关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“ 三带”
三带计算
三带计算
采用长壁垮落采煤法，当采深达到采高的25倍以上时，上覆岩层移动、变形和破坏可分为三个带。
一、垮落带及断裂带：
Hm=m/(k-1)cosa
式中：
m-----煤层厚度
k-----垮落岩石碎涨性系数
a-----煤层倾角
Hm-----垮落带高度
Hm=m-w/(k-1)cosa
式中：
w-----垮落过程中顶板下沉值
H2-----断裂带高度
H1=（1-3）Hm
式中：
H1-----断裂带高度
注：垮落带高度视岩性的不同，一般为采高的3-5倍
断裂带与垮落带的总高度一般为煤厚的9-35倍
弯曲带为位于断裂带上直至地表。
二、采煤顶板一次垮落高度：
H=m/(k1-1)
式中：
m-----煤层厚度
k1-----岩石初始碎涨系数，一般取1.3
三、充分采动和超充分采动时地表最大下沉量：
Wcm=qmcosa
式中：
m-----煤层开采厚度
a-----煤层倾角
q-----充分采动时地表下沉系数，长壁垮落采煤发q取0.6-1.0 四、地表最大水平移动值
Ucm=bWcm
式中：
b-----水平移动系数，有实测资料分析。
五、最大下沉角：
θ=90°-Ka
式中：
a-----煤层倾角
K-----开采影响的传播系数，K=0.5-0.8。
巨厚煤层综放工作面覆岩“三带”演化特征
图4采空区覆岩裂隙形态 Fig.4 The shape of overlying cracks in goaf
5
-20
-25o
I____________ I____________ I____________ I____________ I
50
100 150 200 250
距切眼距离/m
图5覆岩弯曲下沉量曲线 Fig.5 Overlying rock bending and sinking
(g )推进至162 m (h)推进至185m (i)推进至210 m
图3各个周期来压覆岩形态 Fig.3 Pressing each cycle
根据各个周期来压所对应的推进距离对(915)06工作面采空区覆岩裂隙分布形态进行划分, 采空区覆岩裂隙形态如图4,由于煤厚与试验自身 局限性，本次试验可以观察到完整的垮落带形态。
1试验模型设计与制作
1.1 试验原型 《煤矿安全规程》规定8 m以上的煤层称为特
厚煤层，然而随着煤炭资源勘查力度的增大,发现远 远大于8 m以上的厚煤层，因此，煤层的厚度定义 应根据实际煤层厚度及现有开采技术能力而有所调 整。许猛堂确定煤厚超过20 m以上的煤层为巨厚 煤层，试验模拟西山窑组下段下部的9-15号煤层， 9-15号煤层是井田唯一巨厚煤层，且为稳定煤层， 顶板以粉砂岩、泥岩为主；底板以泥岩、粉砂岩为 主，煤厚 23.3-25.6 m,平均 25.4 m。 1.2相似参数的确定
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第52卷第6期 2021年6月
Safety in Coal Mines
Vol.5落带上方是裂隙带， 这一范围内的岩层，较于垮落带岩层分布规则，且岩 层内部存在许多裂隙，但是岩层有其原本的连续性。 裂隙带上方是弯曲下沉带，其只有工作面推进距足 够长时才会显现，相较于裂隙带此范围内岩层裂隙 发育一般，且会有离层现象。覆岩“三带”各自范围 内岩层特性影响着采煤工作面的矿压显现特征。
低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术
试论低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术摘要：瓦斯是一种爆炸性气体，对井下员工的生命安全有很大的危害性。
而高瓦斯突出矿井经常会发生瓦斯爆炸事故，会给煤矿企业带来巨大的经济损失和人员伤亡。
因此需要采取有效措施确保高瓦斯煤层群的安全生产，本文主要针对低透层高瓦斯群为研究对象，对一些常见的安全开采关键技术进行探讨。
关键词：高瓦斯煤层全安全开采技术一、低透高瓦斯煤层群的概况随着煤矿的开采量不断提高以及煤矿开采深度的不断增加，地质条件的复杂性使得煤矿生产的安全性要求也越来越高，所以如何有效解决低透高瓦斯煤层群安全开采过程中的瓦斯灾害，为矿井生产提供有力的安全保障，成为了人们关注的焦点问题。
但是瓦斯作为一种经济、环保的高效能源，可以给生产生活带来许多便利，因此对于瓦斯的处理问题不单单是依靠抽放的方式避免瓦斯灾害给矿井生产带来的威胁，更重要的是在改善矿井生产的同时合理的开发利用这种燃料资源。
