基于瓦斯涌出量的采动稳定区煤层气资源量计算

2020-04-24李丹

煤矿安全 2020年4期

李丹

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013）

从资源和环境的角度，采用地面井开发利用采动稳定区煤层气资源具有重要的现实意义。如何利用已有的地质生产资料，准确快速地计算采动稳定区煤层气资源得到了专家学者的高度重视，开展了全面深入的研究，并取得了丰硕的研究成果。研究认为[1-3]，采动裂隙是采空区煤层气渗流及赋存的基本条件。采场岩层移动破断与采动裂隙分布的“横三区”、“竖三带”的总体认识，为煤矿采空区煤层气资源计算和开发提供了理论依据[4-8]。韩保山[9]等提出了物质平衡法、资源构成法及下降曲线法等3 种采空区煤层气资源量估算方法。秦伟[10-11]等利用资源扣减法建立了相对完整的老采空区瓦斯储量预测方法。李日富[12-13]等构建了采动稳定区煤层气资源量评估模型。李日富[14]在松藻矿区石壕煤矿利用分源加法评估技术估算了试验地点的可抽采煤层气量。孟召平[15]等分别建立了采空区垮落带和断裂带内岩体孔隙体积模型。汪长明、金龙哲和李宗翔[16-18]等从理论上分析了采空区瓦斯气体的运移及分布规律。综上分析，国内学者的研究成果大多是经验型结论，评估资源量时需要详细的生产地质资料作支撑，现场数据与资料的收集相对困难；因此，在前人研究基础上，基于工作面瓦斯涌出量预测方法，提出了一个相对简单可行的工作面采动影响稳定区煤层气资源量计算方法，以期为工作面采动影响稳定区煤层气资源量计算提供新的途径。

1 采动稳定区煤层气资源量计算原理

采动影响稳定区就是指地层活动稳定以后的采动影响区[10]。依据物质平衡法[2]，当采动稳定区上覆岩层有足够的厚度或者其上部存在有效的覆盖岩层，具有良好的密封性，能够阻止稳定区内的煤层气大规模泄露式逸散，工作面采动稳定区煤层气资源量应等于采矿活动前储集在整个受采矿影响范围内的煤层气资源量减去整个工作面开采活动期间损失的煤层气资源量，计算如下：

式中：GW为工作面采动影响稳定区煤层气资源量；G0为工作面开采影响范围内采矿活动前的原始煤层气资源量；Gk为工作面全部开采过程中散失的煤层气资源量。

2 采动范围内原始煤层气地质资源量

2.1 采动影响范围

煤层开采后，采动影响稳定区顶底板岩层移动及破坏示意图如图1[4-6,19]。

图1 采动影响稳定区顶底板岩层移动及破坏示意图Fig.1 Diagram of deformation and failure distribution of roof and floor rock in mining stabilization region

采动影响范围主要有以下3 部分组成：

1）工作面顶板岩层断裂带范围。该范围主要包括垮落带和断裂带。

2）工作面底板岩层断裂带范围。工作面底板下一定范围内的岩体，采空区形成后，在煤壁前方形成应力集中，从而引起工作面底板浅部岩体发生自上而下的破坏，形成导水断裂带[20]（图1 中的蓝色区域）。

3）工作面四周采动裂隙范围。煤巷工作面掘进后，巷道周围煤体的应力会发生变化，并最终形成巷道的瓦斯极限排放宽度[21]。工作面的开切眼、进风巷及回风巷、末采通道等工作面的四周巷道瓦斯极限排放宽度即为开采层四周采动裂隙范围，开采层四周采动裂隙范围示意图如图2。计算工作面采动影响范围时，按巷道瓦斯极限排放宽度进行计算。

图2 开采层四周采动裂隙范围示意图Fig.2 Sketch of the range of mining induced fracture around the working face

2.2 煤层气原始资源量计算方法

依据DZ/216—2002《煤层气资源／储量规范》，并考虑煤层的残余瓦斯量，即煤层气资源量G0为：

式中：A 为资源量计算面积，m2；W0为煤层气含量，m3/t；M 为煤层厚度，m；ρ 为煤层平均密度，t/m3；Wc为煤层气残余瓦斯含量，m3/t。

2.3 采动影响范围内煤层气原始资源量

由图1 可知，采动影响范围内煤层气资源量主要包括工作面垮落带和断裂带内煤层的煤层气资源量、本煤层的煤层气资源量和工作面底板破裂带内煤层的煤层气资源量，即：

式中：Gr为垮落带和断裂带内的煤层气资源量，m3；Gc为开采层裂隙内煤层气资源量，m3；Gf为开采煤层底板断裂带内煤层气资源量，m3。

2.3.1 工作面垮落带和断裂带内煤层气资源量

首先计算导水断裂带高度。走向长壁全部垮落法开采时，采动影响稳定区内导水断裂带高度HF可由文献[22]提出的经验公式进行计算。

其次，根据导水断裂带高度和工作面综合地质柱状图，确定出处于导水断裂带之内的煤层数量。

然后，为了计算简单，在计算不同距离处煤层的煤层气资源计算面积时，采用矩形来计算。

如图1 中2 号煤层，它距开采煤层距离为H2，则其采动裂隙面积A2为：

式中：A2为 2 号煤层采动裂隙面积，m2；L1为工作面走向长度，m；L2为工作面倾向长度，m；δ 为走向边界角。

则2 号煤层采动裂隙范围内煤层气资源量为:

