对我国煤层与瓦斯共采的几点思考

特约专稿
对我国煤层与瓦斯共采的几点思考
李树刚(西安矿业学院)　
钱鸣高　许家林　缪协兴
(中国矿业大学)
摘　要　我国煤系地层赋存的瓦斯极具开采利用价值,但目前的开采效果并不理想。

运用岩层控制中的关键层理论,探讨采动影响下瓦斯大量运移和聚集特征,提出了煤层与瓦斯安全高效地共采的新思路,并进行了效益分析。

关键词　煤层　瓦斯　关键层理论　煤层透气性　瓦斯抽放
我国煤炭储量丰富,目前已探明地质储量900Gt,同时也是世界上煤层瓦斯(煤层气、煤层甲烷)资源最丰富的国家之一,据测算仅陆地上烟煤和无烟煤煤田中2000m以浅煤层中蕴藏着3×1013m3～315×1013m3的煤层瓦斯资源。

从可持续发展的战略眼光看,煤矿仅开采原煤而不顾及其他的生产模式早已过时。

事实上,我国煤矿多年来一直奉行着既大量开采煤炭资源(已连续几年产量居世界之首)以满足国民经济建设快速发展的需要和能源出口创汇,同时又大量抽排瓦斯以保证煤矿的安全生产和充分利用瓦斯资源(如抚顺、阳泉及芙蓉等大矿区)的开发策略,但与先进产煤国的勘探开发现状比,仍有不小差距。

据统计我国42个矿务局(公司)117对矿井平均瓦斯抽放率仅为16.5%[1],最好的抚顺矿区,也只有30%～50%。

近年来我国在山西柳林、阜新刘家屯、铁法大兴等地进行钻井开采煤层瓦斯试验,其效果并不理想,主要原因在于我国煤层瓦斯本身的赋存特征。

1　我国煤层瓦斯储层的低透气性及共生共储特征
与美国、俄罗斯、乌克兰和波兰等国相比,我国煤层瓦斯赋存有“两高三低”的明显特性。

即:①煤层瓦斯贮存量高。

中国矿业大学、淮南矿业学院和西安勘探分院(1989年)联合研究概标全国煤层瓦斯贮量为313×1013m3,是美国的3倍还多。

国内68个聚煤单元,埋深300m～1500m范围内煤层瓦斯资源量为215×1013m3,主要分布在华北、西北和华南地区[2]。

②煤层吸附瓦斯能力高。

③煤层瓦斯压力较低。

大部分瓦斯压力为015MPa～310MPa,仅少数矿井煤层深达800m～1000m处出现高压区,瓦斯压力为510MPa～8.5MPa,而美国勇士(Black Warrior)及圣胡安(San J uan)盆地在深600m～822m处瓦斯压力可达516MPa～818MPa。

④煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂裂隙所占比例低。

美国勇士盆地裂隙半长在76m～91144m,而我国仅有30m左右,抚顺煤田钻孔影响范围可达50m。

⑤煤层瓦斯储层渗透系数低。

绝大多数在10-12m2以下,渗透系数最大的是抚顺煤田,约为514×10-10m2～3187×10-9m2。

其中煤层渗透性是煤层瓦斯开采的关键性参数,但低渗透性等特征在一定程度上给煤层瓦斯的勘探和开采带来困难。

煤层渗透性与煤的孔隙结构、破坏特征、矿山压力、瓦斯含量、瓦斯的吸附解析特性、煤温度及煤岩中水分均有密切关系。

多年的开采实践表明,采动过程中,煤层瓦斯运移状态发生变化,矿山压力对煤层渗透性变化有决定性作用,而渗透性变化又对瓦斯的聚集与排放(涌出)、瓦斯压力的分布起重要作用。

我国煤矿年抽放瓦斯量近6×108m3,多年的科研和抽放实践表明:瓦斯和煤岩体具有“共生”、“共储”的特点,即煤岩体既是瓦斯气体的生气源岩,又是储气岩;生储于煤岩体中的瓦斯只有在煤层被开采和围岩体在采动影响下变形、移动及破断失稳后才会有大量的运移,其中包括渗流、扩散、升浮、向回采空间自然涌出或人工抽排等正常运移和超限聚集、突出、喷出及倾出等异常运移。

事实已表明,我
国不宜完全象美国那样大规模直接进行地面钻井(孔)抽放瓦斯,而应该着力于采动影响下层状岩体应力分布和裂隙分布与煤层瓦斯运移形态的研究和实践,从而高效安全地开采煤炭和瓦斯这两种优质资源。