现阶段煤矿与瓦斯共同开采技术是对传统瓦斯治理技术的一种革新，从低透高瓦斯煤层群中抽采利用瓦斯已经进入了矿井生产的正常工艺流程。
从而有效的提升矿井生产的经济效益和社会效益。
二、低透高瓦斯煤层群开采的关键技术在对低透高瓦斯煤层群进行开采的过程中，需要采取有效的措施来预防瓦斯爆炸事故的发生。
以下就对低透高瓦斯煤层群开采的关键技术进行具体分析：（一）瓦斯的合理利用由于矿井中的瓦斯是客观存在的，尤其是在低透高瓦斯煤层群当中瓦斯灾害更加需要引起重视，所以要防止瓦斯爆炸事故的发生，主要目的就是通过抽放来减小煤体中赋存的瓦斯含量，即切断瓦斯涌出的源头或者减少瓦斯来源。
而且对于低透高瓦斯煤层来说，瓦斯抽放的效果显得尤为重要，为了能够增加瓦斯的回收利用率，需要将传统抽放的方式改为全面卸压开采抽采瓦斯的方法。
卸压开采抽采瓦斯的技术要点如下：（1）低透高瓦斯煤层群保护层开采卸压抽采瓦斯在低透高瓦斯煤层群当中，保护层的开采和瓦斯抽采是解决危险煤层与瓦斯突出和实现安全生产的有效措施。
单一低渗突出煤层煤与瓦斯共采关键技术新进展
4
(3) 对于单一低渗突出煤层，包括没有适合开采保护层的煤层群，现行唯
一的抽采技术就是在卸压煤层顶底板施工专用抽采岩石巷道，以大范围
穿层钻孔实施区域治理，实现高瓦斯煤层在低瓦斯条件下的采掘活动。
顶板穿层钻孔条带抽采示意图
底板穿层钻孔条带抽采示意图
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对于单一低渗突出煤层，包括没有低瓦斯保护层可采的煤层群，仅 仅依靠岩巷穿层钻孔进行瓦斯区域治理，安全上、技术上、经济上都面临
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1、“以孔代巷”瓦斯抽采技术
该技术以煤岩长钻孔或岩石多分支穿层钻孔代替传统的岩石抽采 巷道和岩巷穿层钻孔，可大大减少岩巷工程量，提高钻孔有效长度。
钻孔沿煤层走向平行布置， 压裂孔和抽采孔间隔布置，通过 压裂孔大规模单孔压裂或小规模 多点压裂增透，实现煤层-围岩 层缝网体积改造；利用抽采孔高 浓度连续长期预抽煤层瓦斯，实 现瓦斯区域治理。 “以孔代巷”走向长钻孔布置示意图
抽采巷道+岩巷穿层孔，一孔多用，通过井地联合水力扰 动增透区预抽原始煤层瓦斯、通过采动应力形成的高渗裂 隙区抽采卸压瓦斯，结合自动掏槽卸压快速掘进技术，抽 掘采协调进行，先抽后掘，先抽后采，实现煤与瓦斯安全
高效开采。
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提
纲
煤与瓦斯共采技术背景Leabharlann 煤与瓦斯共采关键技术创新
技术展望
1、“以孔代巷”共采技术全面应用
旋掏槽钻机（直径600—
1000mm），一次掏槽深度20 米左右，智能钻进，远程控
制、无人化自动作业，掏槽
孔用高倍发泡充填材料快速 充填。实现大直径掏槽钻孔
大直径可控掏槽卸压技术
的深度、进度、瓦斯涌出量 智能控制。
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5、煤与瓦斯共采新模式
煤与瓦斯共采是将煤炭开采与瓦斯抽采综合为一体的
煤层瓦斯赋存规律
煤层瓦斯赋存规律
煤层瓦斯赋存规律是指煤矿中煤层瓦斯的分布、存在形式及其规律。
煤层瓦斯是由煤中的有机质在埋藏过程中形成的，在煤矿开采过程中具有潜在的危险性。
煤层瓦斯的赋存规律对煤矿安全生产具有重要意义。
煤层瓦斯赋存规律可以归纳为以下几个方面：
1. 吸附瓦斯：煤层中的瓦斯主要以吸附态存在于煤体孔隙中。
随着压力的减小或温度的升高，吸附瓦斯可以解吸并逸出。
吸附瓦斯的赋存量受煤种、煤质、压力及温度等因素的影响。
2. 渗透瓦斯：煤层中的瓦斯可以通过煤层间隙或裂隙的渗透而存在。
渗透瓦斯的赋存与煤层孔隙度、赋存压力、地应力及煤层裂隙特征等因素有关。
3. 包裹瓦斯：煤层中的瓦斯可以包裹在煤体中的微小气泡中存在。
包裹瓦斯的赋存量受煤体孔隙结构、煤质及煤体松散程度等因素的影响。
4. 瓦斯运移规律：煤层瓦斯的运移与煤体孔隙连通性、地应力、渗透能力等因素有关。
瓦斯通常遵循从高压区到低压区的流动规律，地质构造、矿井开采等因素会影响瓦斯的运移路径和速度。
了解煤层瓦斯赋存规律对煤矿安全生产具有指导意义，可以帮
助矿井管理人员做好瓦斯抽放、通风以及瓦斯爆炸防治等工作，从而提高煤矿的生产安全性。
高位钻孔和高抽巷抽采裂隙带高浓度瓦斯
(b)
顶板走向高抽巷法抽采采空区瓦斯示意图
