基于岩层移动的“煤与煤层气共采”技术研究.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 0 4年 4月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF CHI NA C OAL S OC I E T Y Vo1 ． 2 9 No ． 2 Ap r ． 2 0 0 4 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 4 O 2一 O 1 2 9 0 4 基 于岩层 移动的 “ 煤 与煤层气 共采“ 技术研究 许家 林， 钱鸣 高， 金 宏伟 中国矿业大学 能源科 学与工 程学 院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘 要研究 了岩层移动对煤层气卸压运移的影响，结果证明，覆岩关键层 的破断运动对邻近层 煤层气涌出的动态过程起控制作用；覆岩主关键层位置将决定下保护层可能的最大卸压高度． 关键词 岩层移动；煤与煤层气共采 ；关键层 ；绿 色开采 中图分类号 T D 3 2 5；T D 7 1 3 文献标识码 A S t u dy o n “ c o a l a nd c o a l - b e d me t h a ne s i mul t a n e o us e x t r a c t i o n’ ’ t e c hn i qu e o n t he b a s i s o f s t r a ta mo v e me nt X U J i a l i n ， Q I A N Mi n g g a o ，J I N Ho n g w e i S c h o o l o fE n e r g y S c i e n c e a n d E n g i nee r i n g ．C h i n a U n i v e r s i ty ofMi n i n g＆ T e c h n o l o g ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c tT he i mp a c t o f s t r a t a mo v e me n t o n t h e flo w p a t t e r n o f t he p r e s s u r e r e l i e v e d c o a l b e d me t h a n e wa s r e s e a r c h e d． Th e r e s u l t s h o we d t h a t t h e b r e a k a g e s a n d mo v e me n t s o f t h e o v e r l y i n g ke y s t r a t a c o n t r o l t he d y n a mi c p r o c e s s o f c o a l b e d m e t h a n e e f f u s i o n o n t h e a d j a c e n t s t r a t a ，a n d t h e l o c a t i o n o f t h e p r i m a r y k e y s t r a t u m w i l l d e t e r mi n e t he ma x i mu m r e l e a s e d h e i g h t a b o v e t h e l o we r p r o t e c t i v e s e a m． Ke y wo r ds s t r a t a mo v e me n t ；c o al a n d c o a l b e d me t h a n e s i mu l t a n e o u s e x t r a c t i o n；k e y s t r a t u m ；g r e e n mi n i n g 煤层气开采方法分为煤层采前预抽与采动卸压抽放．