2　采动岩体关键层理论为煤层与瓦斯共采研究注入新的活力
地下矿体的采出会引起采场围岩体内应力重新分布,进而引起围岩的变形、破坏和运动,导致围岩裂隙状态的变化。

采场围岩活动会造成各类顶板事故、人员伤亡及巷硐破坏,在煤岩层内部会引起水体和瓦斯气体运移状态的改变,严重时将危及工作面的安全生产(如煤与瓦斯突出、底板突水等),在地面会引起地表的开裂和沉陷,造成对地表建(构)筑物、农田水体的损害。

因此国内外学者都十分重视采动围岩活动规律及其控制的研究。

事实上,缘于成岩时间、矿物成分和地质构造的不同,煤岩层中各层厚度和力学特性等方面存在着不同程度的差别,而其中一些较坚硬厚岩层在采场围岩变形和破坏中起主要的控制作用,它们以某种力学结构支承上部岩体的压力,而它们破断后形成的结构形式(如砌体梁)又直接影响着采动矿压显现和岩层移动。

钱鸣高院士把这种在岩层活动中起主要控制作用的一层或几层坚硬岩层称为关键层[3]。

关键层的变形、破裂、形成结构和运动将在采场围岩中引起大范围的岩层活动,这种活动下可影响到采场、支架和底板岩体,上可影响到地表,因此说关键层结构模型可作为采场矿压、岩层移动和地表沉陷等研究的统一基础。

问题的关键还在于,采场覆岩关键层未破断失稳前,将以Winkler弹性地基板或梁的结构形式产生挠曲下沉变形,此时关键层下部将产生不协调性的连续变形离层,如有亚关键层存在,则局部破断后的关键层(或岩层组)将形成砌体梁结构,这将在主关键层下部产生非连续变形和连续变形之间的不协调性离层[4]。

亚关键层与亚关键层、亚关键层与主关键层都破断形成砌体梁结构后,在覆岩中形成非连续变形的不整合性离层,这种离层将发生在开采边界的四周,而非中部。

离层量大小取决于已破断关键层的断裂块度、垫层软散系数及开采深度。

覆岩离层裂隙和破断裂隙的存在及其变化形态为工作面回采过程中本煤层瓦斯和邻近层(含围岩)
瓦斯运移和聚集提供了通道和空间,而在此形成过程中,关键层的结构、破断及失稳对煤岩层中瓦斯运移产生很大影响。

而采场瓦斯大量快速涌出或异常涌出是关键层初次破断或周期破断失稳的一种矿山压力显现,对于开采含瓦斯煤层而言,关键层理论及其控制实践为煤层与瓦斯共采研究注入新的活力,通过关键层变形、活动规律的研究,掌握瓦斯运移和聚集的通道和时间,采取合理有效的抽放措施,即可达到安全共采之目的。

3　主关键层失稳前后覆岩断裂带的空间分布
覆岩采动断裂带分布并非传统认识中的位于垮落带之上的层状均匀分布。

通过数值模拟和物理模拟等方法的研究可知,主关键层下部将产生较为显著的离层变形,而且在主关键层破断失稳前离层与破断裂隙贯通后在空间上构成形似椭圆抛物面内外边界所包围的椭抛带状分布,其层面切割为椭圆形(又称“O”型圈)的裂隙发育区,即可供于瓦斯运移和聚集的裂隙空间为开采四周上部范围内,其中部已被垮矸压实而少见宏观裂隙,这样在剖面上形成抛物带状分布。

充分采动后,主关键层经历了初次破断和周期破断,覆岩裂隙椭抛带不复存在,但层面展布的椭圆形裂隙区仍将出现。

而且断裂带宽在初采边界处相当于关键层初次破断步距,而在回采面上方断裂带宽变化在1倍～2倍的周期破断距范围内。

由此可见,覆岩断裂带的空间分布及来自本煤层和邻近层瓦斯运移聚集都将随工作面开采而处在动态变化过程中,因此相应的抽排瓦斯技术要遵循这种变化规律。

由流体力学原理知,采动中来自本煤层或邻近层的瓦斯高浓度聚集,因与周围环境气体(有效风或漏风)存在密度差而升浮,在浮力作用下沿断裂带上升过程中不断掺入周围气体使涌出源瓦斯与环境气体的密度差渐减至零,瓦斯则会聚集(漂浮)在断裂带上部较发育的离层裂隙内,瓦斯升浮高度与本煤层及邻近层瓦斯含量及涌出强度成正比。