进风巷
轨 道 下 山
回 风 下 山
8108综放工作面 回风巷
切 巷
俯 视 图
尾巷 (a)
倾
裂隙带
向
高
抽
巷
冒落带
剖 面 图
回风巷 尾巷
(b)
顶板倾向高抽巷法抽采采空区瓦斯示意图
四、瓦斯抽放钻场的检查 1、抽放钻场之间的距离、钻孔的布置是否符 合设计要求、孔口负压（5KPa）是否符合规定 2、抽放钻场支护是否良好；钻场中检查牌板、 钻孔布置牌板，打钻施工时，是否安设瓦斯探 头。 3、抽放钻场是否有负压表和测孔及放水器。 4、抽放钻场、钻孔施工是否制定安全措施。
高位钻孔和高抽巷抽采 裂隙带高浓度瓦斯
本节课时我们共同来学习下采中抽放中 的高位钻孔和高抽巷抽采裂隙带瓦斯方法， 主要目的是解决工作面回采过程中上隅角瓦 斯问题。
高位钻孔和高抽巷抽采示意图
倾向高位钻孔
倾向高抽巷
一、三带的定义和概述 冒落带、裂隙带、弯曲下沉带
采煤区域采完以后，根据岩层的破坏程度 与位移状态会在垂直方向形成三带：即冒落带 （垮落带），然后再向上则是裂隙带，再向上 则是弯曲下沉带。
弯曲下沉带：老顶产生裂隙和下沉 后老顶上部的一部分岩层受上覆岩层压 力产生弯曲下沉。
开 采 煤 层
高 位 瓦 斯 抽 采 钻 孔 冒落带、裂隙带、弯曲下沉带示意图
二、抽采裂隙带高浓度瓦斯的原因 裂隙带因充分卸压，瓦斯大量解吸，浓 度高，当采煤工作面的裂隙带积存大量瓦斯 时，往往被漏风带入生产巷道或工作面空间， 或由于大气压力或通风系统变化使瓦斯大量 涌入工作面，因而对裂隙带瓦斯进行抽采， 阻止裂隙带高浓度瓦斯进入回采工作面，尤 其是上隅角附近。
保护层开采卸压瓦斯运移及抽采技术
瓦斯是伴 随煤炭形 成过程 中而形成 的一 种气体 ，当煤 层开采时 ．煤层 中 的瓦斯进入 采煤工作 面 ，当达 到一 定浓 度时 。严重威胁工作 面生产 安全。而进行 瓦斯抽 采是 解决 采煤工作面瓦斯 超 限的有效办 法 ，而对于深 部开 采 ，存在 三高一 低 的 问题 ．煤 层 渗 透率 差 ，制 约 着 瓦 斯 抽采 的效 率［１ ］，要想取得较好 的瓦 斯抽 采效 果 ，必 须提 高煤 层渗 透性 ，其 中。保护层开采是解决煤层 透气性差 的有 效方法 ， 开采保护层是 区域 性瓦斯 治理最有 效 的手段 ，当保 护层 开
第 ５０卷 第 ８期
煤 炭 工 程
Ｃ０ＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏ１．５０， Ｎｏ．８
ｄｏｉ： １０．１ｌ７９９／ｃｅ２０ｌ８０８０ｌ６
保 护 层 开 采 卸压 瓦斯 运 移 及 抽 采 技 术
张 哲
（煤科集 团沈 阳研究 院有 限公 司，辽宁 抚顺 １ １３１２２）
摘 要 ：为 了降低 采煤 工作 面 瓦斯 浓 度 ，采 用保 护层 开 采 的方 式 对 煤 层进 行 卸 压 ，以 山 西 常庄矿 为试验矿 井 ，通过 数值 模 拟 对 保 护层 开采 后 煤层 卸压 以及 瓦斯 运 移进 行 研 究 ．根 据 卸 压 和 瓦斯运 移特征 确定 了瓦斯抽 采 钻 孔技 术参 数 ，并 对抽 采 效 果进 行 了检 验 ，研 究结 果 表 明 ： 冒 落带高度为 ４．８ｍ，裂隙带高度为 ２５．２ｍ，两侧近煤层 区域裂 隙发育，为裂隙发育的聚 集区，形 成 “裂隙河 ”；当采 宽不 断增 大时 ，卸 压 强度 增 大 ，煤 层 内部应 力 整体 呈 “Ｗ” 型分 布 ；被保 护 层卸压 分 为四 个 区 ：原 始 压 力 区、压 力集 中 区、过 渡 区、 完全 卸 压 区 ；瓦 斯抽 放 孔 最 佳 参 数 ： 钻孔倾 角不得 大 于 ７０。，封 孔 长度 为 ｌＯｒｅ，钻孔 间距 为 ３０ｍ，孔 口 负压 为 １２．２ｋＰａ；卸 压 瓦斯 抽 采 浓度 较卸 压前 大幅提 高 。保 护层 开采对 于被保 护层 卸 压起到 了作 用 。
岩层“上、下三带”力学特性
岩层“上、下三带”力学特性作者：李鹏来源：《中国科技博览》2013年第37期摘要：上、下三带理论经过理论研究和生产实践已发展得日趋完善，该理论对工作面顶板控制和在承压水上安全开采评价及防治矿井底板突水灾害中起了重要作用。
通过本文介绍对上述理论更深入的理解，更好地推广应用，为矿井安全生产服务。
关键词：上三带；下三带；煤矿开采1 采场上覆岩层三带理论1.1 上三带的划分工作面煤层开采后，采用垮落法处理采空区，采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，根据采空区覆岩移动破坏程度，可以分为“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图1所示。