研究表明 ，我 国埋深 2 0 0 0 m 以内具有 3 0～ 3 5万亿 m 煤层气资源，但煤储层普遍具有变质程度高 、渗透率低 、压力小和含气饱 和度低的特 点，7 0 ％ 以上煤层的渗透率小于 1 ． 0 x1 0 ～ 瑚 ，这对我国开展煤层气采前预抽极为不利．正因为如此 ，我国已钻 的 2 0 0多口采前地面煤层气井 中，稳产 、高产井很少 ，单井产量超 3 0 0 0 m ／ d的也只有约 3 0口，如何提 高煤层采前渗透率是尚未解决的难题．实践表明 ，一旦煤层开采引起岩层移动 ，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 ，这就为煤层气运移和开采创造 了条件．因而 ，卸压煤层气抽放将 是我国煤层气开采的重要途径．我国煤矿卸压瓦斯抽放工作一直在进行并取得 了很大进展 ，但煤矿抽放瓦 斯的主要 目的还是为了采煤安全 ，而不是将瓦斯作为一种有用的资源进行开采，大部分矿井抽放瓦斯未能 利用而直接排放到大气 中．目前 ，我国卸压瓦斯抽放总体上仍存在抽 出率低及钻孔工程量大的问题 ，瓦斯 总体抽出率仅为2 3 ％．如何基于岩层移动规律进行卸压瓦斯抽放方案的优化、提高瓦斯采出率将是我国 煤矿卸压瓦斯抽放进一步研究的主要方 向．基于岩层控制的关键层理论及煤矿绿色开采思想提 出的 “ 煤 与煤层气共采” 的基本观点 为 将煤层气作为一种资源，充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作 用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率 ，在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采 系统 ，即形成 “ 煤与煤层气共采”技术 ，从采掘部署上把瓦斯抽放 当作正规的开采工艺流程 ，从时间 、 空间与资金上给予保证 ，对抽放瓦斯进行利用．本文就 “ 煤与煤层气共采”技术有关问题开展深入研究． 收稿 日期 2 0 0 3 - 0 6 3 0 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 9 6 7 4 0 1 1 ，5 0 3 7 4 0 6 6 ；煤炭科学基金资助项 目 9 7采 1 0 1 0 2 作者简介 许家林 1 9 6 6一 ，男 ，江苏镇江人 ，博士 ，教授 ．T e l 0 5 1 6 3 8 8 5 7 5 2，Em a i l c u mt x j l c u m t ． e d u ． c n 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年第2 9 卷 1 关键层 运动对上 邻近层瓦斯涌 出的影响 关键层理论研究证明 ，覆岩关键层对岩层移动动态过程与采动裂隙的分布起控制作用 ，因而关键 层运动将影响邻近层瓦斯涌出动态．笔者就 阳泉五矿综放工作面岩层移动对邻近层瓦斯涌出动态的影响开 展 了研究．阳泉五矿主采 1 5煤 ，其上部 6～8层不可采薄煤层及石灰岩 中富含瓦斯．1 5煤采用综放开采 后 ，邻近层瓦斯大量涌入，为此在距 1 5煤顶板 6 0～ 7 0 m处布置走向高抽巷抽放邻近层卸压瓦斯．但高抽 巷不能有效地解决初采期瓦斯超限问题．如 8 1 1 0综放工作面 由开切眼推进至 2 7～ 3 8 m段 ，瓦斯超限时间 总计 3 8 3 h ，瓦斯超限影响天数为 9 d ．因瓦斯严重超限，累计断 电 1 7次 ，停产 4 0 h ．表 1为阳泉五矿 已 开采的 6个综放工作面 采面斜长 1 4 0～1 7 0 m初采期瓦斯涌出统计结果．由表 1 可知 ，1 5煤综放工作 面初采期 瓦斯 涌 出呈 现 4阶段特 征 阶段 I，由切 眼推进至 0～1 6 ． 1 m，工作 面瓦斯 涌 出量平 均 为 3 ． 2 m ／ mi n ，为 1 5煤本层瓦斯 ，邻近层瓦斯未涌入 ；阶段 Ⅱ，由切眼推进至 1 6 ． 1～ 2 4 ． 5 m，邻近层瓦斯 涌出明显增加 ，工作面瓦斯涌出量平均升至 1 0 ． 5 m ／ m i n ；阶段 Ⅲ，由切眼推进至 2 4 ． 5～ 3 8 ． 5 m，邻近层 瓦斯涌出进一步增加 ，工作面瓦斯涌出量平均升至 2 2 ． 