謝和平,周宏偉,薛東杰,高 峰

(1．四川大學(xué),四川成都 610065;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3．中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

我國煤與瓦斯共采：理論、技術(shù)與工程

謝和平1,周宏偉2,薛東杰2,高 峰3

(1．四川大學(xué),四川成都 610065;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3．中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

針對我國煤層低滲透、強(qiáng)吸附的特點(diǎn),系統(tǒng)分析總結(jié)了我國煤與瓦斯共采基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展。在基礎(chǔ)理論研究方面,著重闡釋了采動力學(xué)及瓦斯增透理論的定量評價(jià)理論體系;在關(guān)鍵技術(shù)研究方面,重點(diǎn)介紹了卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)體系、全方位立體式抽采瓦斯技術(shù)體系、深部薄厚煤層瓦斯抽采技術(shù)體系的技術(shù)組成與最新科研進(jìn)展。進(jìn)一步指出了建立煤與瓦斯共采理論體系所面臨的難題與挑戰(zhàn),展望了煤與瓦斯共采未來的發(fā)展方向。

煤與瓦斯共采;基礎(chǔ)理論;工程技術(shù);最新進(jìn)展

煤炭是我國主體能源,瓦斯作為煤的伴生產(chǎn)物,不僅是煤礦重大災(zāi)害源和大氣污染源,更是一種寶貴的不可再生能源。我國瓦斯總量大,與天然氣總量相當(dāng),且隨著采深的增加,瓦斯含量將顯著增大。實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采,是深部煤炭資源開采的必然途徑。深部煤與瓦斯共采不僅能保障我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對能源的需求,還將進(jìn)一步提升我國煤礦安全高效潔凈的生產(chǎn)水平,尤其對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放具有十分重要的意義。我國瓦斯抽采最早始于1938年,但系統(tǒng)的抽采利用起步較晚。20世紀(jì)50年代初期,在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔預(yù)采煤層瓦斯,獲得了成功,解決了撫順礦區(qū)生產(chǎn)過程中的瓦斯安全問題,而且抽出的瓦斯還被作為民用燃料進(jìn)行利用。20世紀(jì)50年代中期,在煤層群的開采中,采用穿層鉆孔抽采上鄰近層瓦斯的試驗(yàn)在陽泉礦區(qū)首先獲得成功,解決了煤層群開采中首采工作面瓦斯涌出量大的問題。此后,在陽泉又試驗(yàn)成功利用頂板高抽巷技術(shù)抽采上鄰近層瓦斯,抽采率達(dá)60%～70%。到了20世紀(jì)60年代以后,鄰近層卸壓瓦斯抽采技術(shù)在我國得到了廣泛的推廣應(yīng)用。20世紀(jì)70—90年代初,針對平頂山等礦區(qū)存在的單一低滲透高瓦斯煤層及有突出危險(xiǎn)的煤層,首先采用通常的布孔方式預(yù)抽采瓦斯,而后陸續(xù)試驗(yàn)了強(qiáng)化抽采開采煤層瓦斯的方法,如煤層注水、水力壓裂、水力割縫、松動爆破、大直徑(擴(kuò)孔)鉆孔、網(wǎng)格式密集布孔、預(yù)裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想,難以解除煤層開采時(shí)的瓦斯威脅。同時(shí),我國先后在撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦等礦區(qū)施工地面鉆孔40余個(gè),并且進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)和研究,但是,均未取得預(yù)期效果。從20世紀(jì)90年代后期至今,全面開展瓦斯(即煤層氣)勘探、地面抽采試驗(yàn)和井下規(guī)模抽采利用,這一階段開始引進(jìn)國外瓦斯開發(fā)技術(shù),開展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是效果不理想,未能有效解決煤礦生產(chǎn)中的瓦斯安全問題,導(dǎo)致煤礦瓦斯事故時(shí)有發(fā)生。但由于我國煤田地質(zhì)條件類型多,構(gòu)造復(fù)雜,仍存在諸多難題,因此如何形成我國深部煤與瓦斯共采基礎(chǔ)理論體系、促進(jìn)我國煤與瓦斯共采技術(shù)的健康發(fā)展,已成為我國煤礦安全生產(chǎn)和科學(xué)開采研究的一個(gè)重大科研課題。

