搜索
第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ４６ Ｎｏ１ ２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ２０１８ 我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展林海飞ꎬ李树刚ꎬ赵鹏翔ꎬ肖 鹏ꎬ潘红宇ꎬ刘 超(西安科技大学安全科学与工程学院ꎬ陕西西安 ７１００５４)摘 要:采动裂隙带卸压瓦斯抽采是工作面瓦斯防治的主要方法ꎬ介绍了采动裂隙动态演化规律的研究现状ꎬ分析了卸压瓦斯抽采原理ꎮ根据瓦斯抽采直接通道的不同ꎬ总结提出采动裂隙带瓦斯抽采分类方法ꎻ基于工作面瓦斯绝对涌出量的大小ꎬ提出采动裂隙带瓦斯抽采技术的分级选择法ꎮ对各类采动裂隙带瓦斯抽采方法的优缺点、布置方式进行了分析论述ꎬ给出了具体的设计方法以及技术参数ꎬ并结合现场实例说明了各种抽采方法的效果ꎮ最后通过总结概括采动裂隙带瓦斯抽采技术的研究现状ꎬ指出采动裂隙带演化模型三维化、瓦斯高效抽采技术参数精准化以及瓦斯抽采技术装备智能化是覆岩采动裂隙带瓦斯抽采未来的研究重点及发展趋势ꎮ关键词:采动裂隙带ꎻ瓦斯抽采ꎻ模型三维化ꎻ参数精准化ꎻ装备智能化中图分类号:ＴＤ７１２ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－００２８－０８ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅｉｎｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＣｈｉｎａＬＩＮＨａｉｆｅｉꎬＬＩＳｈｕｇａｎｇꎬＺＨＡＯＰｅｎｇｘｉａｎｇꎬＸＩＡＯＰｅｎｇꎬＰＡＮＨｏｎｇｙｕꎬＬＩＵＣｈａｏ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅｗａｓｔｈｅｍａｉｎｇａｓｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎｌａｗｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅꎬｔｈｅｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇａｓａｂｓｏｌｕｔｅｅｍｉｓｓｉｏｎｖｏｌｕｍｅｆｒｏｍｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬａｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈ￣ｏｄｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｈａｄａｎａｎａｌｙｓｉｓｓｔａｔｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｄｉｓａｄｖａｎ￣ｔａｇｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｌａｙｏｕｔｍｅｔｈｏｄｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｍｅｔｈｏｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅꎬｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｃｅｒｔａｉｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｘｐｌａｉｎｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒａｉｎａｇｅｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｔｅｃａｓｅｓ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｗｉｔｈｔｈｅｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｃｌｕ￣ｓｉｏｎｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅꎬｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅ３Ｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅꎬａｃｃｕｒａｃｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｔｇａｓｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｏｕｌｄｂｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｆｒｏｍｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅｏｆｔｈｅｏｖｅｒｂｕｒ￣ｄｅｎｓｔｒａｔａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅꎻｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌꎻｐａｒａｍｅｔｅｒａｃｃｕｒａｃｙꎻｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ收稿日期:２０１７－０８－０８ꎻ责任编辑:王晓珍 ＤＯＩ:１０１３１９９/ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１８０１００４基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１７３４００７ꎬ５１６７４１９２ꎬ５１６０４２１９ꎬ５１７７４２３５)ꎻ新疆煤及煤层气工程技术研究中心建设资助项目(２０１５０１３)作者简介:林海飞(１９７９—)ꎬ男ꎬ山西天镇人ꎬ教授ꎬ博士ꎮＴｅｌ:０２９－８５５８７４５０ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｌｈａｉｆｅｉ＠１６３.ｃｏｍ引用格式:林海飞ꎬ李树刚ꎬ赵鹏翔ꎬ等我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展[Ｊ]煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):２８－３５ＬＩＮＨａｉｆｅｉꎬＬＩＳｈｕｇａｎｇꎬＺＨＡＯＰｅｎｇｘｉａｎｇꎬｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｉｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｚｏｎｅｉｎｏｖｅｒ￣ｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ]ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):２８－３５０ 引 言我国是一个煤炭资源大国ꎬ也是煤炭生产和消费大国ꎮ据统计ꎬ我国煤炭资源总量在埋深２０００ｍ以浅为５５７万亿ｔ[１]ꎬ在一次能源生产和消费结构中分别占７７％和６２％[２]ꎮ目前我国煤矿井工开采比例达到９７％ꎬ随着长期大规模的开发ꎬ我国煤矿以每年１０~２０ｍ的速度向深部延深ꎬ越来越多矿井进入深部８２林海飞等:我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展２０１８年第１期开采阶段ꎮ深部开采煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大ꎬ瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁[１－２]ꎬ已成为制约矿井安全高效生产的因素之一ꎮ同时ꎬ瓦斯也对大气环境有害ꎬ其对臭氧层破坏及产生的温室效应分别是ＣＯ２的７倍和２１倍ꎮ但与灾害性相对ꎬ瓦斯还是一种与煤伴生的高热、洁净能源ꎬ我国埋深２０００ｍ以浅瓦斯赋存约３６８万亿ｍ３ꎮ如安全高效抽采瓦斯ꎬ可防治瓦斯灾害ꎬ减少大气污染ꎬ同时作为清洁能源利用ꎬ达到矿井安全生产、环境保护与新能源供给等多重效应[３－４]ꎮ由于我国大部分矿区煤层瓦斯赋存具有“三高两低”特征[５－６](三高:煤层高瓦斯含量、高可塑性结构、高吸附瓦斯能力ꎻ两低:煤层渗透率低、强化措施下煤层常规破裂裂隙占比低)ꎬ卸压瓦斯抽采仍是今后重点ꎮ笔者分析了我国煤矿采动裂隙带卸压瓦斯抽采的重要性ꎬ探讨了采动覆岩裂隙演化形态ꎬ分析抽采采动裂隙带卸压瓦斯原理ꎻ提出采动裂隙带卸压瓦斯抽采分类方法及选择原则ꎬ总结各种抽采方法的技术原理、优缺点及关键参数ꎬ并提出今后的发展趋势ꎮ１ 采动裂隙带卸压瓦斯抽采的重要性１１ 