混入矿井空气中的瓦斯在其浓度梯度作用下会引起气体分子向上的普通扩散和压强扩散。

瓦斯的“升浮———扩散”理论解释了覆岩采动断裂带是瓦斯运移和聚集带,这为断裂带内钻孔抽放巷道排放瓦斯技术措施提供了科学依据。

4　煤层与瓦斯共采的关键技术
现场测定和实验研究表明,采动后支承压力对开采煤层的渗透系数变化起主导作用,采场前方应力集中带内煤层渗透系数极低而瓦斯压力在增大,故其内瓦斯涌出量会下降;当开采煤层卸压围岩松动后,瓦斯涌出量会急剧增加,渗透系数值增大很多,可达数百倍,并使解析流量也增加很多,此即“卸压增流效应”。

由此得出结论:不论原始渗透系数怎样低的煤层,在采动影响煤层卸压后,其渗透性会急剧增加,煤层内瓦斯渗流速度大增,瓦斯涌出量也随之剧增,漏风影响会使涌出瓦斯升浮扩散至覆岩采动断裂带,这为瓦斯抽排提供了极便利条件,此即主张的我国矿山煤层与瓦斯“共采”理论根据之所在。

由此可见,无论在煤壁前方及覆岩采用钻孔抽放、巷道排放或地面钻井(孔)抽放何种措施,都应将巷道或钻井(孔)终孔点布置在瓦斯运移活跃区和聚集富有区。

可实现的关键技术有:①工作面前方瓦斯卸压增流区内合理布置边采边抽钻孔;②利用采动区(半封闭式采空区)井(孔)以替代采空区井(孔),据采动过程中覆岩断裂带的动态变化,合理布置井(孔)位置,高浓度抽出瓦斯;③在覆岩采动断裂带内布置走向高抽巷、倾向高抽巷或水平长距离(500m～600m)大直径(200mm～300mm)钻孔抽放断裂带内富集瓦斯;④采用保护层开采技术,其中综放开采中的预采顶分层或邻近层作为解放层开采等,既可使坚硬顶板预破碎以减缓采场矿压显现程度,又可使卸压范围内瓦斯运移速度加快、流量增加,充分抽排瓦斯。

当然,为保证工作面安全回采,可预测瓦斯大量涌出或涌出异常,这种涌出是矿山压力的一种显现,因而是可预测的。

5　煤层与瓦斯共采可实现的良好效益自有煤炭开采以来,易燃易爆的瓦斯曾导致无数次矿毁人亡的重大恶性事故,然而主要成分甲烷的煤层瓦斯却具有其它能源无法比拟的无污染、无油污等多种优点,实现煤层与瓦斯两种资源有效共采,定会获得良好的经济效益和社会效益。

以淮北芦岭矿为例,该矿为设计能力214Mt/a 的高瓦斯突出矿井,煤层瓦斯含量为15m3/t, -1200m以上水平煤炭可采储量371Mt,瓦斯储量614×109m3,现年产煤达1.85Mt,瓦斯涌出量为31162×106m3/a。

该矿针对煤层厚、煤质松酥及透气性低(617×10-11m2)等特点,充分利用煤层开采后形成的采动裂隙椭圆形发育区特征,采用地面垂直采动区孔、顶板长距离水平钻孔和顶板穿层钻孔相匹配抽放瓦斯[5],供4000户居民燃用。

以每户每年用燃煤3t计,居民燃用煤可节约12kt,节支180万元/a,井口气价按110元/m3计,每户日供气1m3,则可增收146万元,两项合计为326万元,经济效益十分可观;瓦斯作为原料,可用于发电,可一次性加工为合成氨、甲醇、乙炔、氢气等产品,其使用价值更高;以等效发热量计,1000m3瓦斯相当于4t原煤,若年瓦斯涌出量之80%能充分利用,可节省原煤10112kt/a,而且解决了瓦斯排放对环境的污染。

实现煤层与瓦斯共采,可减少工作地点的瓦斯涌出量,保证工作面安全生产,基本消除采掘工作中煤与瓦斯突出现象,减轻矿井通风负荷,降低工作面风速,减少煤尘飞扬,改善劳动环境;瓦斯利用,变废为宝,作为生活燃料方便卫生,是优质的“绿色能源”[6],会使职工劳动热情增高,企业凝聚力增强;既可减少因燃煤造成的环境污染,又可消除瓦斯直接排放大气所造成的污染,以芦岭矿年节燃煤12kt,则全年减少排放SO2约96t,烟尘768t,提高了大气环境质量。