1 煤與瓦斯共采基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

1.1 基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展

(1)提出了“O”型圈理論。該理論為采空區(qū)周邊空間裂隙的認(rèn)識奠定了基礎(chǔ),并認(rèn)為采空區(qū)瓦斯是沿著采動裂隙發(fā)育路徑流動[1],形成了“煤礦綠色開采”的概念。綠色開采技術(shù)的主要內(nèi)容包括：保水開采、“三下”采煤、煤與瓦斯共采、煤巷支護(hù)與部分矸石的井下處理、煤炭地下氣化等。由此可見,煤與瓦斯共采技術(shù)是綠色開采的重要組成部分之一[2-3]。煤與瓦斯共采是煤礦綠色開采的重要分支,在開采高瓦斯煤層的同時(shí),利用巖層運(yùn)動的特點(diǎn)將瓦斯開采出來將是煤與瓦斯共采的一條重要途徑[3]。

(2)建立了“煤層瓦斯流動理論”?；诿旱V瓦斯地質(zhì)的8項(xiàng)基本因素,明確了“煤層瓦斯應(yīng)力場”的概念;創(chuàng)造性地提出了“煤和瓦斯突出的流變假說”[4]。創(chuàng)建的煤層瓦斯流動理論體系,從本質(zhì)上闡明了煤礦中的瓦斯來源及賦存條件,將瓦斯流動理論推進(jìn)到了固、氣耦合的新階段[5]。

(3)揭示了卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)的原理。開展了高瓦斯礦井地應(yīng)力與瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)之間的關(guān)系及巖層移動時(shí)空規(guī)律研究,煤層瓦斯壓力與地應(yīng)力呈線性關(guān)系;煤層透氣性系數(shù)與地應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系[6-7]。開展了低透氣性煤層增透的實(shí)驗(yàn)室研究,發(fā)現(xiàn)卸壓法能明顯增加煤層透氣性,且透氣性系數(shù)與地應(yīng)力相關(guān)[8];提出變傳統(tǒng)瓦斯治理“風(fēng)排”為主變?yōu)楦咝А俺椴伞蓖咚沟男聵?gòu)想,關(guān)鍵技術(shù)是讓煤體松動卸壓,增加透氣性,實(shí)現(xiàn)卸壓開采抽采瓦斯。打破傳統(tǒng)自上而下的煤層開采設(shè)計(jì),在淮南顧橋開展了無煤柱沿空留巷、Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采實(shí)驗(yàn)研究,提出煤層群瓦斯高效抽采的“高位環(huán)形體”理論,根據(jù)COSFLOW提出采動覆巖卸壓系數(shù)新概念,給出了“高位環(huán)形體”的定量描述[9]。在煤層群選擇安全可靠的煤層首先開采,造成上下煤巖層膨脹變形、松動卸壓,增加煤層透氣性;研究清楚首采層開采后應(yīng)力場、裂隙場及其形成的應(yīng)力降低區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū),為構(gòu)建卸壓解析瓦斯流動通道、形成瓦斯富集區(qū)創(chuàng)造條件[10]。

(4)完善了煤層群煤與瓦斯安全高效工程體系。提出高瓦斯煤層群煤與瓦斯安全高效共采的概念,在煤層群開采條件下,首先開采瓦斯含量低、無突出危險(xiǎn)的首采煤層,同時(shí)進(jìn)行卸壓瓦斯高效抽采,這樣不僅解決了由卸壓煤層向首采煤層涌出瓦斯問題,保障首采煤層實(shí)現(xiàn)安全高效開采,又大幅度地降低了卸壓煤層的瓦斯含量,消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,為卸壓煤層內(nèi)實(shí)施快速掘進(jìn)與高效采煤提供了安全保障[11-13]。針對上部卸壓區(qū)域存在3種抽采方法：近程、中程與遠(yuǎn)程抽采。近程抽采主要采用頂板走向穿層鉆孔、走向順層長鉆孔、走向高抽巷與采空區(qū)埋管抽采來自首采煤層未開采分層、采空區(qū)遺煤、處在垮落帶的煤層、底板變形較大區(qū)域內(nèi)煤層、斷裂帶內(nèi)煤層及少部分來自彎曲帶內(nèi)煤層的瓦斯。中程抽采主要采用頂板走向高抽巷法與地面鉆井法抽采來自斷裂帶內(nèi)煤層及部分來自彎曲帶內(nèi)煤層的瓦斯。遠(yuǎn)程抽采主要采用底板巷道網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法與地面鉆井法抽采來自彎曲帶內(nèi)煤層的瓦斯。針對下部卸壓區(qū)域主要采用底板巷道網(wǎng)格式下向穿層鉆孔抽采來自下部卸壓區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯[14]。