7 m ／ m i n ；阶段Ⅳ，由切眼推进至 3 8 ． 5 m后 ，走向 高抽巷开始大量抽 出瓦斯 ，工作面瓦斯涌出量降至 4 ． 0 m ／ m i n ． 表 1 1 5煤综放工作面初采期瓦斯涌 出特征统计结果 Ta bl e 1 The s t a t i s t i c al dat um a bo ut t he c ha r a c t e r i s tic s o f me t ha ne e ffu s i o n i n t he t o p- c oa l c a v i ng f ac e o f 1 5 t h c o al s e a m 对 1 5煤覆岩典型柱状的关键层位置判别 和物理模拟 实验结果表明 ，图 1 a 覆岩范围有 3层关键 层．由下往上依次为关键层 1 为距 1 5煤顶板 7 1T I 、厚 6 1 T I 的细砂岩 ；关键层 2为距 1 5煤顶板 1 3 ． 5 1T I 、 厚 5 ． 3 1T I 的 l 2石灰岩；关键层 3为距 1 5煤顶板 3 0 1T I 、厚 6 ． 6 1T I 的细砂岩．3层关键层的初次破断运动对 初采期岩层移动 由下往上发展过程和邻近层瓦斯涌出动态起控制作用．随工作面推进 ，岩层移动将呈图 1 所示的 3个阶段 阶段 1 图 1 a ，由开切眼推进 1 6 1 T I 左右 ，关键层 1 破断，导致 1 4煤和 l 2石灰岩 中瓦斯涌入下部采空区，从而引起采面瓦斯涌出的第 1 次峰值 ；阶段 2 图 1 b ，由开切眼推进 2 5 1T I 左右 ，关键层 2破断，导致 1 3煤和 l 3石灰岩中瓦斯涌入下部采空区，从而引起采面瓦斯涌出的第 2次峰 值 ；阶段 3 图 1 c ，由开切眼推进 3 9 1 T I 左右 ，关键层 3破断 ，导致覆 岩破裂范 围发展到走向高抽 巷，走向高抽巷开始大量抽出瓦斯，邻近层卸压瓦斯大部分由高抽巷抽出，采面瓦斯涌出量明显降低． 高抽巷 高抽巷 岛抽巷 a b C 图 1 阳泉 l 5煤综 放工作面初采期覆岩移动动态 F i g ． 1 S t r a t a mo v e me n t s a t t h e i n i t i a l mi n i n g s t a g e i n t h e t o p c o a l c a v i n g f a c e o f 1 5 t h c o a l s e a m i n Y a n g q u a n 维普资讯 第2期 许家林等基于岩层移动的 “ 煤与煤层气共采”技术研究 l 3 l 走 向高抽巷布置不适应初采期岩层移动和邻近层瓦斯涌出规律而不能及时起作用是造成初采期瓦斯严 重超限的原因，为解决 1 5煤综放工作面初采期瓦斯严重超限问题 ，高抽巷在距开切眼4 0 m以内的布置必 须遵循上述初采期覆岩移动规律 ． 2 主关键层对下保护层卸压高度的影响 我国从 2 0世纪 5 0年代开始使用保护层开采技术 ，形成 了我国独具特色的保护层开采与瓦斯抽放相结 合的综合措施 _ 8 J ．但长期 以来 ，对层间岩性及其组合对保护层有效保护范围的影响研究不多 ，下保护层 卸压范围的临界垂距仅能按经验参数取值 ，未能给出具体开采条件下下保护层开采最大卸压范围的理 论判别方法．由于关键层破断前其下部将 出现离层现象 ，因而其下部岩层必将 出现膨胀和应力降低的卸压 过程．研究表明 ，覆岩离层位置的最大发育高度将止于覆岩主关键层 ，因而，这一卸压过程将终止于 主关键层 ，主关键层上部岩层将不产生卸压 ，也就是说 ，主关键层位置将决定覆岩卸压的可能最大高度． 采用数值模拟研究对上述推断进行验证．二维 U D E C计算模型为走向长度4 5 0 m，垂直高度3 5 7 m， 煤层为水平煤层 ，厚 2 ． 5 m，工作面开采深度为 3 5 2 m．共计算 了2个模型，模型 1 在煤层上方 2 5 0 m处 有 1 层厚 3 0 m的主关键层 ，而模型 2没有．图 2为煤层采 出 1 5 0 m后 ，在煤层上方 2 4 0 m处对应的垂直 应力分布曲线和岩层膨胀率分布曲线．