（1）垮落带：破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3-1.5。
但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。
此区域与所开采的煤层毗连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的。
（2）裂隙带：岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂隙带。
它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。
（3）弯曲下沉带：自裂隙带顶到地表的所有岩层称为弯曲下沉带。
弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂隙带顶以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。
若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。
1.2 上三带的范围（1）冒落带的分布范围冒落带位于覆岩的最下部，煤层采空后，上覆岩层失去平衡，从紧靠煤层的顶板岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空间被冒落的岩块充满。
冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3～4倍，薄煤层开采时冒高较小，一般为采煤厚度的1.7倍左右。
顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板为软岩时，冒落带高度为采出厚度的2～4倍。
（2）裂隙带的分布范围裂缝带位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙。
冒落带和裂隙带合称为两带，又称冒落裂隙带，在解决水体下采煤时，称两带为导水裂隙带。
科技成果——基于关键层位置的“导高”预计方法
科技成果——基于关键层位置的“导高”预计方法适用范围岩层采动裂隙是矿井突水、邻近层瓦斯运移的主要通道，如何准确预计具体开采条件下的“导高”，是煤矿水体下采煤设计、顶板突水灾害防治、邻近层瓦斯抽采与防治的基础。
该方法可用于不同开采条件下采动覆岩竖向贯通裂隙发育高度（简称“导高”）的预测，在煤矿保水开采、煤与瓦斯共采、采动覆岩隔离注浆充填等煤矿绿色开采领域有广阔的适用性和推广应用前景。
技术原理煤层开采引起的覆岩裂隙演化与采动岩层破断运动有关，采动岩层破断运动受关键层的控制，因此采动裂隙演化必然受关键层结构的影响。
事实上，覆岩关键层位置会影响采动裂隙发育高度，只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时，该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙，且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙。
关键层破断裂隙贯通的临界高度可按（7-10）倍采高取值，据此提出了基于关键层位置的“导高”预计新方法。
关键技术现有的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000）》（简称《规程》）中的统计经验公式预计方法将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬、软弱进行顶板导水裂隙带高度预计，未考虑具体开采条件下特定的覆岩关键层结构与破断特征，在特定开采条件下，会导致预计的覆岩导水裂隙带高度与实际偏差很大。
基于关键层位置的“导高”预计新方法可以充分体现具体开采条件下覆岩关键层结构特征，避免了对顶板岩性进行统计均化的不足，减少预计误差。
技术流程第一步，收集工作面钻孔柱状资料。
第二步，采用关键层判别软件KSPB进行覆岩关键层位置的判别。
第三步，计算关键层位置距开采煤层高度，并判别关键层破断裂隙是否贯通。
第四步，确定导水裂隙带高度。
当主关键层位于（7-10）M以内时，导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度；当主关键层位于（7-10）M以外时，导水裂隙将发育至（7-10）M上方最近的关键层底部，导水裂隙带高度等于该关键层距煤层的高度。