(5)建立了采動力學(xué)及瓦斯增透理論的定量評價(jià)體系。分析了典型開采條件下工作面支承壓力分布規(guī)律,獲得工作面前方煤體所承受的采動力學(xué)應(yīng)力環(huán)境條件[15]。采取3種不同開采方式作用下的采動力學(xué)行為特征來模擬研究不同開采方式對煤巖變形及其強(qiáng)度特征的影響規(guī)律,進(jìn)一步揭示開采方式對煤巖斷裂機(jī)理的影響。在理論和技術(shù)上對采動引起的裂隙網(wǎng)絡(luò)所形成的增透性進(jìn)行定義和分析,首次提出一個(gè)新力學(xué)量：增透率,來反映單位體積改變下煤體滲透率的變化,可定量描述開采過程中覆巖和煤層中增透率的分布和演化[16]。在理論上建立卸壓開采采場卸壓增透的定量評價(jià)模型[17-19]。

(6)揭示了采動裂隙時(shí)空演化規(guī)律。開采導(dǎo)致上覆巖層變形和大范圍移動,在采動和煤體瓦斯壓力耦合影響下,上覆巖層中采動裂隙場與原生裂隙場疊加,時(shí)空演化規(guī)律極其復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)對采動誘發(fā)煤巖體破斷及演化更深層次的描述與建模對煤與瓦斯共采具有十分重要的意義[19]。采用分形幾何理論進(jìn)行了采動裂隙分形特性及演化規(guī)律研究[20-23];運(yùn)用逾滲理論建立了以單元裂隙塊體為基本格點(diǎn)的逾滲模型,分析了采動裂隙演化的逾滲特征;建立了采動裂隙演化的重正化群格子模型。研究成果表明：深部開采上覆巖層采動裂隙分布及演化具有分形特征,并受斷層構(gòu)造、煤層厚度等因素影響;采動裂隙演化過程具有逾滲特性,可通過重正化技術(shù)預(yù)測采動裂隙演化的相變臨界性[24];通過室內(nèi)外試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究得到了典型深部開采上覆巖層移動破壞的一般規(guī)律。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)突破

煤與瓦斯共采從2種資源開采順序上主要有3種方式：①先采瓦斯后采煤。通過預(yù)先抽采部分瓦斯,消除突出危險(xiǎn),提高開采安全性。包括：頂?shù)装宕鱼@孔預(yù)抽瓦斯;保護(hù)層開采預(yù)抽主采煤層卸壓瓦斯;順層鉆孔預(yù)抽瓦斯。②煤與瓦斯同采。在掘進(jìn)工作面掘進(jìn)和采煤工作面回采的同時(shí),利用工作面前方應(yīng)力變化使煤層透氣性增加的有利條件,抽采煤體內(nèi)瓦斯。同時(shí)采用頂板走向鉆孔或巷道抽采工作面采空區(qū)積聚的大量瓦斯,既避免了采空區(qū)瓦斯涌入工作面造成上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)流瓦斯超限,又將采空區(qū)高濃度瓦斯抽至地面得以利用。③先采煤后采瓦斯。多開氣源,確保利用,在采煤工作面或采區(qū)結(jié)束后,對密閉的采空區(qū)進(jìn)行抽采。主要方法是在密閉墻內(nèi)接管抽采或從地面鉆孔抽采。目前煤與瓦斯共采技術(shù)的難點(diǎn)主要集中于瓦斯的抽采,主要有以下幾種抽采技術(shù)體系：

