基于瓦斯涌出量的采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算

李 丹

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

從資源和環(huán)境的角度，采用地面井開發(fā)利用采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何利用已有的地質(zhì)生產(chǎn)資料，準(zhǔn)確快速地計(jì)算采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源得到了專家學(xué)者的高度重視，開展了全面深入的研究，并取得了豐碩的研究成果。研究認(rèn)為[1-3]，采動裂隙是采空區(qū)煤層氣滲流及賦存的基本條件。采場巖層移動破斷與采動裂隙分布的“橫三區(qū)”、“豎三帶”的總體認(rèn)識，為煤礦采空區(qū)煤層氣資源計(jì)算和開發(fā)提供了理論依據(jù)[4-8]。韓保山[9]等提出了物質(zhì)平衡法、資源構(gòu)成法及下降曲線法等3 種采空區(qū)煤層氣資源量估算方法。秦偉[10-11]等利用資源扣減法建立了相對完整的老采空區(qū)瓦斯儲量預(yù)測方法。李日富[12-13]等構(gòu)建了采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量評估模型。李日富[14]在松藻礦區(qū)石壕煤礦利用分源加法評估技術(shù)估算了試驗(yàn)地點(diǎn)的可抽采煤層氣量。孟召平[15]等分別建立了采空區(qū)垮落帶和斷裂帶內(nèi)巖體孔隙體積模型。汪長明、金龍哲和李宗翔[16-18]等從理論上分析了采空區(qū)瓦斯氣體的運(yùn)移及分布規(guī)律。綜上分析，國內(nèi)學(xué)者的研究成果大多是經(jīng)驗(yàn)型結(jié)論，評估資源量時需要詳細(xì)的生產(chǎn)地質(zhì)資料作支撐，現(xiàn)場數(shù)據(jù)與資料的收集相對困難；因此，在前人研究基礎(chǔ)上，基于工作面瓦斯涌出量預(yù)測方法，提出了一個相對簡單可行的工作面采動影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算方法，以期為工作面采動影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算提供新的途徑。

1 采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算原理

采動影響穩(wěn)定區(qū)就是指地層活動穩(wěn)定以后的采動影響區(qū)[10]。依據(jù)物質(zhì)平衡法[2]，當(dāng)采動穩(wěn)定區(qū)上覆巖層有足夠的厚度或者其上部存在有效的覆蓋巖層，具有良好的密封性，能夠阻止穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的煤層氣大規(guī)模泄露式逸散，工作面采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量應(yīng)等于采礦活動前儲集在整個受采礦影響范圍內(nèi)的煤層氣資源量減去整個工作面開采活動期間損失的煤層氣資源量，計(jì)算如下：

式中：GW為工作面采動影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量；G0為工作面開采影響范圍內(nèi)采礦活動前的原始煤層氣資源量；Gk為工作面全部開采過程中散失的煤層氣資源量。

2 采動范圍內(nèi)原始煤層氣地質(zhì)資源量

2.1 采動影響范圍

煤層開采后，采動影響穩(wěn)定區(qū)頂?shù)装鍘r層移動及破壞示意圖如圖1[4-6,19]。

圖1 采動影響穩(wěn)定區(qū)頂?shù)装鍘r層移動及破壞示意圖Fig.1 Diagram of deformation and failure distribution of roof and floor rock in mining stabilization region

采動影響范圍主要有以下3 部分組成：

1）工作面頂板巖層斷裂帶范圍。該范圍主要包括垮落帶和斷裂帶。

2）工作面底板巖層斷裂帶范圍。工作面底板下一定范圍內(nèi)的巖體，采空區(qū)形成后，在煤壁前方形成應(yīng)力集中，從而引起工作面底板淺部巖體發(fā)生自上而下的破壞，形成導(dǎo)水?dāng)嗔褞20]（圖1 中的藍(lán)色區(qū)域）。