三下一上采煤
一、基础知识（一）岩层与地表移动特征一、岩层移动及其特征采出煤炭后，上覆岩层被破坏，当H>25M时，即开采深度是采高的25倍时，在回采空间上方形成竖三带。
图23-1。
1、垮落带：分为二部分，不规则垮落带和规则垮落带。
1）不规则的：岩层破坏严重，已失去原有的层次，破碎杂乱，并堆积于煤层底板之上。
2）规则的：垮落，但呈巨块，失去连续性，大体上保持原有的层次。
3）高度：与岩性、采高有关，一般为采高的3～5倍；2、断裂带或导水断裂带在垮落带之上，岩层有许多裂隙，但仍保持原有的岩层层次。
断裂呈垂直或斜交岩层层面，或平行层面（离层），因有透水性，也称为导水断裂带。
高度：与上覆岩性有关，为采高的9～35倍；3、弯曲带或整体移动带位于断裂带之上一直到达地表，其岩层移动是成层的、整体性地，最下部分可能出现离层和不导水的细微断裂。
岩层移动具有分带性特征，会随地质和采矿条件的变化而变化。
采用充填技术，则无冒落带（跨），当煤层厚或距地表近时，无弯曲带。
二、地表移动特征1、地表移动及移动盆地1）、地表移动：采用长壁垮落时，随采区面积的增大，岩石移动范围也随之增大。
当采空区的面积扩大到一定范围时，岩层移动发展到地表，使地表产生移动与变形，这一活动称为地表移动。
2）移动盆地：当采煤工作面采完，地表移动稳定后，采空区上方地表形成沉陷区域，形成一个中间下沉近似相等，边缘下沉量少的一个移动盆地。
（煤层水平，矩形的采空区，地表呈椭圆形，以10mm下沉为界）图23-2。
2、移动盆地的形成过程及种类1）形成过程1、2、3 非充分采动；4 充分采动；5 超充分采动2）种类：三种，非充分采动、充分采动、超充分采动3、移动盆地的主断面及其特征1）主断面：最终移动盆地的最大下沉点沿煤层走向或倾向作断面，称为移动盆地的主断面。
有走向主断面和倾向主断面。
2）特征：在主断面上，用各种夹角来表示其特征。
（1）边界角：在充分采动或接近充分采动的条件下，以下沉值为10mm的点作为边界点（移动盆地主断面上）a，将a与采空区边界点b连线，与水平线在煤柱一侧的夹角为边界角；当地表有松散层时，以松散体上部下沉10mm处开始，先将边界点沿松散层移动角ϕ的方向投到基岩面上作为a点。
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第38卷第6期煤 炭 学 报Vol.38 No.6 2013年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJun. 2013
文章编号:0253-9993(2013)06-0924-06关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响
吴仁伦(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)
摘 要:采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,就覆岩关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响进行深入研究。研究结果表明:覆岩导气裂隙带内是否存在关键层将对覆岩瓦
斯卸压抽采范围起到十分明显的影响作用。在相同开采条件下,覆岩裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断将引起导气裂隙带高度突增,其高度明显高于经验公式计算高度并止于该关键层上方另一层关键层之下;卸压解吸带高度止于覆岩中尚未发生破断且下方存在离层空间的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。关键词:瓦斯卸压运移“三带”;关键层;煤与瓦斯共采;绿色开采中图分类号:TD712．6 文献标志码:A
收稿日期:2012-11-05 责任编辑:许书阁 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50834005);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011QZ03) 作者简介:吴仁伦(1982—),男,山西大同人,讲师,博士。E-mail:ALLEN168158@126.com
Effectsofkeystratumonthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining
WURen-lun(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:Similarmaterialphysicalsimulationandnumericalsimulationandtheoreticalanalysiswereadoptedtostudytheimpactofkeystratumonthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining.Theresultsshowthat,whetherthereexistsakeystratumwithintheoverlyinggasconductivefracturezonewillobviouslyaffectthescopeofthe“threezones”ofgaspressurereliefandextraction.Inthesameminingconditions,ifthereexistsakeystratumwithinthefracturezoneofoverlyingstrata,thefailureofthekeystratumwillleadtoanup-rushintheheightofgasconductivefracturezone,whichishigherthanempiricalformularesult,andthegasconductivefracturezoneheightwillreachthebottomoftheupperkeystratum.Gaspressurereliefanddesorptionzonedevelopstotheunbrokenkeystratumunderwhichexistmuchbedseparationspace,anditsmaximumheightreachesthebottomoftheprimarykeystratum.Keywords:“threezones”ofgaspressurereliefandmigration;keystratum;co-extractionofcoalandgas;greenmin-ing
与煤炭伴生并赋存在煤层当中的瓦斯,是威胁我国煤矿安全的最大致灾因子之一。同时,瓦斯又是一种洁净、高效的能源。因此,无论从保证矿井安全生产还是资源利用的角度来说,都应当对煤矿瓦斯进行抽采。瓦斯抽采的效果主要取决于煤层裂隙的发育程度以及渗透率的大小,而变质程度高、渗透率低、含
气饱和度低和压力小是我国煤储层的普遍特点,这就决定我国绝大部分煤层瓦斯在自然状态的抽采难度较大、抽采效果差、抽采成本高[1-5]。煤矿开采实践
表明,煤层开采引起周围煤岩层产生“卸压增透效应”,使得即使渗透率很低的煤层,其渗透率也将大幅增加,这为瓦斯的运移和抽采创造了条件。因此,第6期吴仁伦:关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响煤与瓦斯共采将是我国煤矿瓦斯灾害防治与环境保护的最佳途径[6-8]。根据煤与瓦斯共采的基本原理可知,在选择瓦斯卸压抽采方式及参数的时候,需掌握煤层开采过程中围岩应力场和裂隙场的变化规律及其分布特征,从而确定合理抽采区域,提高瓦斯抽采效果。基于此,许家林教授等提出了煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”划分[9](图1),即根据覆岩采动应力场、裂隙场及渗流场的变化规律,将开采煤层上覆煤岩层划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带,这为煤与瓦斯共采技术体系提供了一个新的理论基础。但目前对瓦斯卸压运移“三带”范围影响因素的研究报道较少。近年来由钱鸣高院士提出的岩层控制的关键层理论[10]表明,关键层对覆岩采动裂隙和应力分布状态具有很重要的控制作用。现场实测[11]也证实了关键层运动对邻近层卸压瓦斯动态涌出的控制作用,这为瓦斯卸压运移“三带”范围的研究提供了理论依据。本文将通过模拟实验和理论研究,就关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响进行深入研究。