(1)卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)體系。首采層卸壓增透消突技術(shù)：首采層均為突出煤層,采用瓦斯抽采母巷鉆孔法預(yù)抽瓦斯卸壓消突[25]。瓦斯含量法預(yù)測煤與瓦斯突出技術(shù)：針對首采層開展突出機(jī)理及規(guī)律、突出預(yù)測預(yù)報(bào)新技術(shù)研究;尋找新的突出預(yù)測預(yù)報(bào)方法和指標(biāo),建立礦區(qū)防突預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)體系。應(yīng)用微震技術(shù)探測首采層采動覆巖裂隙發(fā)育區(qū),從而確定高位環(huán)形體裂隙發(fā)育等瓦斯富集區(qū),進(jìn)一步優(yōu)化瓦斯抽采工程設(shè)計(jì),逐步實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采工程準(zhǔn)確化。針對首采層松軟煤層開發(fā)成功快速全程護(hù)孔篩管瓦斯抽采技術(shù),完善了高壓水射流割縫增透煤層氣抽采技術(shù)。針對深井井巷揭煤開發(fā)了快速揭煤技術(shù),形成低透氣性煤層群卸壓開采抽采瓦斯技術(shù)：開發(fā)了首采煤層頂板抽采富集區(qū)瓦斯技術(shù)、開發(fā)了大間距上部煤層抽采被卸壓煤層解析瓦斯技術(shù)、開發(fā)了多重開采下向卸壓增透瓦斯抽采技術(shù)、開發(fā)了地面布置鉆孔抽采被卸壓煤層解析瓦斯技術(shù)。提出無煤柱煤與瓦斯共采新理論,提出采用Y型通風(fēng)、采空區(qū)護(hù)巷、在留巷內(nèi)布置鉆孔連續(xù)抽采采空區(qū)卸壓解析瓦斯的新思路[26-27]。發(fā)現(xiàn)了首采層開采后頂?shù)装宀煌瑢游淮嬖?個(gè)瓦斯富集區(qū),研究并揭示了首采保護(hù)層采場內(nèi)應(yīng)力場、裂隙場分布及演化規(guī)律,為布置瓦斯抽采鉆孔提供了依據(jù)。開發(fā)了無煤柱護(hù)巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù);主動整體強(qiáng)化錨索網(wǎng)注支護(hù)、抗強(qiáng)采動巷內(nèi)自移輔助加強(qiáng)支架、巷旁充填墻體支護(hù)三位一體的圍巖控制技術(shù);高承載性能的巷旁充填墻體支護(hù)材料,研制成功了巷旁充填一體化快速構(gòu)筑模版支架。開發(fā)成功了無煤柱(護(hù)巷)Y型通風(fēng)留巷鉆孔法抽采瓦斯關(guān)鍵技術(shù)：首采層采空區(qū)留巷鉆孔法抽采瓦斯技術(shù)、留巷鉆孔法上向鉆孔抽采卸壓煤層瓦斯技術(shù)、留巷鉆孔法下向鉆孔抽采卸壓煤層瓦斯技術(shù)[28-30]。

(2)全方位立體式抽采瓦斯技術(shù)體系。主要技術(shù)包括：鉆孔裂隙帶抽采、高位抽采巷抽采、回采工作面下偶角綜合抽采、采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)、采動煤巖移動卸壓增透抽采瓦斯技術(shù)、原始煤層強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)區(qū)域性卸壓開采消突技術(shù)、本煤層長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)、深部開采安全快速揭煤技術(shù)、深井低透氣性煤層井筒揭煤防突關(guān)鍵技術(shù)、高瓦斯煤礦電網(wǎng)重大災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警技術(shù)等[13]。高瓦斯近距離煤層群頂板順層千米大直徑鉆孔實(shí)現(xiàn)“煤與瓦斯共采”技術(shù),解決了多年來嚴(yán)重制約礦井發(fā)展的瓦斯難題,實(shí)現(xiàn)煤與斯安全高效共采,解決了近距離高瓦斯煤層群開采過程中綜采工作面上隅角和回風(fēng)流中濃度超限這一難題,結(jié)合千米定向鉆機(jī),提出了高抽鉆孔組和頂板裂隙鉆孔組聯(lián)合抽采瓦斯技術(shù)[31]。

