓦斯災(zāi)害。隨著開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，瓦斯賦存地質(zhì)條件更加復(fù)雜，瓦斯隱患更趨嚴(yán)重。究其原因，除了抽采工程技術(shù)方面的問題外，更是缺乏行之有效的用于指導(dǎo)瓦斯抽采工作的基礎(chǔ)地質(zhì)理論。我國主采煤層形成后經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，瓦斯賦存、運(yùn)移地質(zhì)條件復(fù)雜［1-4］，各種形式的煤層擾動(dòng)技術(shù)在工程應(yīng)用中與復(fù)雜多變的地質(zhì)條件存在不配套、不適用等問題。因此，開展基于擾動(dòng)工藝的瓦斯抽采地質(zhì)區(qū)劃研究，較準(zhǔn)確地分析礦井構(gòu)造組合型式、煤體結(jié)構(gòu)展布及其頂?shù)装鍘r性富水性等的分布規(guī)律，進(jìn)一步查明擾動(dòng)工藝需要的煤巖物性參數(shù)，科學(xué)劃分瓦斯抽采地質(zhì)單元及構(gòu)建一套瓦斯抽采地質(zhì)單元評價(jià)指標(biāo)體系，對解決地質(zhì)不精細(xì)、保障不力等問題，指導(dǎo)瓦斯抽采工程部署，優(yōu)化瓦斯抽采工藝設(shè)計(jì)，提高瓦斯抽采效果，實(shí)現(xiàn)煤氣共采的瓦斯綜合治理目標(biāo)具有重大的意義［5-7］。

1　瓦斯抽采地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h2>

瓦斯抽采不但能解決煤礦生產(chǎn)過程中瓦斯災(zāi)害，還可以保護(hù)環(huán)境，又能從一定程度上緩解能源需求壓力。由于我國含煤地層形成后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造，瓦斯抽采地質(zhì)特征呈現(xiàn)出礦井構(gòu)造復(fù)雜化、煤體結(jié)構(gòu)展布多樣化、頂?shù)装鍘r層非均勻化、瓦斯含量分布差異化等特點(diǎn)，根據(jù)井下瓦斯抽采實(shí)施擾動(dòng)工藝的需要，依據(jù)采掘部署、礦井構(gòu)造、瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和煤體結(jié)構(gòu)組合等因素，科學(xué)劃分瓦斯抽采地質(zhì)單元。

影響瓦斯抽采地質(zhì)單元?jiǎng)澐值囊蛩剌^多，有生產(chǎn)和工藝因素，如采掘部署、擾動(dòng)工藝；有地質(zhì)因素，如地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量、水文地質(zhì)條件、煤體結(jié)構(gòu)以及煤巖體物性等。在進(jìn)行瓦斯抽采地質(zhì)單元?jiǎng)澐謺r(shí)，地質(zhì)因素仍然是第一要素。因此，采用以地質(zhì)因素為主，生產(chǎn)因素為輔的劃分原則進(jìn)行瓦斯抽采地質(zhì)單元的劃分［8］。

（1）總體考慮研究區(qū)實(shí)際生產(chǎn)部署的基礎(chǔ)上，分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)因素及生產(chǎn)因素劃分出規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)。

（2）在規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，以瓦斯含量6m3/t為界限，劃分出一級瓦斯抽采地質(zhì)單元，即抽采區(qū)和非抽采區(qū)。

（3）抽采區(qū)分為井上（地面）抽采區(qū)和井下抽采區(qū)。井下抽采區(qū)可依據(jù)煤體結(jié)構(gòu)f值、衰減系數(shù)、透氣性系數(shù)、百米極限抽放量及含氣量等評價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)值，劃分出二級瓦斯抽采地質(zhì)單元，即可抽性好與可抽性差區(qū)域。

（4）在二級瓦斯抽采地質(zhì)單元可抽性差區(qū)域內(nèi)劃分三級瓦斯抽采地質(zhì)單元。依據(jù)煤層穩(wěn)定性、構(gòu)造條件、煤體結(jié)構(gòu)、水敏性及頂?shù)装鍘r性等指標(biāo)的指標(biāo)值，劃分三級瓦斯抽采地質(zhì)單元，即擾動(dòng)工藝優(yōu)選區(qū)。