3）工作面四周采動裂隙范圍。煤巷工作面掘進(jìn)后，巷道周圍煤體的應(yīng)力會發(fā)生變化，并最終形成巷道的瓦斯極限排放寬度[21]。工作面的開切眼、進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷、末采通道等工作面的四周巷道瓦斯極限排放寬度即為開采層四周采動裂隙范圍，開采層四周采動裂隙范圍示意圖如圖2。計(jì)算工作面采動影響范圍時，按巷道瓦斯極限排放寬度進(jìn)行計(jì)算。

圖2 開采層四周采動裂隙范圍示意圖Fig.2 Sketch of the range of mining induced fracture around the working face

2.2 煤層氣原始資源量計(jì)算方法

依據(jù)DZ/216—2002《煤層氣資源／儲量規(guī)范》，并考慮煤層的殘余瓦斯量，即煤層氣資源量G0為：

式中：A 為資源量計(jì)算面積，m2；W0為煤層氣含量，m3/t；M 為煤層厚度，m；ρ 為煤層平均密度，t/m3；Wc為煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

2.3 采動影響范圍內(nèi)煤層氣原始資源量

由圖1 可知，采動影響范圍內(nèi)煤層氣資源量主要包括工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量、本煤層的煤層氣資源量和工作面底板破裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量，即：

式中：Gr為垮落帶和斷裂帶內(nèi)的煤層氣資源量，m3；Gc為開采層裂隙內(nèi)煤層氣資源量，m3；Gf為開采煤層底板斷裂帶內(nèi)煤層氣資源量，m3。

2.3.1 工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層氣資源量

首先計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨取Ｗ呦蜷L壁全部垮落法開采時，采動影響穩(wěn)定區(qū)內(nèi)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨菻F可由文獻(xiàn)[22]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

其次，根據(jù)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨群凸ぷ髅婢C合地質(zhì)柱狀圖，確定出處于導(dǎo)水?dāng)嗔褞е畠?nèi)的煤層數(shù)量。

然后，為了計(jì)算簡單，在計(jì)算不同距離處煤層的煤層氣資源計(jì)算面積時，采用矩形來計(jì)算。

如圖1 中2 號煤層，它距開采煤層距離為H2，則其采動裂隙面積A2為：

式中：A2為 2 號煤層采動裂隙面積，m2；L1為工作面走向長度，m；L2為工作面傾向長度，m；δ 為走向邊界角。

則2 號煤層采動裂隙范圍內(nèi)煤層氣資源量為:

式中：Gr2為2 號煤層頂板采動裂隙范圍內(nèi)煤層氣資源量，m3；M2為 2 號煤層的厚度，m；ρ2為 2 號煤層的密度，t/m3；W02為 2 號煤層氣瓦斯含量，m3/t；Wc2為 2 號煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

如果斷裂帶中還有其它煤層，可用相同的方法分別計(jì)算。

2.3.2 開采層煤層氣資源量

由圖2 可知，開采層受開采影響的范圍在長度上為工作面走向長度與兩端頭的瓦斯極限排放帶寬度之和；寬度上為工作面傾向長度與兩側(cè)巷道寬度及瓦斯極限排放帶寬度之和，由此，開采煤層煤層氣資源量為：

式中：Bm為巷道瓦斯極限排放帶寬度，m；Bq為工作面切眼寬度，m；Bh為工作面回撤通道寬度，m；B 為工作面巷道寬度，m。

2.3.3 底板煤層的煤層氣資源量

極限狀態(tài)下底板巖體塑性破壞區(qū)域如圖3，其中最大破壞深度h1可按文獻(xiàn)[23]提出的方法計(jì)算。

圖3 極限狀態(tài)下底板巖體塑性破壞區(qū)域Fig.3 The plastic destroying area of floor rock mass under the limited condition

煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離 l1=h1tanφ0，式中：φ0為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；hb為工作面端部的破壞深度。由圖3 可以看出，處于開采煤層底板破壞帶的煤層，由于距開采煤層底板深度不同，采動影響的范圍大小不一。