(3)深部薄厚煤層瓦斯抽采技術(shù)體系。針對深部薄煤層,采用Y型通風(fēng)技術(shù),并在留巷段施工網(wǎng)格立體式穿層鉆孔,攔截抽采鄰近突出煤層的卸壓瓦斯,實(shí)現(xiàn)了無煤柱煤與瓦斯共采[32]。高瓦斯特厚煤層煤與瓦斯共采技術(shù)：利用首采煤層的卸壓增透增流效應(yīng),采用專用瓦斯巷與穿層鉆孔的方法,可以使處于彎曲下沉帶的遠(yuǎn)距離有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層消除突出危險(xiǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯兩種資源安全、高產(chǎn)、高效共采;采用高抽巷方法,可以對處于上覆采動斷裂帶的中距離卸壓瓦斯實(shí)施抽采,能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯兩種資源安全、高產(chǎn)、高效共采;實(shí)踐證明,兩種煤與瓦斯卸壓共采模式、原理是可行的[33-34]。

2 煤與瓦斯共采將面臨的挑戰(zhàn)與主要問題

2.1 基礎(chǔ)理論面臨的挑戰(zhàn)

目前煤與瓦斯共采工程實(shí)踐取得了一定的成果,但總體上理論研究落后于工程實(shí)踐,例如：①深部采動含瓦斯煤巖體破裂機(jī)理、性質(zhì)、特征及破裂程度之間的關(guān)系不清;②高強(qiáng)度大斷面集中開采和工作面推進(jìn)度與瓦斯抽放量、瓦斯排放量的動態(tài)關(guān)系關(guān)聯(lián)機(jī)理不清;③瓦斯在破斷煤巖體中的富集與運(yùn)移規(guī)律不清;④煤與瓦斯共采時(shí)空協(xié)同機(jī)理及單一高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯抽采理論與方法沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。上述關(guān)鍵問題的本質(zhì)是理論研究欠缺、機(jī)理分析不夠深入。由于我國煤層賦存條件普遍復(fù)雜多變,原始煤層透氣性低,對含瓦斯煤巖體破裂機(jī)理、特征不清楚,對采動導(dǎo)致的破斷煤巖體中裂隙的密度、連通度等規(guī)律沒有進(jìn)行充分研究,對破斷煤巖體中瓦斯解吸的機(jī)理、卸壓瓦斯動態(tài)平衡的機(jī)理不清,因此煤與瓦斯共采技術(shù)的應(yīng)用仍處在經(jīng)驗(yàn)的層面,缺乏科學(xué)性、系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)。由于對破斷煤巖體中瓦斯的流動規(guī)律缺乏深入研究,對高瓦斯礦井不同區(qū)域、不同破壞程度的破斷煤巖體中瓦斯的富集程度不了解,導(dǎo)致抽采鉆孔的布置缺乏足夠的科學(xué)性、合理性和針對性,抽采瓦斯的有效時(shí)間短、濃度低、流量小,達(dá)不到安全生產(chǎn)和高效率、大流量、穩(wěn)定采氣的要求。由于對采動影響范圍內(nèi)破斷煤巖體的形成機(jī)理、發(fā)育程度缺乏系統(tǒng)的研究,相應(yīng)范圍破斷煤巖體瓦斯卸壓解吸、流動、富集的規(guī)律認(rèn)識不足,瓦斯的抽采工程與煤炭的開采工程難以實(shí)現(xiàn)同步性、協(xié)調(diào)性,導(dǎo)致瓦斯抽采滯后于煤炭開采,既降低了煤炭開采的安全性,制約了煤炭開采的高產(chǎn)高效,又阻礙了瓦斯的充分高效抽采[35]。

2.2 工程技術(shù)面臨的難題

隨著礦井開采向深部延深,瓦斯含量、瓦斯壓力、絕對瓦斯涌出量逐年增加,透氣性降低。深部采掘?qū)е碌貞?yīng)力重分布,時(shí)空關(guān)系復(fù)雜多變,高應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移以及強(qiáng)卸荷作用引起的煤巖體破碎、塊度分布極其復(fù)雜;且大范圍開采對煤巖體形成反復(fù)擾動,使煤巖體經(jīng)歷多次變形、破壞過程,其介質(zhì)屬性十分復(fù)雜。現(xiàn)代大型礦井大多采用裝備功率大、重型化、高可靠性的先進(jìn)采煤裝備,集約開采的大空間快速推進(jìn)的長壁開采對煤巖體形成強(qiáng)烈開采擾動,尤其是對于深部一礦一面集中開采的千萬噸級礦井而言,強(qiáng)烈開采擾動更是淺部開采和其他巖土工程不能比擬的,導(dǎo)致瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律呈現(xiàn)度復(fù)雜的特點(diǎn)。礦井單產(chǎn)能力大幅度提高,礦井瓦斯涌出量顯著增加,相當(dāng)數(shù)量的低瓦斯礦井將轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井,開采條件越來越復(fù)雜,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性越來越大,給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅。為節(jié)約與高速開發(fā)資源,我國深部較厚煤層,條件合適一般采用大采高一次采全厚采煤法。大采高技術(shù)的應(yīng)用也造成了煤層覆巖移動的復(fù)雜性與巷道維護(hù)的困難性,生產(chǎn)過程中巷道垮落嚴(yán)重,工作面回風(fēng)受阻,容易造成瓦斯超限;另外采空區(qū)垮落范圍較大,容易涌出大量瓦斯,造成回風(fēng)道瓦斯超限。尤其是上隅角瓦斯超限時(shí)有發(fā)生,這些現(xiàn)象的造成都是大采高造成的劇烈擾動引起的,同時(shí)也減少了瓦斯預(yù)抽時(shí)間,這些都給生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重安全隱患。因此當(dāng)今開采技術(shù)進(jìn)步(集約化開采、大采高、快速推進(jìn)等)加大了對煤炭資源的開采利用,但帶來的技術(shù)難題同時(shí)也限制了煤與瓦斯共采的高效開發(fā)。

3 煤與瓦斯共采幾個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向

3.1 采動煤巖體瓦斯增透理論與模型

瓦斯在煤層中的流動規(guī)律是煤與瓦斯共采理論的重要課題。目前工作大多集中在煤的滲透屬性、瓦斯運(yùn)移基本規(guī)律研究,并未考慮煤炭開采過程中采動應(yīng)力即支承壓力變化和水平應(yīng)力卸載效應(yīng)導(dǎo)致的煤體變形破裂以及復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)對煤層滲透性的影響,因而無法描述不同開采方式下煤體滲透率的變化規(guī)律。而開采導(dǎo)致的高密度、高聯(lián)通度的采動裂隙,使煤層的滲透率發(fā)生了根本性改變,目前還沒有合適的理論來定量描述這種增透機(jī)理和增透效果,更沒有評價(jià)方法和體系來指導(dǎo)煤與瓦斯共采。因此,如何定量準(zhǔn)確評價(jià)采動影響以及與增透措施共同影響下煤巖體的增透效果,尤其是基于采動裂隙演化幾何特征的增透率評價(jià)模型,乃至整個(gè)瓦斯抽采過程中隨瓦斯抽采動態(tài)變化的增透率評價(jià)模型,是煤與瓦斯共采面臨的一個(gè)重要基礎(chǔ)科學(xué)問題。

3.2 變頻氣動致裂瓦斯抽采技術(shù)

我國很多高瓦斯礦井煤層具有松軟和低滲特點(diǎn),瓦斯抽采極為困難,煤層增透是提高煤層瓦斯抽采率的根本途徑,除了解放層開采具有理想的增透效果以外,在不具備解放層開采條件下的深部單一煤層增透仍是世界性難題。煤層增透需要實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)：一是使煤體產(chǎn)生盡可能多的裂縫,二是要實(shí)現(xiàn)裂縫的高連通率。目前,有引進(jìn)水力壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)對煤層進(jìn)行大規(guī)模壓裂改造,也有在井下利用高壓脈沖水在煤體鉆孔內(nèi)部進(jìn)行割縫和擴(kuò)孔,但是效果并不理想。根本原因是水使煤體中的黏性礦物發(fā)生膨脹,煤層軟化,導(dǎo)致裂縫通道閉鎖。

