岩层移动理论在煤层气抽采技术中的应用研究

2013-04-18胡炳南

采矿与岩层控制工程学报 2013年2期

胡炳南

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

煤层气抽采，首先是消除煤矿重大瓦斯事故，保障煤矿安全生产，变高瓦斯突出危险煤层为低瓦斯无突出危险煤层;其次是解决矿井仅靠通风难以解决的难题，降低矿井通风成本，使工作面风流中(进风、回风、上隅角、尾巷)的瓦斯浓度不超限;最后也是利用宝贵的煤层气这一高效洁净能源和保护环境开发利用资源，变害为利。

根据目前煤层气抽采的通用技术，主要方法是:采前预先抽采;采中卸压抽采;采后采空区抽采。主要手段是利用地面钻井、井下高抽巷道、井下穿层钻孔和顺层钻孔以及保护层来进行抽采。

在煤炭与煤层气共采中，特别是在煤层气开采中，需要抽采方法与地质采矿条件协调、煤层气开采设计与岩层移动变形破坏规律协调。因此，有必要深入分析煤层开采岩层移动规律在煤层气抽采技术中的应用问题。

1 岩层移动变形破坏时空分布基本规律

1.1 覆岩内部破坏特征

覆岩内部的采动影响程度主要指覆岩导水裂缝带高度的发育程度。刘天泉院士等对我国煤矿覆岩破坏分布做了大量实测和理论研究，提出了“竖三带”理论，如图1中的垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。

图1 长壁工作面开采后覆岩内部破坏特征分区

长壁垮落法从开切眼开始推进后，直接顶板由于覆岩重力超过其抵抗变形能力，从而发生垮落堆积并充填采空区形成垮落带，这时的导水裂缝带高度仅为垮落带的高度，称为极不充分开采;随着工作面继续推进，覆岩发生断裂、开裂形成裂缝带，裂缝带内的岩体按开裂程度大小分为严重开裂、一般开裂和微小开裂。在微小开裂范围内的岩层一般不断开，连通性较差，微小开裂的岩层即为导水裂缝带的顶点，此时称为不充分开采;当工作面推进长度达到一定值后，导水裂缝带发展到最大高度，此时为临界开采;当推进长度继续增大时导水裂缝带的高度不再向上发育，此时达到充分开采。

从极不充分开采到临界开采过程中，裂缝带高度不断增加并达到最大值。在回采工作面达到充分并收作后，采空区上方仍然存在垮落带、裂缝带和弯曲下沉带:垮落带内岩块的破坏严重，它将损坏顶板巷道，不能阻隔含水层;裂缝带内靠近垮落带的岩层，断裂严重;远离垮落带的岩层，断裂较轻微;弯曲下沉带指的是自裂缝带顶界到地表的整个岩系。在弯曲下沉带的岩层基本上是处于水平方向双向受压缩状态，因而其密实性及塑性变形的能力得到提高。

缓倾斜煤层覆岩内部静态裂缝带形态类似于一个马鞍形。其特点是:采空区四周边界上方的破坏范围略高，其最高点位于开采边界附近;采空区中央的破坏范围低于四周边界的破坏范围。

1.2 地表移动变形特征

地表采动影响程度主要指地表下沉W和水平变形ε的影响程度。

对于中硬覆岩来说，采宽(L)采深(H)比值为0～0.3时，地表最终下沉盆地剖面形状呈碗型，为极不充分开采，其引起的地表下沉和变形均较小;采宽采深比0.3～1.2时，地表最终下沉盆地剖面形状也呈碗形，最大下沉值随采宽的增大而增大，这种开采规模叫不充分采动;采宽采深比值等于1.2时，地表最终最大下沉值达到极限值，此时叫临界开采;采宽采深比值大于1.2时，最大下沉和变形不再增大，下沉盆地的中央出现平底，此时叫充分采动。充分开采时，在地表下沉盆地中部出现了平底的无变形区，如图2所示。