两淮煤田埋深2000m以浅保有和预测煤炭储量8617Gt,煤层瓦斯资源量90187×1010m3[7],这样丰富的煤炭和瓦斯资源,若能安全高效地“共采”,则对华东经济发展极具重大的战略意义。

更进一步讲,我国现有矿井中30%以上为高瓦斯突出矿井,随着矿井开采规模和深度的不断扩大,由瓦斯引起的事故隐患将逐渐增大,可见煤层与瓦斯共采理论和技术的研究与应用是一个意义重大的课题。

6　结　语
我国煤层瓦斯赋存特征决定了只有在煤层开采过程中才可有效地抽排快速运移大量聚集的瓦斯,其内涵包括两个方面,一方面可消除开采过程中由瓦斯引起的事故威胁,二是可充分利用采动岩体变形活动特征,探讨煤岩体内瓦斯运移聚集规律,以采取合理有效技术开发和利用优质的瓦斯资源,从而取得良好的社会经济效益,改善大气环境,促进煤炭工业的可持续发展。

(下转第67页)
F0101(1,16)=8153
显然F=16811>8153,故可认为y与x之间存在着线性相关关系,回归直线方程是显著的具有实用价值。

114　利用回归方程进行预测
所谓预测,就是用回归方程根据变量x的取值来预测或控制y的取值,并给出一定的精度范围。

对于任一给定的x0,一般当x0取值在x附近, n比较大时,可用观测对象的剩余方差来估计理论剩余方差。

按回归方程 y=-01056+01034x
剩余标准差σδ=S剩/n-2=
0186/16=0123
故L1:y′=-01056+01034x-2×0123=
-01516+01034x
　L2:y″=-01056+01034x+2×0123
=+01404+01034x
这两条直线之间,就是回归直线的精度范围,显然σδ值越小,利用回归直线估计y值则越精确,见图2。

应当指出,回归直线方程是在有限点基础上计算得来的,因此预测只能应用在有限范围之内,一般在max(x i)≥x≥min(x i)的范围内预测效果较好。

2　在生产中的应用及获得的经济效益
通过多次分析论证,得到的公式可直接应用于生产,并指导生产;在一定范围内,可直接根据断层的延展长度判定本断层落差的变化,具有很强的预测性,避免了因探测断层落差而多次巷探造成的浪费,既经济又方便,有利于提高煤矿的经济效益;该矿每年因探测断层落差而打的探巷,不少于250m;每进1m煤巷的成本为420元,按250m计算,每年因探测断层面耗费的资金为:
250m×420元/m=
1015(万元)
图2　回归直线方程预测
根据确定的定量关系,分别对新采的几个工作面发现的断层进行过探测和计算分析,发现定量分析得出的结论与实际相吻合。

应当引起注意的是,本研究的原始资料仅限于一定的范围内,公式的应用也仅能适用于有限的区域,随着开采范围的变动,经验公式也要发生变化;不同的矿区由于地质条件的不同,得到的定量关系式也必不相同,但无论怎样,都可以应用此法进行分析、探讨。

参考文献
1　徐开礼,朱志澄.构造地质学.北京:地质出版社,1987
2　龙荣生.矿井地质学.北京:煤炭工业出版社,1991
第一作者简介
赵术江,男,1969年生,助理工程师。

1993年毕业于黑龙江矿业学院,现从事煤矿设计、科研工作。

地址:山东省新泰市,邮编:271207。

(修回日期:1998Ο12Ο21　责任编辑宋建勋)
(上接第6页)
参考文献
1　屠锡根,王佑安,王震宇.我国煤矿瓦斯防治工作现状与展望.煤矿安全,1995(2):3～7
2　杨锡禄.煤层气勘探开发进展.煤田地质与勘探,1996
(1):29～32
3　钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论.煤炭学报,1996(3):225～230
4　钱鸣高,缪协兴.采动岩体力学———一门新的应用力学研究分支学科.科技导报,1997(3):29～31
5　许家林,刘华民.采空区瓦斯抽放钻孔布置的研究.煤炭科学技术,1997(4):28～306　谢正义.芦岭煤矿居民用上“绿色能源”.科技日报,1998Ο06Ο16(6)
7　刘华民.安徽两淮煤田煤层气开发利用现状及前景.中国煤层气,1997(2):21～24
第一作者简介
李树刚,男,1963年生,博士,副教授。

1984年毕业于西安矿业学院,1998年于中国矿业大学博士研究生毕业,现在采矿工程系从事教学和科研工作。

发表论文39篇。

地址:陕西省西安市,邮编:710054。

(收稿日期:1998Ο10Ο15　责任编辑李月成)。