（5）在三級瓦斯抽采地質(zhì)單元內(nèi)優(yōu)選強(qiáng)化層擾動(dòng)工藝，即壓裂、沖孔、沖壓一體。

2　瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系

煤層的沉積、改造、定型和瓦斯的生成、運(yùn)移、儲集是特定地質(zhì)空間和時(shí)間內(nèi)各種地質(zhì)作用和外部環(huán)境相互作用、聯(lián)系的復(fù)雜地質(zhì)體，最終地質(zhì)體內(nèi)保存的地質(zhì)參數(shù)可以反映煤層和瓦斯的地質(zhì)特征。這些地質(zhì)參數(shù)既有確定性的一面，也有模糊性的一面；即具有一定的獨(dú)立性，又具有一定的關(guān)聯(lián)性，有些參數(shù)能夠表達(dá)煤層或瓦斯的某種特征，也可以從某個(gè)地質(zhì)參數(shù)反映另一個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律。因此，依據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)、采用定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的思想構(gòu)建瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系。

2.1指標(biāo)體系構(gòu)建的原則

瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系是在一定原則基礎(chǔ)上的綜合各類關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)構(gòu)建的有機(jī)集合體。為了保證所構(gòu)建的指標(biāo)體系能夠準(zhǔn)確表征煤層的瓦斯抽采地質(zhì)特征，在指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)遵循以下幾個(gè)原則。

2.1.1系統(tǒng)性。煤與瓦斯是一個(gè)同生共儲的復(fù)雜的特殊地質(zhì)體。從系統(tǒng)描述一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)體的角度出發(fā)，遴選出能夠代表系統(tǒng)儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物性特征的參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)。

2.1.2層次性。從儲層宏觀描述到微觀參數(shù)測定，從地質(zhì)體整體構(gòu)造型式到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分不同層次對瓦斯抽采地質(zhì)特性進(jìn)行表征。

2.1.3科學(xué)性。各單項(xiàng)指標(biāo)的相互關(guān)系明確，內(nèi)涵明晰，能夠反映瓦斯抽采擾動(dòng)層的主要地質(zhì)背景特征和擾動(dòng)工藝實(shí)施所需要的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.1.4實(shí)用性。指標(biāo)體系建立后，要在相關(guān)研究區(qū)推廣應(yīng)用，必須兼顧生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際和瓦斯抽采的需要，在實(shí)際應(yīng)用中考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性和評價(jià)的可操作性。

2.2指標(biāo)體系構(gòu)建的思路

在對瓦斯抽采地質(zhì)綜合分析的基礎(chǔ)上，以三級瓦斯抽采地質(zhì)單元為評價(jià)區(qū)塊，以水力擾動(dòng)層為評價(jià)層，以實(shí)測瓦斯抽采地質(zhì)背景參數(shù)及煤巖層物性參數(shù)為基礎(chǔ)，提取能夠指導(dǎo)井下水力擾動(dòng)設(shè)計(jì)和瓦斯抽采工程的地質(zhì)指標(biāo)，形成了一套瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系，對各抽采單元進(jìn)行綜合定量評價(jià)。

2.2.1目標(biāo)層（一級指標(biāo)）。目標(biāo)層反映的是礦井瓦斯抽采地質(zhì)背景下擾動(dòng)層體系所表現(xiàn)的地質(zhì)規(guī)律和物性特征。目標(biāo)層有2個(gè)一級指標(biāo)，分別為瓦斯抽采地質(zhì)背景和水力擾動(dòng)層物性參數(shù)指標(biāo)。

2.2.2準(zhǔn)則層（二級指標(biāo)）。準(zhǔn)則層是瓦斯抽采地質(zhì)指標(biāo)體系分析和測試的二級指標(biāo)大類。包括構(gòu)造條件、含氣性、滲透性、煤層穩(wěn)定性、水文地質(zhì)、水理性、煤層結(jié)構(gòu)及頂?shù)装宓取?/p>

2.2.3指標(biāo)層（三級指標(biāo)）。指標(biāo)層是能夠反映瓦斯抽采地質(zhì)特征的具體指標(biāo)或參數(shù)，每個(gè)指標(biāo)均有具體的內(nèi)涵。