變頻氣動致裂技術(shù)[36]一方面利用氣體的高度擴(kuò)散性,盡可能多地打開煤體中原生微裂隙通道,增強(qiáng)煤體的透氣性,同時(shí)在不誘發(fā)瓦斯突出危險(xiǎn)的前提下,通過低壓變頻抽壓交替力學(xué)作用,使煤體產(chǎn)生裂隙的疲勞擴(kuò)展,進(jìn)一步增強(qiáng)煤體的裂隙度和連通率,克服水力壓裂的固有缺陷,為單一煤層增透和有效抽采帶來技術(shù)突破。

3.3 與巖層移動時(shí)空協(xié)同的煤與瓦斯共采技術(shù)體系

為了克服目前煤與瓦斯共采的時(shí)效性差、協(xié)同性差、瓦斯抽放效率低的狀況,應(yīng)進(jìn)一步針對高瓦斯煤層群賦存條件,研究高強(qiáng)、集約化開采、低滲條件下煤與瓦斯共采控制參數(shù)指標(biāo)體系及量化分析方法,揭示控制參數(shù)對煤與瓦斯共采效果的影響規(guī)律,探討基于時(shí)空協(xié)同機(jī)理的煤與瓦斯共采的評價(jià)模型及瓦斯抽采優(yōu)化布置方案。尤其是需要建立大空間快速推進(jìn)的長壁開采強(qiáng)烈擾動下煤巖體的應(yīng)力場-裂隙場-瓦斯場的時(shí)空耦合關(guān)系,進(jìn)行煤與瓦斯共采影響因素辨識與量化分析,如采深、煤層厚度、采高、滲透率、孔隙度、頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)性質(zhì)等,提出煤炭開采與瓦斯抽采最優(yōu)匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與理論模型,進(jìn)而建立基于時(shí)空協(xié)同機(jī)理的煤與瓦斯共采的理論基礎(chǔ)及煤與瓦斯共采的普適模型。

4 結(jié) 語

我國瓦斯(即煤層氣)資源總量大,與天然氣總量相當(dāng),在國際油價(jià)居高不下、減排壓力空前增加的大環(huán)境下,瓦斯資源將扮演越來越重要的角色,在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例也將持續(xù)增加。我國煤層低滲透、強(qiáng)吸附的特征決定了必須實(shí)施煤與瓦斯共采,使煤層充分增透,才能有效抽采瓦斯。實(shí)施煤與瓦斯共采,不僅能保障我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對能源的依賴,還將進(jìn)一步提升我國煤礦科學(xué)開采水平。雖然我國煤與瓦斯共采的工程實(shí)踐已初具規(guī)模,但尚未形成科學(xué)性、有效性、針對性的煤與瓦斯共采基礎(chǔ)理論體系。因此,應(yīng)圍繞煤與瓦斯共采基礎(chǔ)理論進(jìn)行攻關(guān),形成我國煤與瓦斯共采理論體系,真正實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的科學(xué)性、有效性、針對性,真正實(shí)現(xiàn)瓦斯資源的有效開發(fā)利用。

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Theory,technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China

XIE He-ping1,ZHOU Hong-wei2,XUE Dong-jie2,GAO Feng3

(1.Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China;3.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Considering the low permeability and enhanced adsorption of coal seams in China,the authors made a brief review about the status and latest progress on the fundamental theory and key engineering technology development on the simultaneous exploitation of coal and gas．On the basis of theoretical research,the authors laid stress on interpretation of the mining-induced mechanics and theory of quantitative evaluation on enhanced permeability of coal．Then the latest scientific research in key technologies is focused on the stress-relief-induced gas extraction technology system, the spatial direction-based gas extraction technology system,and some advances of extraction technology system used in the thick or thin coal seam in deep．Furthermore the problems and challenges facing the prospect and establishment of theory on simultaneous exploitation of coal and gas were discussed．

simultaneous exploitation of coal and gas;fundamental theory;engineering technology;latest progress

TD712

A

0253-9993(2014)08-1391-07

2014-06-30 責(zé)任編輯：王婉潔

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2011CB201201);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20130023110017)

謝和平(1956—),男,湖南雙峰人,中國工程院院士。E-maill：xiehp@scu．edu．cn

謝和平,周宏偉,薛東杰,等．我國煤與瓦斯共采：理論、技術(shù)與工程[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)：1391-1397．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．9038

Xie Heping,Zhou Hongwei,Xue Dongjie,et al．Theory,technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China [J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1391-1397．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．9038