由图 2可见 ，当煤层上方 2 5 0 m处存在厚 3 0 m主关键层时，煤层 上方 2 4 0 m处垂直应力降和岩层膨胀率都明显大于无主关键层的条件，说明主关键层的存在使得卸压高度 明显增大．模拟结果表明，模型 1主关键层上部岩层的压力降和岩层膨胀率接近于 0 ，说 明岩层卸压高度 止于主关键层 ，主关键层位置决定 了覆岩卸压的最大高度．因此 ，判别具体开采条件下主关键层位置 ，即 可确定下保护层开采的理论最大卸压高度．主关键层下岩层的卸压程度大小还受煤层采高 、主关键层距煤 层高度及主关键层厚度与极限悬跨步距等影响 ，有关定量关系有待进一步研究． ＼ 删 1 悻 }『 3 l l 塞 鼙 O 一 0 图 2 煤层上方2 4 0 m处岩层垂直应力和岩层膨胀率分布 F i g ． 2 T h e d i s t r i b u t i o n c u r v e s o f v e r t i c a l s t r e s s a n d e x p a n s i o n r a t i o a b o v e t h e s e a m 2 4 0 m 3 “ 煤与煤层气共采’ ’技术体系及示例 按卸压瓦斯的来源及卸压瓦斯抽放方法 的不同，构 建 了 “ 煤与煤层气共采 ”技术 体系 图 3 ．对煤 层群 开采条件 ，应优先考虑 利用开采保 护层 的方 法来实 现 “ 煤与煤层气共采” ；而对 于单一高瓦斯煤层开采条件 ， 目前要实现 “ 煤与煤层气共采”仍存在较大的技术难 度 ，文献 [ 1 0]提出了一条新的大胆思路． 岩层采动裂隙动态分布规律 的研究成果为卸压瓦斯 抽放钻孑 L 优化布置提供了理论指导 ，提 出的卸压 瓦斯抽 放钻孑 L 布置的 “ O形圈”理论 已在淮北 、阳泉 、淮南等 矿区的上覆远距离煤层卸压煤层气抽放 、邻近层卸压煤 层气抽放 、本煤层采空区卸压煤层气抽放中得到成功试 l 岩层移动 形成采动裂隙l ● ● I ● ● 木煤层 I I 邻 近层 l l 上覆 远距离 l l 废弃 采空 1 i 瓦斯 卸压I l 瓦 斯卸压『 I 煤 层瓦 斯卸压l I 积聚卸 ， i 瓦 斯 ‘ ‘ I 地而 钻井 l抽放I l 井下钻孔和苍道抽 放I L { 卸 压煤层， I 采} _ - J l { 提高煤层气采 牢， 降低矿 l 煤层， 资 源利H j ， l 』 井瓦 斯涌} } { 晕，消 除瓦斯事故J 消 除大 气污染 l 图 3 “ 煤与煤层气共采”技术体系 F i g ． 3 T h e t e c h n i c a l s y s t e m o f c o al a n d c o a l b e d me t h a n e s i mu l t a n e o u s e x t r a c t i o n 维普资讯 l 3 2 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年第2 9 卷 验与应用 ’ “ ’ ] ．淮北芦岭煤矿为煤与瓦斯突出矿井，8煤层为高瓦斯煤层 ，1 0煤层 为低瓦斯煤层 ，两 煤层的平均间距为7 0 m．8煤层在 一 4 0 0 m水平瓦斯含量为 1 6 m ／ t ，预计矿井煤层气储量达 7亿 m ．由 于 8煤层原始透气性太低，芦岭煤矿瓦斯抽放率一直徘徊在 1 5％左右．8煤层开采过程中瓦斯涌出量大 ， 影响采煤的高产高效 ，对安全生产造成 了严重的威胁 ，建井 以来多次发生瓦斯突出与爆炸事故 ，且大量的 煤层气资源由通风排放到大气中，造成资源的浪费和环境的破坏．只有高效抽放 8煤层瓦斯 ，减少 8煤层 开采瓦斯涌出量，才能实现芦岭煤矿的高效 、绿色开采． 采 气泉 房 目 储 气罐 淮北桃园煤矿曾利用 1 0 1 8工作面 1 0煤层开采过程 中覆岩 移动对上覆远距离煤层的卸压作用 ，成功地开展了地 面钻井开 采上覆远距离卸压煤层气的工业性试验 ．根据桃 园矿卸压 煤层气开采试验的成功经验和芦岭煤矿开采条件 ，提出芦岭煤 矿 “ 煤与煤层气共采” 技术方案，即改变芦岭煤矿现行 的下 行开采程序，采用上行开采程序 ，即先开采 8煤层下方 7 0 1 1 3 处瓦斯含量较低的 1 0煤层 ，利用 1 0煤层开采过程中上覆岩层 移动对 8煤层的卸压作用 ，提高 8煤层的透气性 ，同时利用地 面钻井高效开采 8煤层的卸压煤层气 ，形成高效的 “ 煤与煤层 气共采” 系统 图 4 ．