式中：Gr2为2 号煤层顶板采动裂隙范围内煤层气资源量，m3；M2为 2 号煤层的厚度，m；ρ2为 2 号煤层的密度，t/m3；W02为 2 号煤层气瓦斯含量，m3/t；Wc2为 2 号煤层气残余瓦斯含量，m3/t。

如果断裂带中还有其它煤层，可用相同的方法分别计算。

2.3.2 开采层煤层气资源量

由图2 可知，开采层受开采影响的范围在长度上为工作面走向长度与两端头的瓦斯极限排放带宽度之和；宽度上为工作面倾向长度与两侧巷道宽度及瓦斯极限排放带宽度之和，由此，开采煤层煤层气资源量为：

式中：Bm为巷道瓦斯极限排放带宽度，m；Bq为工作面切眼宽度，m；Bh为工作面回撤通道宽度，m；B 为工作面巷道宽度，m。

2.3.3 底板煤层的煤层气资源量

极限状态下底板岩体塑性破坏区域如图3，其中最大破坏深度h1可按文献[23]提出的方法计算。

图3 极限状态下底板岩体塑性破坏区域Fig.3 The plastic destroying area of floor rock mass under the limited condition

煤层底板岩体最大破坏深度距工作面端部的水平距离 l1=h1tanφ0，式中：φ0为煤层内摩擦角，（°）；hb为工作面端部的破坏深度。由图3 可以看出，处于开采煤层底板破坏带的煤层，由于距开采煤层底板深度不同，采动影响的范围大小不一。

当距开采煤层底板深度h

式中：xa为距采空区的距离。

当距开采煤层底板深度hb

则工作面底板煤层断裂带面积Ad为:

工作面底板煤层的煤层气资源量Gf为:

式中：Ad为底板煤层采动裂隙面积，m2；Md为底板煤层的厚度，m；ρd为底板煤层的密度，t/m3；W0d为底板煤层气瓦斯含量，m3/t；Wcd为底板煤层气残余瓦斯含量，m3/t。

如果工作面底板破坏深度范围内有多个煤层，可用相同的方法分别计算。

3 工作面煤炭开采煤层气散失量

对一个处于四周为实体煤的工作面来说，主要有2 部分，即巷道掘进及工作面回采期间损失的煤层气资源量，即：

式中：Gk为工作面整个回采过程引起的煤层气损失量，m3；Gj为工作面巷道引起的煤层气损失量，m3；Gh为工作面回采引起的煤层气损失量，m3。

3.1 掘进工作面瓦斯涌出量计算

对巷道来说，可以认为工作面通风把巷道两侧极限排放带宽度内煤层中的瓦斯都带出了矿井，其煤层气损失量Gp为：

式中：Wy为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t。

巷道掘进的结果是把整条巷道的煤炭都输送到了矿井以外，掘进落煤造成的煤层气损失量Gl为：

式中：S 为掘进巷道断面积，m2。

同时，由于煤炭运出矿井时，仍含有大量的瓦斯，也会形成煤层气资源量的损失，损失量的多少为残存瓦斯量与残余瓦斯量之差，因此，巷道掘进引起的煤层气损失总量Gj为：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量预测

回采工作面瓦斯涌出量，回采工作面瓦斯涌出量预测用相对瓦斯涌出量表达[24]。

1）开采层瓦斯涌出量预测。薄及中厚煤层不分层开采时，开采层瓦斯涌出量计算如下：

式中：q3为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t ；K1为围岩瓦斯涌出系数；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数来计算；K3为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；m 为开采层厚度，m。

2）邻近层瓦斯涌出量预测。邻近层瓦斯涌出量计算如下[24]:

式中：q4为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i 个邻近层煤层厚度，m；ηi为第i 个邻近层瓦斯排放率，%；W0i为第i 个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wci为第 i 个邻近层煤层残存瓦斯含量，m3/t。

3.3 工作面开采煤层气损失量

由上节可知，工作面瓦斯涌量预测计算出了每回采1 t 煤炭，从开采层和邻近层分别涌出了多少方的瓦斯，因此预测的工作面瓦斯涌量与工作面实际采出煤量的积即为全部煤炭产出所造成的煤层气损失量；同时，由于煤炭运出矿井时，仍含有大量的瓦斯，也会形成煤层气资源量的损失，损失量的多少为残存瓦斯量与残余瓦斯量之差。即工作面开采引起的煤层气资源量损失Gh计算如下：