瓦斯抽采对保障煤矿安全生产的作用２００２年我国提出“先抽后采ꎬ监测监控ꎬ以风定产”的瓦斯治理工作方针ꎬ经过多年科技攻关、技术改造和加大监管监察力度ꎬ煤矿瓦斯治理科技、装备和管理水平都取得了巨大进步ꎮ由我国煤矿瓦斯事故与瓦斯抽采量情况(图１)对比可知ꎬ我国煤矿瓦斯抽采量及利用量迅速增长ꎬ２０１６年煤矿瓦斯抽采量１７３亿ｍ３ꎬ利用量９０亿ｍ３ꎬ分别是２００１年的１６６５倍和１６２１倍ꎻ瓦斯事故起数及死亡人数呈逐年下降趋势ꎬ２０１６年煤矿瓦斯事故２３起、死亡１８３人ꎬ分别比２００１年下降了９６９７％和９２８１％ꎮ图１ 我国煤矿瓦斯事故及瓦斯抽采与利用量Ｆｉｇ１ ＧａｓａｃｃｉｄｅｎｔａｎｄｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＣｈｉｎａ将煤矿瓦斯事故起数及死亡人数与瓦斯抽采量进行对比发现(图２)ꎬ两者符合负指数关系ꎮ这充分说明ꎬ随着瓦斯抽采量的快速增加ꎬ可减少工作面瓦斯的涌出ꎬ降低瓦斯积聚及超限次数ꎬ保证矿井的安全生产ꎮ１２ 采动裂隙带瓦斯抽采的作用我国含煤地层一般经历了成煤后的强烈构造运动ꎬ煤层内生裂隙系统遭到破坏ꎬ成为低透气性的高延性结构ꎬ使大部分矿区煤层瓦斯赋存明显存在“三高两低”特征ꎮ尤其是煤层低渗透率ꎬ这使得采前预抽瓦斯效果与美国、澳大利亚等国家相比不甚理想ꎬ决定了地面预抽煤层瓦斯难度较大ꎬ先采气后采煤技术仍需进一步发展ꎮ据统计ꎬ２０１６年我国地面瓦斯抽采量４５亿ｍ３ꎬ约占瓦斯抽采总量的２６０１％ꎮ煤层瓦斯主要以吸附于孔隙表面及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存ꎬ在岩体应力与瓦斯压力下处于相对平衡状态ꎬ但在采动影响下会被打破ꎬ煤岩体随之变形破裂ꎬ渗流结构得到改变ꎬ瓦斯得以解吸、扩散、渗流、运移ꎮ因此ꎬ煤层开采后采动裂隙带卸压瓦斯抽采仍将是今后的研究重点ꎬ对于防治工作面瓦斯超限具有重要作用ꎮ图２ 瓦斯抽采量与瓦斯事故关系Ｆｉｇ２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｇａｓａｃｃｉｄｅｎｔ２ 采动裂隙带卸压瓦斯抽采原理２１ 采动覆岩裂隙演化形态及模型煤层开采后ꎬ瓦斯运移及储集依赖于采场覆岩裂隙发育演化规律及其形态ꎮ钱鸣高院士等[７]基于关键层理论ꎬ提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“Ｏ”形圈分布特征ꎮ林柏泉等[８]提出采动裂隙带是“回”形圈的分布ꎮ杨科等[９]得到覆岩采动裂隙具有“∩”型高帽状、前低后高驼峰状、前后基本持平驼峰状、前高后低驼峰状等特征ꎮ齐庆新等[１０]认为工作面前方煤体存在反“Ｃ”形裂隙发育带ꎮ文献[６ꎬ１１－１２]将采动裂隙分为采空区顶板环形裂隙区、裂隙带内竖向裂隙发育９２２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷区及远程卸压煤层裂隙发育区ꎮ近年来ꎬ袁亮院士等[１３]运用实时监测、数值模拟ꎬ建立了低透气煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法ꎮ李树刚[１４]提出采场覆岩破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间上分布是采动裂隙椭抛带ꎮ笔者基于采动裂隙椭抛带模型ꎬ结合采动裂隙“Ｏ”形圈特征ꎬ提出采动裂隙圆矩梯台带的工程简化模型[１５]ꎬ如图３、图４所示ꎬ图中ＦＺ１为破断裂隙区ꎬＦＺ２为离层裂隙区ꎬＣＺ１为断破压实区ꎬＣＺ２为离层压实区ꎮ图３ 主关键层触矸前采动裂隙带形态Ｆｉｇ３ Ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｍｉｎｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｚｏｎｅｂｅｆｏｒｅｔｈｅｍａｉｎｋｅｙｓｔｒａｔｕｍｔｏｕｃｈｅｓｔｈｅｇａｎｇｕｅ图４ 主关键层触矸后采动裂隙带形态Ｆｉｇ４ Ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｍｉｎｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｄｚｏｎｅａｆｔｅｒｍａｉｎｋｅｙｓｔｒａｔｕｍｔｏｕｃｈｅｓｇａｎｇｕｅ２２ 采动覆岩裂隙带抽采瓦斯原理通常工作面推进到一定距离后ꎬ开切眼、工作面和进回风巷构成的几何图形为矩形ꎬ当覆岩层面离层和穿层破断裂隙贯通后ꎬ在平行于煤层平面的矩形框内存在环状裂隙发育区ꎬ在环形圈中部是压实裂隙ꎬ如工作面足够长ꎬ可形成类似于经过圆倒角的矩形ꎬ如工作面较短或裂隙带上部ꎬ则形成椭圆形结构ꎬ如图３ａ、图４ａ所示ꎮ垂直于煤层剖面上ꎬ主关键层触矸前ꎬ垮落的最上位亚关键层上方与未垮关键层间裂隙发育ꎬ其下方在进风巷、回风巷、开切眼及工作面附近裂隙发育ꎬ采空区中部裂隙压实ꎬ裂隙区及压实区边界线可近似为直线ꎬ从外形上看呈梯形状ꎬ如