图2 动态地表下沉与超前影响范围

动态地表变形最大值发生工作面临时性开采边界上方的地表下沉盆地边缘区。地表动态移动变形位置随着采煤工作面推进位置不同而不断变化，在回采区段尺寸相同时，最大动态变形值总是小于最大静态变形值。

图3为充分采动时下沉W和水平变形ε曲线。地表下沉盆地拐点外边缘为拉伸变形区，地表下沉盆地拐点内边缘为压缩变形区。拐点为零水平变形点，盆地中部为无变形区。因此，整个剖面内存在3个零水平变形点 (区)。

图3 地表下沉和地表水平变形曲线与最终采动范围

1.3 岩层移动变形破坏量值规律

1.3.1 覆岩内部垮落带和裂缝带高度

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对于坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板或互层时，厚煤层分层开采垮落带高度的计算公式见表1;对于单一中厚煤层和厚煤层分层开采时，不同上覆岩层的裂缝带高度的计算公式见表2。

表1 单一中厚煤层和厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式 m

表2 单一中厚煤层和厚煤层分层开采的裂缝带高度计算公式 m

1.3.2 地表移动变形最大值

工作面采动影响达到稳定后的最终地表移动变形值叫静态地表移动变形值。地表移动变形主要包括:下沉W、水平移动U、倾斜变形I、水平变形ε和曲率变形K。

在充分开采条件下，地表移动变形与开采厚度、开采深度、上覆岩层结构和岩性等相关。地表移动变形最大值，一般基于该区域地质采矿条件参数和地表移动变形计算参数，根据式 (1－5)计算获得。相关参数包括:开采厚度M、煤层倾角α、开采深度H、下沉系数q、水平移动系数b和主要影响角正切tanβ。

1.3.3 地表移动范围和地表移动期参数

超前影响角ω 工作面推进过程中，充分采动后，走向方向主断面上，位于工作面前方地表下沉10mm点和开采工作面位置的连线与水平线在煤柱一侧的夹角为超前影响角，如图2。地表下沉10mm点与开采工作面位置的水平距离称为超前影响距。长壁开采时的超前影响距取决于覆岩厚度、岩层结构和强度等因素。超前影响角主要与覆岩综合强度相关。

边界角δ0边界角是充分采动条件下，地表下沉10mm点和开采边界的连线与水平线在煤柱侧的夹角，如图3。边界角主要取决于覆岩结构和强度等因素。覆岩松软时，边界角较小;覆岩坚硬时，边界角较大。地层综合边界角一般为45～65°。

地表移动期T 地下开采引起的地表移动具有明显的时间性。地表移动观测表明，当采煤工作面推进一定距离之后，岩层移动首先从其顶板开始，由下往上发展。当开采宽度达到一定值时，岩层移动开始波及地表，并且渐渐扩展。待开采结束一段时间后采动影响趋于稳定。对于地表移动期，我国《煤矿测量规程》规定，地表的移动可分为几个过程，即初始期、活跃期和衰退期。从地表最大下沉点累计下沉W=10mm时算起到地表下沉速度每月达50mm(V≤1.7mm/d)止，这段时间称初始期;把下沉速度超过每月50mm(V＞1.7mm/d)的时间称为活跃期;从活跃期后到连续6个月观测下沉小于30mm的这段时间称为衰退期。在3个时期中，初始期是开始采动影响的启动，活跃期是对覆岩和地表破坏最为严重的时期，衰退期一般延续时间长，但对覆岩和地表破坏增加不大。长壁开采时的地表移动期与覆岩厚度、岩层结构和强度等因素有关。覆岩厚度越大，地表移动延续时间越长。若尚无观测资料，地表移动期T可根据工作面平均开采深度H0按照式(6)计算。

依据上述参数，即可界定采动区范围和采动影响持续时间。根据超前影响角，工作面从开切眼开始向前推进，确定地表动态的超前影响距离;根据边界角，基于实际的开切眼、停采线和上下边界线，划定工作面最终采动影响范围。根据地表移动期，能计算采动影响持续时间。在采动影响范围以外，即为不受开采影响的区域;在采动影响的地表移动期外，即为相对稳定区。