2.2.4評價(jià)層（四級指標(biāo)）。評價(jià)層是用具體的數(shù)據(jù)來反映瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣，也是指導(dǎo)擾動(dòng)工藝和瓦斯抽采工程的定量標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)好、中、差劃分為1級、2級、3級。

2.3指標(biāo)體系建立

根據(jù)上述原則和思路，構(gòu)建了瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

表1 瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系

3　結(jié)語

①從瓦斯抽采工程地質(zhì)新角度出發(fā)，依據(jù)礦井的采區(qū)或工作面部署、瓦斯含量、煤體結(jié)構(gòu)、透氣性系數(shù)、煤層穩(wěn)定性、構(gòu)造條件以及頂?shù)装鍘r性等，構(gòu)建了瓦斯抽采地質(zhì)單元區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，劃分出三級瓦斯抽采地質(zhì)單元。

②依據(jù)瓦斯抽采擾動(dòng)工藝設(shè)計(jì)與施工需要，根據(jù)對礦井地質(zhì)條件、地應(yīng)力和煤巖體物性的研究，初步建立了一套瓦斯抽采地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)技術(shù)體系。

參考文獻(xiàn)：

［1］袁亮，林柏泉，楊威.我國煤礦水力化技術(shù)瓦斯治理研究進(jìn)展及發(fā)展方向［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（1）：45-49.

［2］郭紅玉.基于水力壓裂的煤礦井下瓦斯抽采理論與技術(shù)［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2001.

［3］馬耕，陶云奇.煤礦井下水力擾動(dòng)抽采瓦斯技術(shù)體系.煤炭科學(xué)技術(shù)，2016（1）：29-38．

［4］劉曉，張雙斌，郭紅玉.煤礦井下長鉆孔水力壓裂技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014（3）：42-44.

［5］張代均，鮮學(xué)福.煤結(jié)構(gòu)模式的初步研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，1992（2）：32-35.

［6］降文萍，宋孝忠，鐘玲文.基于低溫液氮實(shí)驗(yàn)的不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征及其對瓦斯突出影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011 （4）：609-614.

［7］侯泉林，李會軍，范俊佳，等.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與煤層氣賦存研究進(jìn)展［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012（10）：1487-1495.

［8］河南能源化工集團(tuán)研究院研究院有限公司.井下瓦斯抽采系列關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究與應(yīng)用［R］.鄭州：河南能源化工集團(tuán)研究院研究院有限公司，2012：123-125.

中圖分類號：TD712.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0095-03

收稿日期：2016-01-25

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（132102310027，142102310030）；河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（OTMP1406）；河南工程學(xué)院博士基金（D2013018）。

作者簡介：宋志敏（1961-），男，博士，教授，研究方向：瓦斯地質(zhì)與煤田地質(zhì)。

Study on Gas Extraction Geological Unit Division Based on Disturbed Technics

Song Zhimin1,2,3Ma Fenglan2Li Bing1,3Ren Jiangang1,3
（1.College of Resources and Environment，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou Henan 451191；
2.Zhengzhou Safety Production Education Center，Zhengzhou Henan 450006；3.Key Laboratory of Mine Geohazards and Environment Prevention in Zhengzhou City，Zhengzhou Henan 451191）

Abstract:The coal-bearing strata were all subjected to multistage tectonic movement superimpositions and transformations,so the mine structure,coal body structure,roof-floor lithology,hydrogeological condition re?spectively presented a feature of complexity,heterogeneity,diversity and differentiation.From a new perspec?tive of the gas extraction,combining with the urgent needs of hydraulic fracturing implemented on gas extrac?tion,gas extraction geological unit division based on hydraulic fracturing was studied,it was put forward that the principle of the scientific division of the geological unit of gas drainage in three stages,the evaluation in?dex system of gas drainage geological unit was formed by a set of convenient engineering practice,to provide a reliable geological basis for the disturbance process and the implementation of gas drainage engineering.

Keywords:mine structure；coal body structure；roof-floor lithology；gas extraction geological unit；evaluation indexes system