當(dāng)距開采煤層底板深度h

式中：xa為距采空區(qū)的距離。

當(dāng)距開采煤層底板深度hb

則工作面底板煤層斷裂帶面積Ad為:

工作面底板煤層的煤層氣資源量Gf為:

式中：Ad為底板煤層采動裂隙面積，m2；Md為底板煤層的厚度，m；ρd為底板煤層的密度，t/m3；W0d為底板煤層氣瓦斯含量，m3/t；Wcd為底板煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

如果工作面底板破壞深度范圍內(nèi)有多個煤層，可用相同的方法分別計(jì)算。

3 工作面煤炭開采煤層氣散失量

對一個處于四周為實(shí)體煤的工作面來說，主要有2 部分，即巷道掘進(jìn)及工作面回采期間損失的煤層氣資源量，即：

式中：Gk為工作面整個回采過程引起的煤層氣損失量，m3；Gj為工作面巷道引起的煤層氣損失量，m3；Gh為工作面回采引起的煤層氣損失量，m3。

3.1 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算

對巷道來說，可以認(rèn)為工作面通風(fēng)把巷道兩側(cè)極限排放帶寬度內(nèi)煤層中的瓦斯都帶出了礦井，其煤層氣損失量Gp為：

式中：Wy為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

巷道掘進(jìn)的結(jié)果是把整條巷道的煤炭都輸送到了礦井以外，掘進(jìn)落煤造成的煤層氣損失量Gl為：

式中：S 為掘進(jìn)巷道斷面積，m2。

同時，由于煤炭運(yùn)出礦井時，仍含有大量的瓦斯，也會形成煤層氣資源量的損失，損失量的多少為殘存瓦斯量與殘余瓦斯量之差，因此，巷道掘進(jìn)引起的煤層氣損失總量Gj為：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測

回采工作面瓦斯涌出量，回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測用相對瓦斯涌出量表達(dá)[24]。

1）開采層瓦斯涌出量預(yù)測。薄及中厚煤層不分層開采時，開采層瓦斯涌出量計(jì)算如下：

式中：q3為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t ；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來計(jì)算；K3為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；m 為開采層厚度，m。

2）鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測。鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算如下[24]:

式中：q4為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個鄰近層煤層厚度，m；ηi為第i 個鄰近層瓦斯排放率，%；W0i為第i 個鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第 i 個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

3.3 工作面開采煤層氣損失量

由上節(jié)可知，工作面瓦斯涌量預(yù)測計(jì)算出了每回采1 t 煤炭，從開采層和鄰近層分別涌出了多少方的瓦斯，因此預(yù)測的工作面瓦斯涌量與工作面實(shí)際采出煤量的積即為全部煤炭產(chǎn)出所造成的煤層氣損失量；同時，由于煤炭運(yùn)出礦井時，仍含有大量的瓦斯，也會形成煤層氣資源量的損失，損失量的多少為殘存瓦斯量與殘余瓦斯量之差。即工作面開采引起的煤層氣資源量損失Gh計(jì)算如下：

將式（5）、式（6）和式（10）代入式（3）就可得到工作面斷裂帶范圍內(nèi)的煤層氣資源量；將式（14）和式（17）代入式（11）就可行到工作面整個開采過程煤層氣損失量；將式（3）和式（11）代入式（1）就可得到工作面采采空區(qū)煤層氣資源量。

4 結(jié) 語

1）基于物質(zhì)平衡法建立了采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算方法，即工作面采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量應(yīng)等于采礦活動前儲集在整個受采礦影響范圍內(nèi)的煤層氣資源量與工作面開采活動期間損失的煤層氣資源量之差。

2）采動影響范圍內(nèi)煤層氣原始資源量主要包括工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量、本煤層的煤層氣資源量和工作面底板破裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量。

3）對一個處于四周為實(shí)體煤的工作面來說，工作面開采期間煤層氣損失量主要有2 部分，即巷道掘進(jìn)及工作面回采期間損失的煤層氣資源量，并可利用瓦斯涌出量法進(jìn)行計(jì)算。