2 煤层气抽采主要技术方法与岩层移动关系分析

我国煤储层的渗透率普遍较低。当煤层开采后，由于岩层移动导致岩层应力场与裂隙场的改变，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为煤层气卸压运移和开采创造了条件。因而，岩层移动变形和破坏规律对于煤层气抽采中优化抽放方案、提高采出率，具有一定的指导作用。我国煤矿一般的抽采技术途径有:地面钻井抽采、井下高抽巷道抽采、井下穿层钻孔和井下保护层抽采。

2.1 地面钻井设计与岩层移动间的关系

地面钻井是采空区瓦斯抽采最为有效的方法之一。在我国晋城矿区、淮北矿区和淮南矿区，都成功地进行了应用。这种方法通常是从地面向开采层上方施工直径为300～450mm的垂直钻井，井底位置一般距开采层顶板5～10m。煤层开采引起的采动顶板垮落后，地面钻井即可从具有大量裂隙的垮落带内抽采煤层气。钻井顶部使用套管加固，而钻井底部则使用槽管，防止由于岩层移动造成的钻井闭合。

地面钻井，既要利用采动影响中的垮落通道来抽采煤层气，又要避免地面钻井井壁的断裂、钻井井筒的闭合。所以，在确定钻井井底位置时，可根据覆岩内部破坏特征和垮落带高度 (见表1)，把井底设计在垮落带内，使其具有足够的抽放开裂通道;在钻井井口平面位置设计时，可借鉴图3中的岩层移动规律，避免把钻井布置在拉压变形严重区，而选择在水平变形为零或者轻微小的区域，即拐点附近和盆地中间位置。

2.2 井下高抽巷道布置与岩层移动间关系

井下高抽巷道是在开采工作面煤层上方覆岩内且位于该工作面采动区的巷道。采动裂缝带形成后，该巷道与采空区连通，工作面瓦斯上浮，使得该顶板巷道充满高浓度瓦斯，而通过预置管道，即可将采空区瓦斯抽出。高抽巷道断面一般为7.0m左右，在高抽巷道的适当位置砌三道密闭墙，并安装抽放管、放水管和观测孔。

与地面钻井同样，既要使井下高抽巷位置具备垮落裂隙通道，又要控制高抽巷道不受严重垮塌保持其运移煤层气功效。可根据覆岩内部破坏特征和裂缝带高度 (见表2)，高抽巷道沿工作面走向推进方向布置，在平面方向可沿工作面中心线或者稍靠上风巷一侧 (考虑瓦斯气体上移特点)掘进，在立面方向高抽巷道布置在覆岩裂缝带内，并在高抽巷道内施工抽放钻孔，打到回采煤层垮落带，使采空区与高抽巷道连通，如图4所示。

图4 高抽巷道布置

2.4 井下下保护层选择与岩层移动间关系

根据观测数据，先开采下保护层时，上被保护层膨胀变形可达0.784%～2.64%，煤层透气性增加1000～3000倍，卸压瓦斯抽采率达60%以上，有效层间距达到150m。

开采下保护层时，既不能让采动引起的垮落带进入被保护层而破坏被保护层的开采条件，还需要保持一定的安全距离，防止小构造引发煤与瓦斯突出事故，这样就要求被保护层应在裂缝带和整体移动带分界线附近。

3 煤层气抽采设计原则探析

3.1 地面钻井设计原则

根据岩层移动、变形和破坏规律，地面钻井设计原则:在平面上应布置在静态水平变形为零和小变形的位置，如图5，4个钻井布置在静态水平变形零位置的拐点 (S1，S2，S3和S4分别为不同方向的拐点移动距)上，1个钻井布置在工作面中心;在立面上，把井底设计在垮落带内。这样，一是能减少钻井的断裂断气数量;二是从开采煤层层面看，地面钻井捕捉到和进入了工作面四周的导气“O”形裂缝通道，可畅通抽采工作面的煤层气。