图1 煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”Fig．1 “Threezones”ofgaspressurereliefandmigrationincoalseamgroupmining
1 关键层对导气裂隙带高度的影响导气裂隙带与导水裂隙带具有相同的特征,都是流体能够上下流通的竖向贯通裂隙发育高度,二者范围十分相近。因此,对导气裂隙带高度的判别可借鉴导水裂隙带高度的判别方法。目前,大量学者[12-13]
通过实践基础数据统计得出导水裂隙带高度的经验计算公式。但当经验公式计算的裂隙带范围内存在关键层,实际导水裂隙带高度要发生变化,从而导致一些异常突水灾害的发生[14-16]。可以断定,关键层
对导气裂隙带高度同样有着明显的控制作用。本文将通过对比实验就关键层对导气裂隙带高度的影响进行深入研究。1．1 实验方案
设计了2个物理模拟方案进行对比研究。实验采用的模型尺寸为2．5m×0．2m×2．0m(长×宽×高),模型的几何相似比1∶200,密度相似比1∶1．5,应力相似比1∶300。实验采用的材料以砂子为骨料,辅料为石膏、碳酸钙和水,根据岩层力学性质按一定配比均匀搅拌后逐层铺设,其中煤层的配比要加入适量的煤粉。2个对比方案中煤层采高及覆岩关键层条件见表1。2个实验方案的区别在于,方案2在根据经验公式预计导气裂隙高度范围内设计了一层亚关键层2。图2为实验模型。
表1 实验方案Table1 Experimentalprogramm
方 案方案1方案2煤层采高77
亚关键层1厚度66距煤层高度66
亚关键层2厚度1210距煤层高度10054
亚关键层3厚度12距煤层高度136
主关键层厚度1616距煤层高度142190
图2 实验模型示意Fig．2 Modelschematicdiagram
529煤 炭 学 报2013年第38卷1．2 实验结果及分析图3和图4分别为2个实验方案开采后导气裂隙发育素描图和导气裂隙高度动态发育曲线。
图3 方案1与方案2导气裂隙带高度素描Fig．3 Sketchdrawingsofthegasconductivefracture
heightofschemeoneandtwo
图4 各方案导气裂隙高度与工作面推进距离之间的关系Fig．4 Therelationbetweengasconductivefractureheightand
advancedistanceofworkingfaceindifferentschemes
从图中可以看出:(1)当覆岩预计导气裂隙带内无关键层时(方案
1),导气裂隙高度随工作面的推进基本呈线性增长
趋势,在达到最大高度后(100m),导气裂隙高度不再随工作面的推进而增长。(2)当覆岩预计导气裂隙带内存在亚关键层2
时(方案2),亚关键层2破断前,导气裂隙高度随工作面推进呈线性增长,直至达到关键层2位置之下(约为54m),并保持稳定;亚关键层2破断后引起覆
岩导气裂隙高度突增至亚关键层3之下(约为136m);之后覆岩导气裂隙一直稳定在这一高度。
实验结果证明,当根据经验公式预计的导气裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断会引起导气裂隙高度突增,其最大高度会达到该关键层上方一层关键层之下,导气裂隙高度明显高于无该关键层存在的情
况。2 关键层对卸压解吸带高度的影响
2．1 数值计算模型为进一步研究覆岩关键层对卸压解吸带高度的影响,采用FLAC3D数值模拟软件,设计了2个数值模拟方案进行对比研究。模拟以阳泉某矿地质条件为依据,模型长400m(x方向),宽300m(y方向),高300m(z方向),其中底板厚50m,煤层及其上覆岩层
厚250m,其余上覆275m厚岩层转换为6．9MPa载荷加载在模型顶部。模型侧面限制水平移动,模型底面限制垂直移动。模拟方案见表2。模拟模型如图5所示。
表2 数值模拟方案Table2 Numericalsimulationschemesm
方案煤层采高关键层特征主关键层
厚度距煤层高度方案17无关键层方案274层关键层11172
图5 数值模拟模型Fig．5 Numericalsimulationmodels
2．2 模拟结果及分析
为便于理解,本文定义r为采动应力卸压程度值,采动过程中覆岩中任意一点的应力卸压程度值r=采动卸压后的应力值/原岩应力值,r≥1表示煤岩
体应力升高;r<1表示煤岩体处于卸压状态,r值越大表明卸压程度越低,反之越高。图6和图7为2个模拟方案开采后覆岩不同层位应力卸压情况。从中可以看出:
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