预计其地面钻井平均卸压煤层气产量 将达 6 o o o m ／ d ，单井年采煤层气总量 可达 2 h m ，8煤层瓦 果气” 采煤 『 l { 乍而 低 瓦斯煤 层 图4 芦岭矿 “ 煤与煤层气共采”方案 Fi g ． 4 The s c h eme o f‘‘ c o a l a n d me t ha n e s i mul t an e o u s e x t r a c t i o n” i n Lu l i n g Mi n e 斯采出率将提高到 6 0 ％以上．待 1 0煤层开采结束和 8煤层卸压煤层气大部分被抽放后 ，再开采 8煤层． 为了实现上述 “ 煤与煤层气共采”技术方案，芦岭煤矿必须彻底转 变观念 ，将煤 层气作为一种资源，调 整 8煤层与 1 0煤层的开采顺序 ，全面推行上行开采程序，从采掘部署上将 8煤层卸压瓦斯开采当作正规 的开采工艺流程 ，并对开采煤层气进行利用． 4结 语 利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用 ，在采煤的同时高效开采卸压煤层气 ，即形成 “ 煤与煤层气共采”技术 ，将是我国煤层气开采的重要途径 ，也是煤矿绿色开采技术 的重要 内容之一．岩 层移动与采动裂隙分布规律是 “ 煤与煤层气共采”技术研究的重要理论基础．卸压瓦斯在采动裂隙场中的 渗流规律、岩层移动对卸压瓦斯抽放钻孔的破坏及其防护对策等方面还有待进一步研究 ． 参考文献 [ 1 ] 叶建平，史保生，张春才．中国煤储层渗透性及其主要影响因素 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 9 ，2 4 2 l l 8～1 2 2 ． [ 2 ] 周世宁，鲜学福，朱旺喜．煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社 ，2 0 0 1 ． 4 8～ 5 8 ． [ 3 ] 黄盛初 ，朱超，刘馨，等．中国煤矿区煤层气开发产业化前景 [ A] ．2 0 0 1年煤矿区煤层气项 目投资与技术国际 研讨会论文集 [ C ] ．徐州中国矿业大学出版社 ，2 0 0 1 ．5一l 1 ． [ 4 ] 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 5 ] 许家林．岩层移动与控制的关键层理论及其应用 [ D ]．徐州中国矿业大学，1 9 9 9 ． [ 6 ] 李树刚，钱鸣高，许家林，等．对我国煤层与瓦斯共采的几点思考 [ J ] ．煤，1 9 9 9 ，8 2 4～ 6 ． [ 7 ] 许家林，钱鸣高，武钢，等．综放面邻近层瓦斯抽放孔 巷布置的优化 [ J ] ．矿山压力与顶板管理，1 9 9 8 增 刊 1 2 6～1 2 9 ． [ 8 ] 于不凡．我国预防煤和瓦斯突出的主要措施 [ J ] ．工业安全与防尘，1 9 9 0 4 l 5 2 0 ． [ 9 ] 林柏泉，崔恒性．矿井瓦斯防治理论与技术 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 8 ． 8 4 8 5 ． [ 1 0 ] 周世宁，林伯泉，李增华．高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要问题 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 2 1 1 1 1 1 3 ． [ 1 1 ] 许家林，刘华民 ．采空区瓦斯抽放钻孔布置的研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ，1 9 9 7 ，2 5 4 2 8～ 3 0 ． 【 l 2 ] 许家林 ，钱鸣高．地面钻井抽放上覆远距离卸压煤层气试验研究 [ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 1 7 8～ 8 1 ． 维普资讯